3.3.2.5. Диаграмма состояния двухкомпонентной конденсированной системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Явление ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии связано с образованием твердых растворов замещения при заметных различиях радиусов ионов и твердых растворов внедрения. Последние образуются при внедрении одного из компонентов в кристаллическую решетку другого, называемого в этом случае «хозяином» кристаллической решетки твердого раствора. Такого типа твердые растворы образуются между компонентами, имеющими различные параметры кристаллических решеток и структурных элементов, и могут быть только ограниченными. Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью в твердой фазе бывают эвтектического (рис. 30) и перитектического (рис. 31) типов.

Линии ликвидус на этих диаграммах (соответственно Т_А-Е-T_B и T_A-P-Т_B) показывают температуру начала кристаллизации и изменение состава жидкой фазы, из которой кристаллизуются твердые фазы. Компоненты не кристаллизуются из расплава в чистом виде, а образуют ограниченные твердые растворы: у раствора α «хозяин» кристаллической решетки - компонент А, у раствора β -компонент В. Иначе говоря, α - это твердый раствор компонента В в А, а β - твердый раствор А в В.

Растворимость компонентов друг в друге в твердом состоянии ограничена линиями растворимости. Растворимости компонента В в А соответствует линия T_A-M-m; линия насыщенного раствора А в В – T_B-N-n. Различия в химических и кристаллографических свойствах приводят к появлению экстремальной точки Е, сходной со своему характеру с точкой эвтектики (рис. 30). Компоненты системы (рис. 31) имеют свойства, лизкие к идеальным, а на линиях ликвидус и солидус отсутствуют экстремальные точки.

По линиям солидус диаграмм (Т_А-М-N-T_B) можно проследить изменение составов твердых растворов α и β, находящихся в равновесии с насыщенной ими жидкой фазой, а также температуру конца кристаллизации.

Л инии Mm и Nn показывают влияние температуры на взаимную растворимость компонентов в насыщенных твердых растворах, находящихся в равновесии в области диаграмм, расположенной между этими линиями. На изотермах диаграмм находятся в безвариантном равновесии (S = 0) три фазы.

Рис. 30. Диаграмма состояния двухкомпонентной конденсированной системы с ограниченной взаимной растворимостью в твердой фазе эвтектического типа.

На изотерме диаграммы (рис. 30), из жидкой фазы, имеющей состав, отвечающий точке двойной эвтектики Е, совместно кристаллизуются твердые растворы α и β. При этой температуре заканчивается кристаллизация системы. В точке эвтектики взаимодействие фаз протекает по схеме . Продолжительность температурных остановок на кривых охлаждения определяется по треугольнику Таммана. Ниже этой температуры остаются два твердых раствора, составы которых при дальнейшем понижении температуры меняются по соответствующим линиям растворимости.

И зменение состава твердого раствора приводит к замедлению процесса охлаждения, что показано вогнутыми линиями на кривых охлаждения точек 1 и 2. Отсутствие монотонности кривых охлаждения на участках 1''-1_Е и 1_Е-1_k, а также на участках 2''-2_Е и 2_Е-2''' объясняется увеличением концентрации компонента В в составе твердого раствора α до температуры эвтектики и последующим ее уменьшением. Изменение фазового состава в поле совместного существования двух твердых растворов (α + β) также сопровождается замедлением кристаллизации, что показано вогнутыми линиями на кривых охлаждения.

Рис. 31. Диаграмма состояния двухкомпонентной конденсированной системы с ограниченной взаимной растворимостью в твердой фазе перитектического типа.

На изотерме диаграммы (рис. 31) протекает перитектический процесс, при котором жидкая фаза, состав которой при охлаждении системы приходит в точку Р, взаимодействуя с твердым раствором α, образует твердый раствор β по фазовой реакции . Поскольку эта реакция обратима, при нагревании она протекает в противоположном направлении, т.е. происходит разложение твердого раствора β, что и показывает вершина треугольника Таммана, построенного на изотерме диаграммы. Характер кривых охлаждения аналогичен рис. 30.