4.1.5. Применение правила рычага для трехкомпонентных систем

Относительное количество фаз в точке заданного состава определяется по правилу рычага. Правило рычага применимо к плоским диаграммам состояния трехкомпонентных систем, т.к. любое поле такой диаграммы содержит не более двух фаз. Для определения относительного количества фаз следует выбрать точку на диаграмме состояния и от «хозяина поля» провести ноду или луч через заданную точку (рис. 49).

Р ис. 49. Применение правила рычага.

Точка пересечения с линией поля диаграммы покажет состав жидкой фазы. Пока идет кристаллизация «хозяина поля» соотношение концентраций двух других компонентов будет оставаться величиной постоянной. Количество жидкой фазы определяется длиной отрезка [An]; количество твердого вещества – длиной отрезка [mn]:

;

.

4.1.6. Проекция нескольких сечений на концентрационный треугольник

Для изображения на плоскости проекции нескольких сечений и температурного рельефа диаграммы используется метод, аналогичный применяемому в топографии для изображения рельефа местности на картах. С этой целью выполняют сечения объемной диаграммы изотермическими плоскостями, параллельными плоскости основания призмы, а затем на плоскость основания проектируют линии пересечения — изотермы, указывая на каждой из них соответствующую ей температуру.

Рис. 50. Совокупность проекций нескольких сечений на плоскость составов; T₁ > T₂ > T₃ > T₄.

Понижение температуры в пределах концентрационного треугольника происходит от его вершин к центру.

Плоская диаграмма позволяет определять многие свойства системы с заданным сочетанием трех компонентов и изменение этих свойств при изменении исходного состава системы и температуры. С ее помощью можно определить, какова растворимость компонентов в жидком и твердом состояниях, образуются ли между ними химические соединения, меняются ли кристаллические модификации твердых фаз, как меняется состав и относительное количество фаз при изменении температуры, каков состав самой тугоплавкой или легкоплавкой системы, можно воссоздать вид кривой охлаждения системы заданного исходного состава и т. д.

4.2. Типовые диаграммы состояния трехкомпонентных конденсированных систем

Разумеется, многообразие сочетаний различных свойств в трехкомпонентных системах создает значительно большие трудности при построении и чтении диаграмм их состояния по сравнению с бинарными системами, поэтому здесь рассмотрены типовые диаграммы или диаграммы состояния простейших реальных систем.

4.2.1. Диаграмма состояния трехкомпонентной конденсированной системы без химических соединений и полиморфных превращений

Простейшая двухмерная диаграмма состояния трехкомпонентной конденсированной системы (рис. 51) на практике встречается крайне редко, но содержит основные элементы, входящие в состав диаграмм состояния более сложных систем.

На диаграмме существуют три поля, в которых происходит кристаллизация чистых компонентов диаграммы из равновесных жидких фаз. В каждом из полей диаграммы существуют по две фазы: кристаллический компонент и равновесная с ним жидкость. По мере понижения температуры, от вершин треугольника к центру, жидкая фаза теряет один из компонентов и обогащается двумя другими. В любом поле диаграммы число степеней свободы равно двум.

Области полей диаграммы ограничены линиями, называемыми граничными линиями, на которых происходит совместная кристаллизация двух компонентов соседних полей, т.е. на граничной линии в равновесии находятся три фазы и система обладает одной степенью свободы.

На сторонах треугольника показаны точки двойных эвтектик, в которых происходит совместная кристаллизация двух компонентов, по приведенным ниже уравнениям равновесий:

е₁: ;

е₂: ;

е₃: .

В центре концентрационного треугольника показана точка тройной эвтектики Е, в которой происходит завершение процесса кристаллизации по уравнению: . Температура точки тройной эвтектики является самой низкой в системе.

Проследить тенденцию изменения температуры в пределах диаграммы помогают так называемые «развертки диаграммы», представляющие собой вид сбоку на объемную диаграмму состояния. Для обсуждаемой диаграммы все развертки будут идентичны и представляют собой простейшую двухкомпонентную диаграмму состояния (рис. 51-б). Развертку можно строить непосредственно на стороне диаграммы, а можно оформить в виде отдельного рисунка.

Анализ хода изотерм диаграммы и разверток диаграммы дает возможность показать направления падения температуры по сторонам и граничным линиям диаграммы: от вершин треугольника к точкам двойных эвтектик и далее к точке тройной эвтектики (рис. 51-а).

Кристаллизация системы заданного состава (фигуративная точка 1 на диаграмме рис. 51-а) протекает по направляющей от «хозяина поля» в направлении общего снижения температуры: от точки по направляющей до граничной линии и по граничной линии по стрелке до точки тройной эвтектики.

Кристаллизация точки, расположенной на стороне треугольника (точка 2, рис. 51-а), протекает в направлении падения температуры к точке двойной эвтектики и, далее, к точке тройной эвтектики.

Кривые охлаждения, являющиеся экспериментальной основой получения диаграмм состояния, имеют те же тенденции, что и для двухкомпонентных систем: экзотермический эффект кристаллизации твердой фазы проявляется в виде выпуклой кривой. Точки двойных и тройных эвтектик сопровождаются температурной остановкой (рис. 51-в).

Рис. 51. Диаграмма состояния трехкомпонентной конденсированной системы с одной тройной точкой эвтектики (а), развертка к ней (б) и кривые охлаждения (в).