3. Применение правила фаз и принцип соответствия
Согласно принципу соответствия, вытекающему из правила фаз, каждой совокупности равновесно сосуществующих фаз на диаграмме состояния отвечает свой геометрический образ. По-этому все диаграммы состояния любой сложности содержат одни и те же геометрические элементы.
Правило фаз Гиббса С=к+n-ф для металлических систем из двух компонентов (к=2) при n=1 (из внешних параметров, влияющих на положение равновесия, учитывается только температура) приобретает вид С = 3-Ф
,где С - число термодинамических степеней свободы (вариантность системы);Ф - число конденсированных фаз, находящихся в равновесии.
Рассмотрим возможные случаи.
1. системе одна фаза — ненасыщенный раствор (жидкий или твердый). Тогда Ф=1 и С=2. Система имеет две степени свободы. Это означает, что независимо друг от друга можно изменять , в известных пределах,
значения двух параметров (температуру и состав), и при этом будет существовать одна фаза. Такому условию на диаграмме состояния удовлетворяет поле гомогенности. Поля существования жидких фаз (расплавов) располагаются в верхней части диаграммы и снизу ограничиваются наклонными линиями — линиями насыщения (поля I и II на рис. 1,6; I—III на рис. 1, в; поле V на рис. 2).
Поля устойчивости твердых ненасыщенных растворов примыкают к вертикалям, отвечающим чистым компонентам или химическим соединениям при температурах ниже температур конца кристаллизации. Эти поля сверху (а некоторые снизу) ограничиваются наклонными линиями (поля I—IV на рис. 2).
2. Равновесие двух фаз (две несмешивающиеся жидкости; два твердых раствора или твердый раствор и жидкая фаза). В этом случае Ф=2 и С=1. Система одновариантная. Это значит, что параметры — температура и состав каждой из равновесно сосуществующих фаз— взаимосвязаны одним уравнением. На диаграмме состояния этими уравнениями описываются наклонные линии или линии насыщения одних фаз другими. До этих линий и простираются поля гомогенности. Между линиями насыщения располагается поле гетерогенности — поле устойчивости двух равновесных фаз, в пределах которого число степеней свободы С=1.
Из правила фаз следует, что в смежных полях диаграммы число фаз, а значит и степеней свободы, отличается на единицу. Это следствие облегчает анализ фазовых диаграмм, особенно сложных.
После того, как определены поля гомогенности в любой системе, нетрудно установить, какие фазы существуют в равновесии в любом поле гетерогенности. Ими будут фазы, чьи поля или линии постоянного состава (вертикали) располагаются по обе стороны от рассматриваемого поля гетерогенности. В качестве примера в системе (см. рис. 2) расписаны все поля гомогенности (I—V) и гетерогенности (VI—XIII).
3. Равновесие трех фаз (двух жидких и одной твердой; двух твердых и одной жидкой, либо трех твердых). При этом Ф=3 и С=0. Система безвариантна, т.е. совместное равновесие трех фаз возможно лишь при постоянной температуре и неизменных составах фаз (ни один из параметров произвольно меняться не может). На диаграмме состояния этому удовлетворяет участок горизонтальной линии с тремя точками, указывающими составы равновесных фаз (горизонтальные линии на рис. 1 ,б;в и на рис. 2).
Например, при температуре точки "Е" (см. рис. 2) горизонталь ДЕF отвечает равновесию трех фаз, составы которых указывают точки "Д", "Е" и "F". В 1-й фазе %В="Д" — это насыщенный — твердый раствор, так как точка "Д" принадлежит полю II. Во 2-й фазе %В="F" —
это кристаллы химического
соединения, так как точка
"F"
находится на вертикали
при температуре ТF
ниже температуры кристаллизации. В
третьей фазе %В=”Е” — это расплав
(жидкая фаза).
Из правила фаз вытекает, что в двухкомпонентной системе одновременно в равновесии не может находиться более трех фаз (число степеней свободы не может быть отрицательным).
Таким образом, двухкомпонентные диаграммы состояния любой сложности — это совокупность полей гомогенности и гетерогенности, разделенных различными линиями:
─наклонными (линии насыщения одних фаз другими);
─вертикальными (линии постоянного состава, отвечающие химическим соединениям);
─горизонтальными (линии равновесного сосуществования трех конденсированных фаз).
Переходя от одного поля к
другому, при движении слева на-право,
наблюдаем смену полей гомогенности и
гетерогенности (см.
рис. 2, поля II,
VI,
V,
VII,
IV,
XI,
V,
XII,
III).
При движении сверху вниз в отсутствии
горизонтальных линий на диаграмме
поля гомогенности и
гетерогенности также чередуются (см.
рис. 2, поля V,
VI,
II,
IX,
I).
Если же при таком движении встречаются
горизонтальные линии, то выше и ниже
них размещаются поля гетерогенности
(см. рис. 2, линия ДЕF
и поля VI,
VII,
VIII;
линия Д'Е'F'
и поля XI,
XII,
XIII;
линия
и поля VIII,
IX,
X).