6. Диаграмма состояния и ее построение (метод термического анализа). Правило фаз.

6.1.Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис.1) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла.

Рис. 1. График процесса кристаллизации сплавов	Рис. 2. Координатные оси при построении диаграммы состояния сплавов олово-цинк

При кристаллизации эвтектики происходит остановка охлаждения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полностью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс - концентрация элементов в сплаве (рис.2).

Общее содержание компонентов в сплаве 100 %, и поэтому каждой точке на диаграмме соответствует определенное содержание компонентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полученные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси "температура-концентрация". Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтектики в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.4).

Сплавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эвтектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики - эвтектическими, располагающиеся за точкой эвтектики - заэвтектическими. Структура этих сплавов на примере системы Zn-Sn показана на рис.3.

Рис.3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк: а) доэвтектический сплав, олово+эвтектика (Sn+Zn); эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn); б) заэвтектический сплав цинк+эвтектика (Sn+Zn)

6.2. Пра́вило фаз — соотношение, связывающее число веществ (компонентов), фаз и степеней свободы в гетерогенной системе

Правило фаз записывается следующим образом:

где j — число фаз (например, агрегатных состояний вещества);

v — число степеней свободы, то есть независимых параметров (температура, давление, концентрация компонентов), которые полностью определяют состояние системы при равновесии и которые можно менять без изменения числа и природы фаз;

k — число компонентов системы — число входящих в систему индивидуальных веществ за вычетом числа химических уравнений, связывающих эти вещества. Иначе говоря, это минимальное количество веществ, из которых можно приготовить каждую фазу системы.

n — число переменных, характеризующих влияние внешних условий на равновесие системы.

При переменных давлении и температуре правило фаз сводится к выражению:

В случае однокомпонентной системы оно упрощается до:

,Отсюда видно, например, что в однокомпонентной системе три фазы (j=3) могут сосуществовать при числе степеней свободы v, равном нулю, то есть при фиксированных давлении и температуре, что соответствует тройной точке на фазовой диаграмме. Две фазы (j=2) сосуществуют при произвольном измененнии либо давления, либо температуры, когда вторая из этих переменных не является независимой (v=1), то есть двухфазному равновесию на фазовой диаграмме соответствует линия. Если фаза одна (j=1), число степеней свободы системы равно двум, то есть температура и давление могут менятся независимо в пределах некоторой области на фазовой диаграмме — пока система не окажется на одной из линий двухфазного равновесия.

Иногда правило фаз записывают следующим образом:

то есть при равновесии число фаз в системе меньше либо равно числу компонентов плюс 2.