ММ 2 курс 2016 Материаловедение Лекция 7

Диаграммы фазового равновесия в двухкомпонентных системах

Процессы кристаллизации и фазовых превращений сплавов описывают с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Диаграммы состояния двойных сплавов строят в координатах «концентрация компонентов – температура» Общее содержание двухкомпонентного сплава в любой точке оси абсцисс равно 100%, а крайние точки соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре и называется фигуративной точкой.

Диаграммы состояния позволяют определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Т.о., эти диаграммы характеризуют окончательное состояние сплава после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились.

Это состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз. Оно выражается уравнением:

С=К+П-Ф,

где С – число степеней свободы системы (или вариантность); К – число компонентов, образующих систему; П – число внешних факторов; Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы понимают число независимых переменных – температуры, давления и концентрации, при изменении которых не изменяется число фаз, находящихся в равновесии.

При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам и сплавам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т.к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состоянии.

Тогда правило фаз примет вид: С=К+1-Ф.

Поскольку число степеней свободы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом, то К-Ф+10, а Ф<К+1, т.е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица. Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не больше трех фаз.

Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно 0 (С+0). Такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существовать только в определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение в сплаве начинается и заканчивается при одной постоянной температуре.

Так, чистый металл при температуре затвердевания представляет однокомпонентную систему (К=1), состоящую из двух фаз - жидкой и твердой. В этом случае система нонвариантна, т.к. С=1+1-2=0.

В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально возможного число степеней свободы возрастает на единицу (С=1). Такую систему называют моновариантной (одновариантной). Например, сплав из двух компонентов при температуре затвердевания является двухфазной системой. В этом случае С=1, следовательно, можно в определенных пределах изменять внешний фактор равновесия – температуру, без изменения числа фаз, при этом каждой заданной температуре будет отвечать определенная концентрация этих фаз; такой сплав кристаллизуется в интервале температур.