6.2 Двухкомпонентные системы с одной фазой переменного состава

В уравнениях состояния двухкомпонентных систем число переменных равно четырем: . Таким образом, для построения полной диаграммы состояния необходимо располагать системой координат четырех измерений. В этих координатах диаграмма должна представлять собой совокупность поверхностей, расположенных некоторым образом в четырехмерном пространстве. Подобное построение невозможно, и это вынуждает прибегать к некоторым упрощениям, вернее, к использованию таких переменных, описывающих состояние системы, которые позволяют сделать необходимые упрощения. С этой целью вместо переменныхпереходим к переменными мольному объемуи мольной доле первого компонента. Мольная доля второго компонентапри этом уже не может быть величиной независимой, она равна 1 –. Вместо мольных долей можно рассматривать также содержание компонентов, выраженное в весовых процентах

Значения мольного объема обычно представляет меньший интерес, чем значения других перечисленных величин. Поэтому выбираем в качестве независимых переменных температуру, давление и мольную долю первого компонента, а мольный объем, являющийся при таком выборе функцией и, не рассматриваем, и строим трехмерную диаграмму состояния в осях.

В практической повседневной работе пользуются еще более упрощенными диаграммами, а именно сечениями объемной диаграммы плоскостями, отвечающими постоянному давлению или постоянной температуре. Поскольку и в научных исследованиях и в технике весьма часто приходится иметь дело с превращениями, протекающими при постоянном давлении или при постоянной температуре, подобные сечения вполне удовлетворяют многим потребностям теории и практики. Вместе с тем плоские диаграммы весьма удобны и компактны.

6.2.1 Диаграмма плавкости двухкомпонентных систем, не образующих химических соединений и твердых растворов

На рис. 6.2 приведен общий вид диаграммы плавкости системы компонентов А и В, неограниченно растворимых в жидком состоянии, а в твердом, не образующих ни химических соединений, ни растворов.

Рассмотрим диаграмму с точки зрения правила фаз Гиббса. Линия «t_AEt_B » на диаграмме называется линией ликвидуса (т.е. жидкости). Кривая «t_AE» характеризует изменение состава расплава по мере выделения кристаллов чистого компонента А.

Рис.6.2 Диаграмма состояния двухкомпонентной системы.

Каждая точка кривой характеризует равновесие расплава с кристаллами вещества А. Расплав обогащается компонентом В. Кривая «tBE» характеризует изменение состава расплава по мере выделения кристаллов чистого вещества В. При этом расплав обогащается компонентом А. Каждая точка этой кривой характеризует равновесие расплава с кристаллами вещества В.

Точка Е пересечения кривых «t_AE» и «t_BE» показывает температуру и состав расплава, который находится в равновесии как с кристаллами вещества А, так и с кристаллами вещества В. При температуре «t_E» оба компонента одновременно выделяются из расплава в виде чистых твердых фаз. Расплав, отвечающий точке Е, называется эвтектическим, а твердая смесь мелких кристаллов А и В называется эвтектикой.

Линия «CD» называется линией солидуса (твердого состояния). Ниже этой прямой система существует только в твердом состоянии. Линии ликвидуса и солидуса делят все поле на отдельные области. В области «I» существует одна жидкая фаза, в состав которой входят два компонента. Число степеней свободы в этой области равно:

, (6.6)

т.е. система является двухвариантной. Это значит, что в области «I» можно произвольно в определенных пределах изменять и температуру, и состав, не изменяя числа фаз.

В области «II» существуют две фазы: кристаллы вещества А и расплав, число степеней свободы в этой области равно:

, (6.7)

т.е. система является одновариантной. Это значит, что двухфазная, двухкомпонентная система обладает одной степенью свободы и, следовательно, можно произвольно изменять либо температуру, либо состав. Если изменять температуру, то состав расплава при каждой температуре определяется кривой «t_AE».

В области «III» также существуют две фазы: кристаллы вещества В и расплав, а система является одновариантной. Если произвольно изменять температуру, то расплав при каждой температуре определяется кривой «t_BE».

В точке Е сосуществуют три фазы: твердый компонент А, твердый компонент В и расплав. Число степеней свободы равно:

, (6.8)

т.е. система является инвариантной (безвариантной). Это значит, что все три фазы могут сосуществовать только при определенной температуре и составе. Ни температуру, ни состав расплава нельзя изменять произвольно, не изменяя числа фаз. В точке Е состав эвтектики и состав расплава совпадают.

В области «IV» застывший расплав состоит из сравнительно крупных кристаллов компонента А и эвтектики, которая представляет собой мелкокристаллическую смесь кристаллов А и В.

В области «V» застывший расплав состоит из крупных кристаллов В и эвтектики. В областях «IV» и «V» сосуществуют две фазы: кристаллы А и В. Число степеней свободы равно:

. (6.9)

Это означает, что в данной системе можно произвольно менять только температуру, так как состав фаз остается постоянным.

Соотношение между количеством твердой и жидкой фаз определяется по правилу рычага. Например, смесь в точке «F» соответствует начальному составу 80 % А и 20 % В, при температуре «t_F». Она представляет собой гетерогенную систему (область «II») из кристаллов вещества А и жидкой фазы. Для определения состава этих фаз проводят горизонталь через точку «F» до пересечения с границами области (длина рычага). Точка опоры рычага «F» соответствует составу исходной системы, а плечи рычага обратно пропорциональны весовым количествам полученных фаз:

. (6.10)