Фазовая диаграмма состояния

Диаграмму состояния двухкомпонентных сплавов для случая, когда оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии нерастворимы и образуют механическую смесь, условно называют диаграммами первого типа.

Рассмотрим фазовую диаграммы сплавов свинец сурьма. При помощи термического метода построены кривые охлаждения для чистых свинца и сурьмы и их сплавов.

Если точки, соответствующие температурам, при которых происходят превращения в сплавах (критические точки), нанести на диаграмму, вычерченную в координатах температура– концентрация, и соединить их линиями, то получим фазовую диаграмму состояния сплавов. На этой диаграмме имеются две линии: линия ликвидуса АСВ, являющаяся геометрическим местом точек конца плавления (или начала кристаллизации)Ю, и линия солидусаDCE – геометрическое место точек начала плавления (или конца кристаллизации) сплавовPb–Sbразной концентрации. Эти линии отделяют различные фазовые области на диаграмме состояния.

Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жидком состоянии, образуя одну фазу – жидкий раствор (область I), а ниже линии солидуса – в твердом состоянии, образуя механическую смесь двух фаз: кристаллов свинца и сурьмы (областьIV). Между линиями ликвидуса и солидуса, наряду с жидким раствором, будут присутствовать, как это видно из диаграммы, или кристаллы свинца (областьII) или кристаллы сурьмы (областьIII). Следовательно, в сплавахPb–Sbпри сплавлении присутствуют три фазы: жидкий раствор, кристаллы свинца и кристаллы сурьмы.

По диаграмме состояния можно определить фазовое состояние сплава Pb–Sbлюбой концентрации при любой температуре. Правильность экспериментального построения диаграммы состояния сплавовPb–Sbможно проверить, пользуясь правилом фаз, изложенным раньше. В областиIдиаграммы присутствует одна фаза – жидкий раствор. Следовательно, уравнение фаз будет иметь вид:С=2-1+1=2

Систему бивариантная, т.е. имеет две степени свободы. Из этого следует, что можно изменять температуру и концентрацию; сплав будет находиться в однофазном состоянии жидкого раствора.

Для областей II,III,IVдиаграммы уравнение фаз будет меть вид:С=2-2+1=1.

Система моновариантная, т.е. имеет одну степень свободы. Следовательно можно изменять только один фактор – или концентрацию, или температуру.

Пользуясь правилом фаз, можно проверить правильность построения диаграммы состояния любой равновесной системы, т.е. полученной при очень медленном охлаждении. К неравновесным системам, образующимся при быстром охлаждении, правило фаз не применимо.

По диаграмме состояния можно определить не только число образующихся фаз, но и их концентрацию и количественное соотношение фаз. Например, чтобы у сплава Pb–Sbс содержанием 70%Sbпри 350˚ определить концентрацию фаз и количественное соотношение между массой жидкой фазы и всего сплава, проводим через точкуа, соответствующую сплаву с 70%Sbи температуре 350˚ горизонтальную прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Такими линиями будут правая ордината и линия ликвидуса. Обозначим точки пересечения проведенной горизонтальной прямой с указанными линиями диаграммы буквамиби в,тогда концентрация твердой фазы определится проекцией точкибна ось абсцисс, т.е. равна 100%Pb. Состав жидкой фазы определится проекцией точкивна ось абсцисс, что будет соответствовать 35%Sb. В данном примере масса жидкой фазы относится к массе всего сплава можно определить, пользуясь правилом отрезков (рычага), которое можно выразить следующим образом: количество фаз обратно пропорционально концентрационным отрезком, полученным на оси абсциссю В данном примере масса жидкой фазы так относится к массе всего сплава, как отрезокаб, прилегающий к правой ординате, ко всему отрезкубв:,

Где Q_L – масса жидкой фазы; В знаменателе масса всего сплава.

Пользуясь концентрационными отрезками, полученными на оси абсцисс, определим, что аб=100-70, абв=100-35, следовательно, т.е. масса жидкой фазы составляет 46 процентов массы всего сплава. Масса твердой фазы кристаллов сурьмы составит 54%.