5. Понятие о диаграмме состояния

Простая система может находиться в различных агрегатных состояниях (газовом, жидком, твердом). Кроме того, в твердом состоянии вещество может находиться в нескольких структурных состояниях. Например, в ОЦК или ГЦК структуре. В пространстве параметров аргументов определенному структурному состоянию твердого вещества или определенному агрегатному состоянии (газу, жидкости) соответствует некоторое множество точек, которое образует некоторую область (некоторый геометрический объект), границы которой являются фигуративными точками перехода к иному структурному или агрегатному состоянию.

Таким образом, _u(u,T,P)=0, пространство параметров аргументов функции состояния разбивается некоторыми линиями, точками, поверхностями на области - геометрические фигуры. Каждой из таких фигур сопоставляется вполне конкретное фазовое состояние системы. Пространство аргументов функции состояния оказывается, таким образом, структурировано. Выявить эту внутреннюю структуру пространства аргументов функции состояния для заданной системы это и означает рассчитать или построить диаграмму состояния.Совокупность геометрических объектов (точек, линий, поверхностей, гиперповерхностей) в пространстве аргументов функции состояния, пересечение которых движущейся фигуративной точкой соответствует изменению фазового состояния системы, образует диаграмму состояния.

Сформулируем принцип соответствия[8].

Каждому равновесному комплексу фаз в данной системе соответствует на диаграмме состояния определенный геометрический образ. Для пояснения этой формулировки рассмотрим диаграмму состояния простой двухкомпонентной системы. Термодинамическими, независимыми параметрами двухкомпонентной системы для изобарного сеченияP=const являются температураTи концентрацияс_BкомпонентаB.На рис. 1 приведена диаграмма с одной эвтектикой и компонентами, совершенно нерастворимыми друг в друге в твердом состоянии.

Выше кривойdlt лежит область жидкой фазы. Вертикальный луч выше точкиd – расплавленный компонентA; такой же луч выше точкиt – расплавленный компонентB. Часть верхней полуплоскости, ограниченная линиейdlt и рассмотренными вертикальными лучами - область расплавленного раствора компонентовA иB(областьI).Вертикальному отрезку ниже точкиdсоответствует кристаллический компонентA. Вертикальному отрезку ниже точкиt- кристаллический компонентB. Множеству точек плоскости, ограниченных отрезками (область II,исключая сами отрезки), соответствует комплекс фаз (кристаллический компонентA,находящийся в равновесии с насыщенным компонентомA жидким раствором компонентовA и B). Множеству точек плоскости, ограниченных отрезками(область III, исключая сами отрезки), соответствует комплекс фаз (кристаллический компонентB,находящийся в равновесии с насыщенным компонентомB жидким раствором компонентовA и B). Отрезку линиисоответствует расплав, насыщенный компонентомA. Отрезку линии- расплав, насыщенный компонентомB.Эвтектическому комплексу, состоящему из трех фаз, соответствует точкаl– расплав, насыщенный компонентамиA и B, + кристаллы чистого компонентаA + кристаллы чистого компонентаB. Точкеtсоответствует двухфазный комплекс жидкого и твердого компонентаB. Точкеdсоответствует двухфазный комплекс жидкого и твердого компонентаA. Интервал (bl) соответствует двухфазному комплексу, состоящему из расплава эвтектического состава и кристаллического компонентаA.(Напомним, что интервал не включает в себя граничных точек). Интервал (bm) – двухфазному комплексу, состоящему из расплава эвтектического состава и кристаллического компонентаB.

Диаграммы состояния, имеющие одинаковый набор геометрических образов и одинаковый характер их сопряжения, но различающихся размерами и формами, относят к диаграммам одинакового типа. Тип диаграммы определяется термодинамическими параметрами, характеризующими компоненты системы и их взаимодействия между собой.

Изменение типа диаграммы состояния происходит при появлении на диаграмме состояния новых элементов или исчезновении старых.

Для чистых веществ термодинамическими параметрами, определяющими структуру пространства аргументов T,P, являются,параметры стабильности, к которым относятся энтальпия и энтропия структурных фазовых переходов в твердом состоянии, температуры аллотропных превращений, энтальпия, энтропия плавления и температура плавления.

Для многокомпонентных систем к параметрам стабильности необходимо добавить параметры смешения (энергию смешения однородного раствора в жидком и твердом состоянии и энергии упорядочения сверхструктур.

Точно так же, как вводится пространство параметров аргументов функции состояния, можно ввести пространство параметров стабильности и смешения (пространство параметров “стабильности-смешения”). Фигуративной точке этого пространства соответствует определенный тип диаграммы состояния. Движение фигуративной точки в пространстве параметров “стабильности-смешения” может изменить тип диаграммы состояния. Например, диаграмма неограниченной растворимости преобразуется в диаграмму с куполом распада, а затем в эвтектическую диаграмму. Изучая структуру пространства параметров стабильности-смешения, можно исследовать возможные типы диаграмм состояния. Все пространство “стабильности-смешения” разобьется на геометрические образы, каждому из которых будет соответствовать свой тип диаграммы состояния. В результате получится диаграмма типов диаграмм состояния.