2.2 Діаграми фазових рівноваг в системах з обмеженою розчинністю компонентів у твердих фазах

Обмежена розчинність компонентів у твердих фазах суттєво ускладнює вигляд діаграми стану. У найпростішому випадку це обумовлено існуванням як мінімум трьох фаз: рідкої і двох твердих розчинів – на базі компонентів А і Б. Природно, що рівновага цих трьох фаз у двокомпонентній системі має нонваріантний характер і в залежності від особливостей електронної структури атомів компонентів і співвідношення величин енергії парних взаємодій атомів () може приводити до реалізації нонваріантних – евтектичного або перитектичного, або екстектичного типів рівноваг.

Розглянемо більш докладно особливості відповідних діаграм стану.

2.2.1 Діаграма стану з евтектичною рівновагою фаз

Розглянемо взаємне розташування кривих ізобарно-ізотермічного потенціалу для фаз системи при температурі Т₁<T_E (рис. 6, б).

Загальні дотичні до кривих для a, b і рідкої фази проходять через точки 1^I і 1^II (рівновага Рa) і через точки 1^III і 1^IV (рівновага Рb). При проектуванні вказаних точок на відповідні гілки кривих ліквідус і солідус отримуємо концентрації фаз, що знаходяться у рівновазі при T=T₁.

Рисунок 6 – Зв’язок кривих концентраційної залежності ізобарно-ізотермічного потенціалу з діаграмою стану з трифазною рівновагою евтектичного типу

При T=T_E загальна дотична 2_I-E-2_II до усіх трьох кривих ізобарно-ізотермічного потенціалу показує, що усі три фази знаходяться у рівновазі. Точки дотику вказують на рівноважні концентрації кожної фази: - дляa-фази; - дляb-фази і - для рідкої фази.

При T=T₃<T_E крива ізобарно-ізотермічного потенціалу для рідкої фази знаходиться вище, ніж аналогічні криві для твердих a- і b-фаз, що свідчить про нестійкість рідкої фази при низьких температурах.

Загальна дотична 3'-З" до кривих для a- и b-фаз вказує, що обидві фази знаходяться в рівновазі, причому a-фаза має склад , ab-фаза - . Корисно зауважити, що будь-яка зміна складівa- і b-фаз автоматично виводе систему зі стану рівноваги, оскільки провести загальну дотичну до кривих ізобарно-ізотермічного потенціалу для a- і b-фаз інакше, ніж через точки 3' і 3", не можна. Іншими словами, для виконання умов фазової рівноваги (15):

при T=T₃ (див. рис.  6) склади a- і b-фаз повинні відповідати точкам 3^I і 3^II.

Як виходить з ходу кривих сольвус - ліній межової розчинності компонентів у a- і b-фазах зміна температури може суттєво вплинути на рівноважну концентрація фаз – рис. 7, б. Максимальна концентрація твердих розчинів, як правило, відповідає евтектичній температурі. У випадку розчинності компонентів у твердих розчинах, якою можна знехтувати, діаграма стану набуває вигляду, що показаний на рис. 7, а. у цьому випадку кажуть, що евтектика (А+Б) утворена майже чистими компонентами.

а - при відсутності розчинності компонентів у твердих фазах (гіпотетична); б – з обмеженою розчинністю компонентів у твердих фазах

Рисунок 7 – Діаграми стану з евтектичною рівновагою фаз

У деяких випадках, що залучають металічний компонент і компонент з типово ковалентним міжатомним зв’язком, наприклад, Al-Si, максимальна розчинність атомів металу у неметалевому компоненті виявляється при більш високій температурі (c₁), ніж евтектична (c₂) - рис. 8. У цьому випадку кажуть, що має місце ретроградна розчинність і, відповідно, ретроградний b-солідус.

Рисунок 8 – Ретроградний b–солідус в системі Al-Si

Концентрації фаз, що знаходяться у рівновазі і їх питома кількість (об’єм і маса) визначають у відповідності з методикою, що розглянута раніше, для випадку діаграми стану з необмеженою взаємною розчинністю.

Конкретизуємо це для діаграми стану з евтектичною рівновагою, що розглядається (рис. 9).

Для сплаву складу I рівноважний стан при T=T₁ характеризується двома фазами: рідкою фазою складу 1^I (скорочений запис: ) іb-фазою складу 1^II (). Співвідношення мас фаз:

; .

Рисунок 9 – До визначення рівноважних концентрацій фаз і співвідношення структурних складових

При евтектичній температурі (T=T₂=T_E) у трифазній нон варіантній рівновазі приймають участь . Співвідношення мас фаз в евтектиці:

;

Співвідношення первинних кристалів b-фази і евтектичної складової:

.

Іноді кажуть про ступінь евтектичності злитка. При цьому мають на увазі долю евтектичної складової в об’ємі злитка. Для сплаву I ступінь евтектичності (e) виражається пропорцією .

З викладеного виходить, що ступінь евтектичності наближається до одиниці при наближенні складу I до .