9.7. Двухкомпонентные системы с ограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии

Во многих случаях компоненты с неограниченной взаимной растворимостью в жидком состоянии ограниченно растворяются друг в друге в твердом состоянии. В системах подобного рода возможны два типа соотношений между составами жидкого и выделяющегося из него твердого раствора. В первом случае из жидкой фазы, богатой компонентом A, выделяются кристаллы твердого раствора, еще более богатые компонентом A, а из жидкой фазы, богатой компонентом B, выделяются кристаллы, еще более богатые этим компонентом. Во втором случае из жидких фаз любого состава выделяются кристаллы твердого раствора, всегда обогащенные одним и тем же компонентом A или B по сравнению с составом расплава.

Примером систем первого типа является сплав свинец – олово. Схема диаграммы состояния подобных систем показана на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Диаграмма плавкости двухкомпонентной системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии (первый тип)

На диаграмме область выше кривых T_AkdhoT_В соответствует жидкому раствору; области левее кривых T_Alhamn и правее T_Bbs – твердым растворам В в А и А в В соответственно (-раствор и -раствор). Во всех остальных областях диаграммы системы являются двухфазными. В области T_АkdhoaT_А система распадается на жидкий и твердый -растворы, в области T_BobT_B – на жидкий и твердый - растворы. В области nmabs система состоит из двух твердых растворов  и .

Рассмотрим превращения, происходящие при охлаждении двух расплавов разного состава.

По мере охлаждения жидкого раствора, исходное состояние которого характеризуется фигуративной точкой t, температура понижается и фигуративная точка опускается. Точка k отвечает предельному охлаждению, при котором система еще однофазна. При дальнейшем охлаждении выделяется твердый раствор , состав которого меняется по линии солидуса T_Aa, а состав равновесного с ним жидкого раствора меняется по линии ликвидуса T_Аkdho. Таким образом, например, фигуративной точке всей системы e, образовавшейся в результате охлаждения расплава с, отвечают фигуративные точки h и h равновесных жидкого и твердого растворов. В момент достижения температуры, которой отвечает точка f, система состоит из жидкого раствора о и твердого раствора а.

Как видно из диаграммы, жидкий раствор о может находиться в равновесии одновременно с двумя твердыми растворами а и b, т.е. раствор о является жидкой эвтектической смесью. При дальнейшем отнятии тепла из жидкой эвтектики выделяются два твердых раствора а и b. В процессе кристаллизации эвтектики система состоит из трех фаз: расплава, кристаллов а и кристаллов b; система условно инвариантна (s = 0). После окончания кристаллизации остаются две кристаллические фазы, каждая из которых является твердым раствором. При дальнейшем охлаждении смеси твердых растворов состав этих растворов изменяется. Так, например, точке g отвечает смесь твердых растворов  та  состава m и q.

При охлаждении раствора, исходному состоянию которого отвечает фигуративная точка t, система остается однофазной до температуры, соответствующей точке k. При дальнейшем охлаждении образуются две фазы – жидкий и твердый растворы – подобно предыдущему случаю. При температуре, соответствующей фигуративной точке l, весь расплав затвердевает, и система вновь становится однофазной – теперь это твердый раствор того же состава, что и исходный расплав. При охлаждении состав твердого раствора не изменяется вплоть до достижения температуры его предельного охлаждения – точки r. При более низких температурах происходит разрыв сплошности твердой фазы, и равновесная система вновь оказывается двухфазной, представляя собою тонкую смесь кристаллов твердых растворов двух типов –  и .

Рис. 9.9. Диаграмма плавкости двухкомпонентной системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии (второй тип)

Диаграмма второго типа изображена на рис. 9.9. Примером подобной системы является сплав платина – серебро.

Так же как и в предыдущем случае, система однофазна, когда ее фигуративные точки находятся в областях I (жидкий раствор), II (твердый раствор ) и III ( твердый раствор ), на линиях ликвидуса T_Acb и bT_B, на линиях солидуса T_Aa и oT_B, а также на границах разрыва сплошности am и on. Фигуративные точки системы, лежащие в других областях диаграммы, отвечают двум равновесным фазам. Три равновесные фазы могут сосуществовать, когда фигуративная точка системы лежит на ноде aob.

Система, отвечающая фигуративной точке k, охлажденная до температуры, соответствующей точке d, состоит из двух фаз – твердого раствора  (точка a) и расплава (точка b). При дальнейшем охлаждении начинается кристаллизация твердого раствора o, более бедного компонентом A, чем исходный расплав. Так как состав твердого раствора o лежит между составами твердого раствора a и жидкого раствора b, то на его образование расходуются обе эти фазы. В процессе кристаллизации твердого раствора o система состоит из трех фаз: a, o и b. По окончании кристаллизации система вновь становится двухфазной – в равновесии находятся два твердых раствора – остаток неиспользованной фазы a и фаза o.

Если охлаждать систему, отвечающую фигуративной точке g, то при достижении температуры точки f опять получаются жидкая фаза b и твердая фаза a. При дальнейшем отнятии теплоты снова начинается выделение третьей фазы – твердого -раствора o за счет фаз a и b. Но в этом случае система в целом богаче вторым компонентом B, чем фаза o, поэтому ранее выделившийся твердый раствор a израсходуется полностью, а часть жидкого раствора b останется неиспользованной. Таким образом, система состава b является перитектической смесью.

После исчезновения фазы a система вновь становится двухфазной. Теперь отдача теплоты вновь сопровождается понижением температуры, причем состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса bT_B, а состав твердой фазы – по линии солидуса ohT_B. При температурах ниже точки h система становится однофазной – это твердый раствор .