3.4. Диаграммы состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)

Химическое соединение, как было указано выше, характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей по оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Если компоненты А и В образуют химическое соединение А_nВ_m, то, следовательно, на п + т его атомов приходится п атомов компонента А и т атомов компонента В. Определенному атомному соотношению соответствует и определенное соотношение по массе.

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до расплавления, и неустойчиво, если при нагреве оно разлагается. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм. Кроме того, возможно образование нескольких химических соединений между двумя компонентами, а также растворимость на базе химического соединения – эти обстоятельства также находят отражение на диаграмме состояния.

Диаграмма с устойчивым химическим соединением. Предположим, что оба компонента образуют одно устойчивое соединение А_nВ_m, причем и это соединение, и чистые компоненты не образуют в твердом состоянии растворов.

Компонентами системы являются вещества А и В, а твердыми фазами – А, А_nВ_m и В. Из четырех возможных в этой системе фаз могут существовать три: L, А, А_пВ_т. или L, В, А_пВ_т.

Это химическое соединение устойчиво, поэтому оно может быть нагрето без разложения до своей температуры плавления (точка С). Химическое соединение плавится при постоянной температуре. Плавление химического соединения при постоянной температуре вполне соответствует правилу фаз. Химическое соединение можно рассматривать как однокомпонентную систему (один компонент – химическое соединение), тогда при плавлении с = k – f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0.

На рис. 6.25 показана диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением А_nВ_m.

Рис. 6.25 Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением

Точка С соответствует температуре плавления этого химического соединения. На диаграмме имеются две эвтектические точки Е₁ и Е₂. Эвтектика Е₁ представляет собой смесь кристаллов компонента А и химического соединения, а эвтектика Е₂ ‑ кристаллов В и химического соединения. Соответствующими реакциями образования эвтектических смесей являются:

l_e1 > А+ А_пВ_т, l_e2 > В + А_пВ_т.

На линиях Е₁С и СЕ₂ выделяются первичные кристаллы химического соединения. Следовательно, заэвтектические сплавы в отношении эвтектики Е₁ и доэвтектические сплавы в отношении эвтектики Е₂ в твердом состоянии состоят из первичных кристаллов А_nВ_m и эвтектики Е₁ и Е₂.

Кристаллизация сплавов по этой диаграмме осуществляется аналогично кристаллизации сплавов, образующих механическую смесь кристаллов чистых компонентов. Отличие состоит только в том, что, кроме выделения кристаллов чистых компонентов А и В, происходит еще образование кристаллов химического соединения.

Таким образом, диаграмма с химическим соединением представляет собой как бы представленные одна к другой две простые диаграммы. Можно разделить такую диаграмму на две части по вертикали, соответствующей химическому соединению, и изучать каждую часть диаграммы отдельно.

Если компоненты А и В образуют между собой два или больше химических соединений, то такая диаграмма представляет собой диаграмму, составленную из трех, четырех и т.д. простых диаграмм сплавов механических смесей (рис. 6.26).

Если же компоненты в твердом состоянии образуют ограниченные растворы на базе химического соединения, то на диаграмме состояния это отмечается областями существования соответствующих твердых растворов.

На рис. 6.27 изображена такая диаграмма, где α– и β–твердые растворы на базе чистых компонентов, а γ–твердый раствор на базе химического соединения А_nВ_m. Нетрудно заметить, что если диаграмма на рис. 6.25 представляет собой сдвоенную диаграмму сплавов – смесей из чистых компонентов, то диаграмма, приведенная на рис. 6.27, представляет сдвоенную диаграмму сплавов – смесей из твердых растворов.

Рис. 6.26 Диаграмма состояния с двумя устойчивыми

химическими соединениями

Рис. 6.27 Диаграмма с ограниченными твердыми растворами

на базе химического соединения

Диаграмма состояния с неустойчивым химическим соединением. В отличие от диаграммы с устойчивым химическим соединением на рис. 6.28 приведена диаграмма состояний, где два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры (t₁) разлагается на жидкость и один из компонентов, т. е. не расплавляется полностью.

Рис. 6.28 Диаграмма состояния с неустойчивым химическим соединением

На линии DCF находятся в равновесии три фазы: жидкость концентрации D, кристаллы компонента В и кристаллы химического соединения А_пВ_т.

При нагреве неустойчивое химическое соединение А_пВ_т распадается на жидкость концентрации D н кристаллы В. При охлаждении, следовательно, произойдет обратная реакция:

Реакция эта подобна перитектической: жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор, как в случае перитектической реакции, а химическое соединение.

Процесс кристаллизации сплава I в равновесных условиях будет протекать следующим образом. В точке 1 начинается кристаллизация, выпадают кристаллы В, и концентрация жидкости изменяется по кривой 1 – D. В точке 2 при постоянной температуре образуется неустойчивое химическое соединение по уравнению, приведенному выше. По окончании реакции в избытке остается жидкость, которая кристаллизуется с выделением соединения А_пВ_т до тех пор, пока концентрация жидкости не достигнет точки Е. Тогда оставшаяся жидкость кристаллизуется в эвтектику, состоящую из кристаллов А и химического соединения. Следовательно, на кривой будем иметь две площадки: верхнюю, соответствующую образованию неустойчи­вого химического соединения, и нижнюю, соответствующую образо­ванию эвтектики А + А_пВ_т.