3. Правило фаз (закон Гиббса) и правило определения состава и количества фаз (правило отрезков).

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним многие закономерности строения описываются с помощью диаграммы состояния (ДГ) – графическое изображение состояния сплавов (фазовый состав и структура, в зависимости от элементов и температуры).

ДГ определяют устойчивые равновесные состояния сплавов, обладающие при данных условиях миниальной свободной энергией. Строят их экспериментальными методами, одним из которых является термический анализ, с помощью которого получают кривые охлаждения (кристаллизации) и точки перегиба кривых называют критическими точками. Они соответветвтсвуют температурам, при которых в сплавах начивают/заканчиваются какие-либо фазовые превращения.

Для построения диаграмм состояния и снятия кривых охлаждения берут большое количество сплавов с разной концентрацией компонентов.

Зависимость существования устойчивых фаз, отвечающая условиям равновесия, описывается условием Гиббса:

, где с – число степеней свободы,

к – число компонент, ф – число фаз.

2 – число внешних факторов (Т, Р)

П од числом «с» (вариантностью системы), понимается возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Применяя правило фаз Гиббса к металлам, можно во множестве случаев принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, так как давление мало влияет на фазовые превращения.

Если максимальное число фаз: с = 0 (при Т = константа).

Диаграмма состояния сплавов, имеющих неограниченную растворимость в жидком, твёрдом состоянии. Правило отрезков.

Верхняя линяя на диаграмме 1-3-5-6 – линия начала кристаллизации – Ликвидус. Линия 1-2-4-6 – линия окончания кристаллизации – линия Солидус. Выше линии Ликвидус существует только жидкая фаза L. Между линиями ликвидус и солиус идёт процесс кристаллизации и в равновесии находятся 2 фазы, т.е.число степеней свободы с=2+1-2=1. Ниже линии солидус – все сплавы однофазны и состоят из α-твёрдого раствора. Такую диаграмму состояния имеют следующие сплавы: Cu-Ni, Cu-Pt, Au-Ag, Fe-Va, Fe-Ni, Mo-W.

Р ассмотрим более подробно процесс кристаллизации сплава 50% А 50% В. Кристаллизация начинается при температуре T₁, когда из жидкого раствора выделяются первые кристаллы α-твёрдого раствора. Ниже температуры T₁ сплав 2х фазный (L+α). В процессе кристаллизации твёрдых растворов состав твёрдой и жидкой фазы меняется. Каждой температуре соответствует определённое количество и концентрация фаз. В реальных условиях или при быстром охлаждении не успевает произойти выравнивание концентрации в твёрдом растворе. Даже в пределах 1-го кристалла будет наблюдаться неоднородный химический состав. Первые кристаллы α-твёрдого раствора обогащены компонентом В, а далее всё время меняется соотношение А и В. И последние кристаллы будут содержать больше компонента А.

И так, для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, пользуются правилом отрезков (рычага).

Правило отрезков позволяет определить: Состав фаз или концентрацию компонентов в соответствующих фазах. Для этого точки пересечения коноды с линиями диаграммы переносятся на ось концентрации, т.е. конода параллельна линии концентрации. Конода – линия, соединяющая состав фаз, находящихся в равновесии. a' – состав жидкой фазы, b’ – состав α-твёрдого раствора. Количество фаз: . Если точка, показывающая состав при данной температуре, т.е. линия ниже линии ликвидуса и выше линии солидуса, а её состав соответствует исходному составу.