1.4.5 Эвтектики (двухкомпонентные системы). Линии ликвидуса и солидуса.

Значение эвтектик в материаловедении

Диаграмма состояния эвтектического типа приведена на рис. 7. В качестве новой термодинамической переменной появился состав системы.

В′ и А′ суть температуры плавления компонентов В и А. Жидкость в точке М состава m при охлаждении не меняет состава и достигает точки М′ на кривой В′Е, ей по-прежнему соответствует состав m. Линия В′Е называется линией ликвидуса (ликвидусом), потому что выше неё существует только жидкость¹⁰, а ниже ней – смесь жидкости и кристаллической фазы. Линия ликвидуса соответствует геометрическому месту точек равновесия между жидкой фазой и кристаллами фазы В. С дальнейшим понижением температуры жидкость выбрасывает из своего состава кристаллы В и поэтому её состав обогащается компонентом А. Состав жидкости

Рис. 7. Диаграмма состояния эвтектического типа двойной системы. Пояснения см. в тексте.

смещается вправо, в направлении М′N (состав n), температура равновесия жидкость - кристалл снижается.

Состав М′′′ при температуре В′′′ не может существовать как однородная жидкость. Она сразу распадается на жидкость состава n (соответствующую точке N), выбрасывая порцию кристаллов В (на графике показано сосуществование Ж+В).

Совершенно аналогичное происходит, если мы возьмем состав жидкости, обогащенной компонентом А. Здесь линия ликвидуса, соответствующая равновесию меняющейся по составу жидкости с фазой А, соответствует линии А′Е (на графике ниже неё показано сосуществование Ж+А).

В конце концов после выделения избыточных количеств кристаллов В или А, какой бы состав двухкомпонентной жидкости мы ни взяли, состав жидкости придёт к точке Е (состав Е′′). Она называется эвтектической (или эвтектикой). В этой точке кристаллизуются обе кристаллические фазы одновременно. Ниже этой точки в системе существуют только кристаллические фазы, жидкость исчезла полностью.

При изучении кристаллизации рассматривают непосредственно получаемые в эксперименте кривые «температура-время». На них проявляется как начало выделения фазы, так и её окончание. Например, для кристаллизации состава m на рис. 8 регистрируется появление кристаллической фазы в точке М^′ (точка Т_М′ на рис. 8), затем наблюдают

Рис. 8. Изменение температуры при кристаллизации системы эвтектического типа (см. пояснения в тексте).

непрерывное уменьшение температуры при изменении состава жидкой фазы в процессе выделения кристаллической фазы В по линии М^′NE рис. 46 (на рис. 8 это линия М^′NE). Затем на кривой охлаждения рис. 8

Рис. 9. Треугольник Таммана. Показаны экспериментальные точки.

наблюдают продолжительность кристаллизации эвтектики t_EE (параллельный оси абсцисс участок ЕЕ). Естественно, что чем ближе состав исходной жидкости к составу эвтектики, тем более продолжительной является линия, соответствующая постоянству температуры кристаллизации эвтектики. При точном соответствии состава жидкости составу эвтектики будет наблюдаться только эта линия. После завершения кристаллизации эвтектики температура снижается, поскольку все фазовые переходы, связанные с кристаллизацией жидкости, завершены, теперь могут наблюдаться только превращения, связанные с фазовыми переходами в кристаллическом состоянии. Продолжительность кристаллизации эвтектики t_EE, отложенная как функция состава, образует так называемый «треугольник Таммана», вершина которого позволяет найти состав эвтектики (рис. 9).

Линия В′′А′′ называется линией солидуса (солидусом), потому что ниже неё в системе существуют только кристаллические фазы.

В областях, обозначенных «ж+В», «ж+А» и «В + А» могут сосуществовать только жидкость и соответствующие кристаллы В или А или только две кристаллические фазы.

Микроструктура эвтектических систем, наблюдаемая в микроскоп, всегда фазово неоднородна.

Студентам предоставляется возможность самим определить вариантность эвтектики. Паровая фаза не учитывается, так как на диаграмме её нет.

Эвтектические системы очень распространены среди всех видов соединений – солей, органических веществ, оксидов, и среди металлов (сплавов). В солевых системах с водой часто образуются эвтектики «со стороны воды», чем объясняется использование поваренной соли для очистки асфальта ото льда (Т_пл. эвтектики, образованной H₂O и соединением NaCl∙2H₂O составляет –20ºС). Металлические сплавы эвтектического типа обладают особым сочетанием механических свойств (это важно для производства денежных знаков или литер для типографий). Для практики стеклообразных материалов эвтектики важны своими низкими температурами начала кристаллизации. Известно, что при изменении состава вязкость меняется по плавным кривым (если температура постоянна). Появление эвтектики резко увеличивает возможность стеклования, поскольку возможность выделения кристаллов резко снижается из-за низких температур ликвидуса (низких Т_вгк) и очень больших величин вязкости, которые им соответствуют.