Основные типы диаграмм фазового равновесия

Рассмотрим наиболее распространенные типы диаграмм фа­зового равновесия (в дальнейшем – диаграмм состояния) би­нарных систем, построенных на основе термографического и микроскопического анализов (рис. 1).

Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов

Если компоненты А и В по строению электронных оболо­чек атомов, их радиусам и энергиям химических связей доста­точно близки между собой и их замена друг другом не связана с затруднениями структурного и энергетического характера, то обычно возникают непрерывные твердые растворы (рис.2). Над линией ликвидуса l лежит область расплава L, под линией солидуса s – область твердого раствора S, между ними – об­ласть кристаллизации. Рассмотрим особенности кристаллиза­ции систем этого типа (рис.2, а).

При составе, соответствующем фигуративной точке Ф₁, ох­лаждаем расплав до точки l'. Начинают выпадать кристаллы состава s'. При охлаждении до точки К"выпадут кристаллы s", состав расплава отвечает точке I". По мере охлаждения состав кристаллов изменяется по кривой s – s"– s"', состав расплава – по кривой l' – l" – l'". Соотношение количества выпавших крис­таллов и доли расплава равно отношению отрезков Kl: Ks коноды l s. В точке s'" расплав окончательно кристаллизуется.

В качестве примера диаграмм состояния непрерывных твер­дых растворов на рис. 2, б приведена реальная диаграмма состояния системы Ag–Au. Диаграммы состояния непрерыв­ных твердых растворов могут иметь максимум или минимум (рис. 3).

Рис. 1. Важнейшие типы диаграмм состояния в бинарных системах

(по В.А. Немилову)

Рис. 2. Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов: а – ход кристаллизации в таких системах; б – диаграмма состояния системы Ag–Au

Рис. 3. Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов с максиму­мом или минимумом. Примером первого случая является система Pb–Ti, примером второго – система Cu–Mn

 

Эвтектическая диаграмма состояния

а) Без областей твердых растворов

Эвтектическая диаграмма состояния имеет два максимума, соответствующих чистым компонентам А и В, и четкий мини­мум, соответствующий эвтектической точке Е (рис. 4). Спо­соб построения диаграммы показан на рис. 4, а и б. Кривые охлаждения составов А, В и Е имеют горизонтальные площадки, соответствующие температурам кристаллизации расплавов этих составов.

Как видно на рис. 4, б, диаграмма состояния разделена на три части:

• верхнее поле расплава L, ограниченное снизу линией ликвидуса /;

• нижнее поле твердых фаз S, ограниченное сверху линией солидуса s;

• область кристаллизации (ОК) – между линиями / и s.

Линии ликвидуса и солидуса соприкасаются в эвтектической точке Е.

Форма эвтектической диаграммы зависит от разности темпе­ратур плавления компонентов А и В. Если температуры плавле­ния близки, точка Е лежит примерно посередине диаграммы. Если температуры плавления сильно отличаются, точка Е сме­щается к точке плавления низкоплавкого компонента и в пре­деле сливается или почти сливается с ней (рис. 4, в).

На рис. 4, г представлена диаграмма состояния с ретро­градной растворимостью. В этом случае растворимость компо­нента В с повышением температуры от точки t_E сперва падает до точки l_а, затем снова растет. При нагревании от t_E до l кристал­лы компонента В выпадают, а при дальнейшем нагревании снова растворяются.

Микроструктура шлифов для составов, отвечающих фигура­тивным точкам на рис. 4, а и б, представлена на рис. 4, д.

На рис. 5, б приведена диаграмма состояния системы Ag–Cu. При кристаллизации составов, лежащих влево от эвтекти­ческой точки, выпадает твердый раствор меди в серебре (фаза α); при кристаллизации составов, лежащих вправо от эвтектической точки, – твердый раствор серебра в меди (фаза (3). При темпе­ратуре t_E= 779°С состав этих твердых растворов равен, соответ­ственно, 8,8 и 8,0 вес.% растворенного компонента.

Диаграмма состояния с химическим соединением

Диаграммы состояния такого типа состоят как бы из двух более простых диаграмм, причем максимум на линии ликвидуса явля­ется точкой, разделяющей диаграмму.

а) Без областей твердых растворов

Если в системе А – В образуется химическое соединение, на­пример АВ (или А_тВ_п), то на диаграмме состояния возникает сингулярная точка D (от лат. singularis – отдельный, особый), разделяющая диаграмму на две эвтектические диаграммы с эв­тектическими точками E₁ и Е₂ (рис. 6, а). Заслуживает вни­мания острота пика максимума. Если пик острый, плавление яв­ляется конгруэнтным, т.е. без разложения. Если пик пологий – плавление инконгруэнтное, т.е. с разложением. На рис. 6, б при­веден пример диаграммы состояния с химическим соединением Mg₂Sn. Наличие сингулярной точки подтверждается не только максимумом на кривой плавления, но и минимумом на кривой электропроводности.

Рис. 4. Эвтектическая диаграмма состояния: а – кривые охлаждения, от­вечающие разным сингулярным точкам; б, в, г – вид диаграмм состояния; д – микроструктуры сплавов, составы которых указаны соответствующими буквами на рис. 4, б

 

 

Рис. 5. Эвтектическая диаграмма состояния с областями твердых раство­ров: а – общий вид диаграммы; б – диаграмма состояния системы Ag–Сu

Рис. 6. Диаграмма состояния с химическим соединением без областей твердых растров: а – общий вид диаграммы с сингулярной точкой; б – диаг­рамма состояния системы Mg–Sn

Пологий пик имеется на кривой не только ликвидуса, но и солидуса, т.е. фаза диссоциирует и в жидком, и в твердом состоянии

б) С областями твердых растворов

Если химическое соединение, на котором основана фаза пе­ременного состава, лежит в пределах ее области гомогенности, то эта фаза называется дальтонидом (рис. 7, а), а если за пре­делами области гомогенности, то бертоллидом (рис. 7, б).

Рис. 7. Диаграммы состояния с химическими соединениями и областями твердых растворов: а – с дальтонидной фазой; б – с бертоллидной фазой.