ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА   55

Сплав компонентов А и В данного химического состава в зависимости от температуры может быть жидким или твердым, а будучи твердым - находиться в различном фазовом состоянии. С другой стороны, фазовое состояние может изменяться при неизменной температуре в зависимости от концентрации компонентов (химического состава) в сплавах данной системы (А-В). Для описания фазовых равновесий (а, соответственно, и фазовых превращений) в сплавах различного состава при различных температурах используют диаграммы фазового равновесия, или диаграммы состояния.

Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного состава при определенной температуре. Таким образом, переменными, определяющими состояние сплава, являются температура и химический состав (давление считается неизменным, равным атмосферному).

Число переменных, которые можно независимо изменять без изменения числа фаз Ф в системе из К - компонентов, дается правилом фаз Гиббса

С = К – Ф + 1. (5.1)

В этом выражении С - число независимых переменных или число степеней свободы или вариантность системы. Если, например, С=0 - система нонвариантная, что значит, что ни температуру, ни состав нельзя изменить без того, чтобы не изменилось число фаз, находящихся в равновесий, т. е. не нарушилось бы равновесие. Такой тип равновесия имеет, в частности, место в процессе кристаллизации (или плавления) химических элементов (чистых металлов) - однокомпонентных систем. Действительно, в этом случае С=1-2+1=0, обе степени свободы - температура и состав «заморожены». Отсюда следует хорошо известный, наблюдаемый экспериментально факт, что кристаллизация (плавление) химических элементов происходит при постоянной температуре, По

НЕТ СТР. 60

стых компонентов и возможно большего числа сплавов промежуточного состава. Для определения критических точек обычно используют результаты термического анализа - экспериментального построения кривых охлаждения (нагрева).

Критические точки - это точки перегиба на кривых охлаждения (результат выделения (или поглощения) скрытой теплоты фазового превращения).

Покажем это на примере построения диаграммы для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Условия, при которых такая растворимость возможна, обсуждались в разделе 4.2.1.

На рис. 5.2 показаны кривые охлаждения чистых компонентов (А и В) и трех сплавов - твердых растворов различного состава - 25, 50 и 75 % В (содержание компонента А=100 % - % В). Вид кривых охлаждения определяется правилом фаз (см. рис. 5.1). Критические точки (обозначены цифрами) переносятся на диаграммное поле в соответствии с химическим составом сплавов и компонентов. Соединяются между собой точки, одинаковые по физическому смыслу. В данном случае - это точки начала кристаллизации, образующие линию ликвидус, выше которой все сплавы находятся а жидком состоянии (Ж), и точки конца кристаллизации, образующие линию солидус, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. В рассматриваемом случае все сплавы в твердом состоянии представляют собой твердые растворы a переменного состава. Между линиями ликвидус и солидус - двухфазная область Ж+a .

Р

 

Рис. 5.2. Термический метод построения диаграмм состояния (случай неограниченной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях)

 

 

Из этого частного примера наиболее простой диаграммы состояния двойных сплавов можно сделать общий вывод, справедливый для диаграмм состояния любого вида: линии диаграмм состояния - это линии фазовых превращений, разделяющие области существования различных фаз.

В предыдущей главе говорилось о том, что свойства фаз переменного состава (например, твердых растворов) зависят от их химического состава, а свойства двухфазных сплавов определяются в первую очередь относительными количествами этих фаз. Поэтому надо уметь определять химический состав фаз и их относительные количества.