1. Чистые компоненты, образующие систему.

Им на диаграмме состояния отвечают граничные ординаты.

Если в твердом состоянии компонент имеет одну кристаллическую модификацию, то на граничной вертикали есть лишь одна критическая точка – его температура кристаллизации (плавления). Например, для вещества В (рис. 2) точка В₁соответствует его температуре плавления (кристаллизации). При температурах выше точки В₁компонент В устойчив в жидкой фазе, а при температурах ниже точки В₁– в твердой фазе.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы с несколькими твердыми фазами переменного состава

Если же компонент системы обладает полиморфизмом, то на соответствующей ему граничной вертикали отмечается несколько критических точек – температур фазовых переходов. В этом случае компонент дает несколько твердых фаз (их число совпадает с числом кристаллических модификаций). Например, для вещества А (см. рис. 2) две критические точки: точка «С» отвечает температуре фразового перехода Аα=Аβ из одной кристаллической модификации (α) в другую (β) и точка А₁соответствует температуре плавления вещества А. При температурах ниже Т_с– компонент устойчив в α модификации, в интервале температур от Т_сдо– в β модификации, а при Т >– в жидкой фазе.

2. Химические соединения или фазы постоянного состава.

Их в системе может быть несколько. На диаграмме состояния им удовлетворяют вертикальные линии. Например, линии ММ₁ на рис. 1, в и 2.

3. Твердые растворы (фазы переменного состава).

Твердым растворам, как и жидким, на диаграмме состояния удовлетворяют поля, они примыкают к граничным ординатам или вертикалям, отвечающим химическим соединениям.

Например, в системе А—В (см. рис. 1, а) компоненты неограниченно растворимы в твердой фазе, поэтому образуется ненасыщенный твердый раствор, поле существования которого располагается в нижней части диаграммы.

В системе, изображенной на рис. 2, таких твердых фаз четыре α, β, γ, δ. ПоляI,II,III, где устойчивы твердые растворы α, β, γ, δ, соответственно примыкают к граничным ординатам, а поле устойчивости δ – раствора (IV) – к вертикали химического соединения М.

В случае ограниченной растворимости фаз в твердом растворе сохраняется кристаллическая структура растворителя. Из диаграммы состояния (см. рис. 2) можно заключить, какой компонент в каждом из твердых растворов выполняет роль растворителя, а какой – роль растворенного вещества:

Твердый раствор	Растворитель	Растворенное вещество
α		B
β		B
γ	B	A
δ	M	B

3. Применение правила фаз и принцип соответствия

Согласно принципу соответствия, вытекающему из правила фаз, каждой совокупности равновесно сосуществующих фаз на диаграмме состояния отвечает свой геометрический образ. Поэтому все диаграммы состояния любой сложности содержат одни и те же геометрические элементы.

Правило фаз Гиббса С = к + n– ф для металлических систем из двух компонентов (к=2) приn=1 (из внешних параметров, влияющих на положение равновесия, учитывается только температура) приобретает вид С = 3 – Ф, где С – число термодинамических степеней свободы (вариантность системы); Ф – число конденсированных фаз, находящихся в равновесии.

Рассмотрим возможные случаи.

1. Системе одна фаза – ненасыщенный раствор (жидкий или твердый). Тогда Ф=1 и С=2. Система имеет две степени свободы. Это означает, что независимо друг от друга можно изменять, в известных пределах, значения двух параметров (температуру и состав), и при этом будет существовать одна фаза. Такому условию на диаграмме состояния удовлетворяет поле гомогенности. Поля существования жидких фаз (расплавов) располагаются в верхней части диаграммы и снизу ограничиваются наклонными линиями – линиями насыщения (поля IиIIна рис. 1, б;I—IIIна рис. 1, в; полеVна рис. 2).

Поля устойчивости твердых ненасыщенных растворов примыкают к вертикалям, отвечающим чистым компонентам или химическим соединениям при температурах ниже температур конца кристаллизации. Эти поля сверху (а некоторые снизу) ограничиваются наклонными линиями (поля I—IVна рис. 2).

2. Равновесие двух фаз (две несмешивающиеся жидкости; два твердых раствора или твердый раствор и жидкая фаза). В этом случае Ф=2 и С=1. Система одновариантная. Это значит, что параметры – температура и состав каждой из равновесно сосуществующих фаз – взаимосвязаны одним уравнением. На диаграмме состояния этими уравнениями описываются наклонные линии или линии насыщения одних фаз другими. До этих линий и простираются поля гомогенности. Между линиями насыщения располагается поле гетерогенности – поле устойчивости двух равновесных фаз, в пределах которого число степеней свободы С=1.

Из правила фаз следует, что в смежных полях диаграммы число фаз, а значит и степеней свободы, отличается на единицу. Это следствие облегчает анализ фазовых диаграмм, особенно сложных.

После того, как определены поля гомогенности в любой системе, нетрудно установить, какие фазы существуют в равновесии в любом поле гетерогенности. Ими будут фазы, чьи поля или линии постоянного состава (вертикали) располагаются по обе стороны от рассматриваемого поля гетерогенности. В качестве примера в системе (см. рис. 2) расписаны все поля гомогенности (I—V) и гетерогенности (VI—XIII).

3. Равновесие трех фаз (двух жидких и одной твердой; двух твердых и одной жидкой, либо трех твердых). При этом Ф=3 и С=0. Система безвариантна, т. е. совместное равновесие трех фаз возможно лишь при постоянной температуре и неизменных составах фаз (ни один из параметров произвольно меняться не может). На диаграмме состояния этому удовлетворяет участок горизонтальной линии с тремя точками, указывающими составы равновесных фаз (горизонтальные линии на рис. 1, б, в и на рис. 2).

Например, при температуре точки «Е» (см. рис. 2) горизонталь ДЕFотвечает равновесию трех фаз, составы которых указывают точки «Д», «Е» и «F». В 1-й фазе %В=«Д» – это насыщенный β – твердый раствор, так как точка «Д» принадлежит полюII. Во 2-й фазе %В=«F» – это кристаллы химического соединения, так как точка «F» находится на вертикали ММ₁при температуре Т_Fниже температуры кристаллизации. В третьей фазе %В=«E»–это расплав (жидкая фаза).

Из правила фаз вытекает, что в двухкомпонентной системе одновременно в равновесии не может находиться более трех фаз (число степеней свободы не может быть отрицательным).

Таким образом, двухкомпонентные диаграммы состояния любой сложности – это совокупность полей гомогенности и гетерогенности, разделенных различными линиями:

— наклонными(линии насыщения одних фаз другими);

— вертикальными(линии постоянного состава, отвечающие химическим соединениям);

— горизонтальными(линии равновесного сосуществования трех конденсированных фаз).

Переходя от одного поля к другому, при движении слева на-право, наблюдаем смену полей гомогенности и гетерогенности (см. рис. 2, поля II,VI,V,VII,IV,XI,V,XII,III). При движении сверху вниз в отсутствии горизонтальных линий на диаграмме поля гомогенности и гетерогенности также чередуются (см. рис. 2, поляV,VI,II,IX,I). Если же при таком движении встречаются горизонтальные линии, то выше и ниже них размещаются поля гетерогенности (см. рис. 2, линия ДЕFи поляVI,VII,VIII; линия Д'Е'F' и поляXI,XII,XIII; линия Д₁E₁F₁и поляVIII,IX,X).