1.3. Равновесие в двухкомпонентных системах
Инженеру, специализирующемуся в области металловедения и термической обработки металлов, необходимо ориентироваться в громадном количестве сплавов, используемых в настоящее время в технике. Он должен знать, как связаны свойства сплавов с их структурой и как методами термической обработки обеспечить необходимую структуру, а значит и свойства металлических изделий.
Первый этап на пути приобретения этих знаний – знакомство с диаграммами состояния металлических систем и методом их анализа.
Диаграммы состояния смешанных систем строят в координатах температура—состав. В ряде случаев, а именно: для металлов, ограниченно растворимых друг в друге, обладающих полиморфизмом и дающих несколько химических соединений, диаграммы состояния сложны. Однако все они (и простые, и сложные) содержат одни и те же геометрические элементы, чередующиеся в определенной последовательности. Это облегчает анализ любой диаграммы состояния.
Рассмотрим некоторые диаграммы состояния двухкомпонентных систем.
1.3.1. Система с неограниченной растворимостью в жидком и отсутствием растворимости в твердом состоянии
На рис. 1 представлена простейшая диаграмма состояния двухкомпонентной системы, в которой компоненты Аи Вв жидком состоянии растворяются друг в друге в любых отношениях, а в твердом состоянии совсем не образуют растворов.
Рис. 1. Диаграмма состояния с полной растворимостью в жидком состоянии и отсутствием растворимости в твердом состоянии
Точка tA соответствует температуре плавления чистого вещества А.Выше этой температуры существует только жидкое вещество А,а ниже – только твердое тело А. Из теории растворов известно, что температура замерзания, или, что то же самое, температура плавления вещества понижается при добавлении другого, растворяющегося в нем вещества. Поэтому температура плавления смеси А и В,содержащей, например 20 % В,будет ниже tAи составит t'A.
По мере увеличения концентрации Втемпература плавления смеси будет понижаться, например, при 40 % Вона составит t"A.Очевидно, что при температурах выше точек tA, t'A и t"Aсуществует лишь однородная жидкость – раствор вещества В в А.При указанных температурах плавления из этого раствора, который становится насыщенным относительно вещества А,начинают выделяться его кристаллы, не содержащие В(из-за полного отсутствия растворимости веществаВвАв твердом состоянии). Ниже температур t'A, t''A наряду с кристаллами Апродолжает существовать и жидкость. Однако ее состав по мере понижения температуры вследствие выделения из нее вещества А изменяется – в ней увеличивается концентрация компонентаВ. Поэтому при дальнейшем понижении температуры и росте содержания Впри некоторой температуреtE наступает насыщение раствора относительно не только вещества А,но и В. При этой температуре из жидкости начинают одновременно выделяться кристаллыАиВ(кристаллы Втакже не содержат вещества А).Из диаграммы видно, что такая одновременная кристаллизация обоих веществ происходит лишь при одной определенной температуреtEи определенном составе раствора (40 % А +60 % В). Ниже этой температуры жидкость полностью исчезает и остается только смесь кристаллов Аи В.Итак, рассмотрена часть диаграммы, относящаяся к выделению кристаллов Аиз расплава. Подобный же вид имеет и другая часть диаграммы. При температуре tBпроисходит плавление чистого веществаВ. Добавление к нему вещества Аснижает температуру его плавления. Раствор, содержащий 20 % А, плавится при температуре t'B. При температуре tEраствор, который был насыщен веществом В, насыщается и компонентомА, в результате начинается одновременная кристаллизация двух веществ.
Таким образом, диаграмму можно разделить на четыре области. Первая область лежит выше двух ветвей tAEи tBEи представляет собой жидкость, в которой оба вещества А и Врастворены друг в друге. Выше точки tA состав жидкости может изменяться от 0 до 100 % А.Применение правила фаз показывает, что эта область характеризуется двумя степенями свободы (С = К–Ф+1 = 2–1+1 = 2), т. е. здесь можно одновременно изменять и температуру, и состав раствора, при этом новые фазы не появятся. Кривые tAEи tBEназываются линиямиликвидус(ликвидус по латыни означает «жидкость»), так как они ограничивают область однородной жидкости. При достижении температур и составов, отвечающих этим линиям, начинается выделение кристаллов Аили В, т. е. линии tAEи tBEсоответствуют равновесию между двумя фазами — жидкой и твердой. При появлении второй фазы число степеней свободы становится равным единице (С = 2–2+1 = 1). Это означает невозможность одновременного изменения температуры и состава при условии сохранения равновесия между двумя фазами. В этих условиях достаточно задать один из параметров, например температуру, чтобы второй параметр (состав) получил бы вполне определенное значение. Так, температуреt"'Aсоответствует состав жидкости, равновесной с кристаллами А(50 %А), а температура t"Bхарактеризует состав жидкости, равновесной с кристаллами В.
При понижении температуры до tEслева от точки Е, кроме жидкости и кристаллов А, появляется третья фаза — кристаллы Ви число степеней свободы падает до куля (С = 2–3+1 = 0). Это означает, что три фазы могут сосуществовать лишь при единственной температуре tE, при единственном составе жидкости, отвечающем точкеЕ. Этот состав называется эвтектическим. Как видно из рис. 1, жидкость эвтектического состава отличается самой низкой температурой затвердевания по сравнению с любыми другими смесями веществАиВ. Это свойство эвтектических смесей используется для приготовления легкоплавких сплавов и припоев. Ниже температуры tE жидкость уже не может существовать и охлаждаемый сплав состоит только из двух твердых фаз А и В.Подобная картина наблюдается и справа от точки Е при температуре tE, где к двум фазам – жидкости и кристаллам Вдобавляются кристаллы А.Очевидно, и здесь жидкость имеет состав, отвечающий точкеЕ. Ниже горизонтальной линии tEEtEжидкость уже не может существовать. Эта линия называется линиейсолидус(солидус – твердое тело). К этой области правило фаз уже не применимо, так как кристаллыА и Впредставляют собой механическую смесь и равновесия между ними не существует.
Диаграммы состояния, подобные рассмотренной выше, образуют, например, серебро и свинец, окись кальция и окись магния, а также некоторые другие системы. Однако полная взаимная нерастворимость двух веществ в твердом состоянии встречается сравнительно редко. Чаще наблюдается образование более или менее ограниченных твердых растворов.