Лабораторная работа № 14 Графический анализ термодинамики диаграммы состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы

Цель работы: ознакомление с основами графического метода термодинамики сплавов с полной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы:

Краткие теоретические сведения

Как известно, условием равновесия является минимум термодинамического потенциала. Самопроизвольно в системе могут идти только такие процессы, при которых термодинамический потенциал Z уменьшается. При этом равновесие не будет нарушено:

Z = U – TS + PV,

где U – внутренняя энергия;

S – энтропия;

V – объем;

T – абсолютная температура;

P – давление.

Если система состоит из двух фаз, то при постоянных T и P, ее термодинамический потенциал складывается из термодинамических потенциалов этих фаз, то есть он обладает свойством аддитивности. Это следует из аддитивности U, S и V. Свойство аддитивности термодинамического потенциала относится и к многофазным системам при любом числе компонентов.

На рис. 1, а показана изотерма Z для двухфазной смеси + при постоянной температуре. Гетерогенный сплав D, находящийся в двухфазной области +, имеет потенциал Z_D. Соответствующая точка лежит на прямой линии между Z_ и Z_.

Z

C

Z

а б

Рис. 1. Зависимость термодинамического потенциала

от состава сплава

В области твердого или жидкого раствора кривая зависимости термодинамического потенциала от состава сплава Z(c) обращена выпуклостью к оси абсцисс (рис. 34, б). Докажем это. Раствор произвольного состава ₃ имеет потенциал Z₃. Если бы он распался на две фазы ₁ и ₂, то по правилу аддитивности его потенциал равнялся бы Z, но Z > Z₃. Следовательно, условием равновесия однофазных сплавов действительно является зависимость Z(c), описываемая кривой, обращенной своей выпуклостью на любом ее участке к оси абсцисс.

Равновесие двух растворов при постоянных давлении и температуре описывается общей касательной к кривым Z(c) каждой фазы (рис. 2, а). Из рис. 2, а видно, что минимальное значение Z в области составов от ₁ до ₁ получается для двухфазной смеси ₁ + ₁, где ₁ и ₁ – предельные растворы при данных температуре и давлении. Слева и справа на диаграмме расположены гомогенные области растворов ₁ и  , в средней ее части смесь растворов предельной концентрации ₁ и ₁.

Минимум Z описывается ломанной Z^_А – Z^_1 –– Z^_1 – Z^_В. Z^_А обозначает термодинамический потенциал фазы , состоящей из 100 % А (чистый металл), Z^_1 – то же, для раствора предельной концентрации ₁ (фаза ) и т. п.

Z

Z

С

а б

Рис. 2. Зависимость термодинамического потенциала от состава сплавов, образующих ограниченные растворы: а – растворыии гетерогенные смеси₁+₁;б-растворыи гетерогенные смеси+

Растворы  и  могут быть твердыми или жидкими, или один из них твердым, а другой жидким.

Если оба они твердые, то рис. 2, а относится к равновесию аллотропических модификаций. Если  – твердый раствор, а  – жидкий (или наоборот), то рис. 2, а характеризует равновесие жидкого и твердого растворов при заданных Т и Р.

Проведя касательную, можно найти минимальные значения Z для равновесия твердого или жидкого раствора с металлом компонентом (однокомпонентной твердой фазой), выпавшим из этого раствора. Из рис. 2, б видно, что при заданных температуре и давлении минимальное значение термодинамического потенциала описывается ломанной Z^α_А – Z^α_α1 – Z^S_В. Здесь  – твердый или жидкий раствор, а В – чистый металл, выпадающий из раствора при заданных Т и Р, находящийся с ним в равновесии в области ₁ + В, где ₁ – насыщенный раствор. Здесь Z^S_В. – потенциал металла В в твердом состоянии, Z^_В – в жидком состоянии, Z^S_В < Z^_В.

Потенциал Z^_В может относиться и к твердому состоянию, характеризующемуся другой пространственной решеткой В.

Другими словами, В может быть в двух аллотропических разновидностях – S и . При заданных на рис. 2, б значениях Т и Р устойчива разновидность S.

В состоянии  компоненты А и В изоморфны и образуют твердый раствор. Если бы он был неограниченным, кривая Z^_А – Z^_В характеризовала бы непрерывную растворимость в твердом состоянии (пространственная решетка ).

В данном случае (рис. 2, б) на участке составов ₁ – В имеет место выпадение чистого В (в состоянии S) из твердого -раствора.

Полная растворимость в твердом состоянии возможна только при изоморфных компонентах. Часто систему из таких компонентов также называют изоморфной.

На рис. 3 показаны кривые термодинамического потенциала Z для твердых и жидких растворов жидкой фазы лежит ниже кривой твердой фазы.

При низких температурах (Т₄ и ниже) кривая Z жидкой фазы лежит выше, чем кривая твердой фазы. Это значит, что при низких температурах стабильны твердые растворы.

Между температурами плавления компонентов А и В (Т₁ и Т₄) кривые жидкой и твердой фаз пересекаются и проведением к ним общей касательной можно найти составы жидкой и твердой фаз, находящихся в равновесии при той или иной температуре.

Снизу на рис. 3 показана диаграмма равновесия в координатах температура – состав.

Рис. 3. Зависимость термодинамического потенциала от состава и температуры и диаграмма равновесия сплавов из компонентов, неограниченно растворимых в жидком и твердом состояниях

Правила техники безопасности

Порядок выполнения работы

Содержание отчета

1. Краткое описание метода графического анализа термодинамики диаграммы состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы.

2. Анализ конкретной диаграммы.

3. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Определите число фаз и их состав при разных температурах и составах сплавов между линиями ликвидус и солидус в двухкомпонентной системе с полной взаимной растворимостью в жидком и твердом состояниях.

2. Что такое дендритная ликвация?

3. Что называется линией ликвидуса?

4. Каковы условия образования неограниченных твердых растворов?

5. Что такое упорядоченные твердые растворы?