75

3.7.3. Диаграммы состояния системы с химическим соединением

Допустим, что компоненты А и В в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии нерастворимы и обра- зуют химическое соединение, устойчивое вплоть до точки плавления.

Два компонента А и В, взаимодействуя между собой образуют хими- ческое соединение (хА + yB = AxBy), свойства которого будут отличаться от свойств образующих его чистых компонентов.

3.7.3.1. Соединение с конгруэнтной точкой плавления

Если химическое соединение АxВy устойчиво при всех температурах вплоть до температуры плавления, то в этом случае говорят, что соеди- нение имеет конгруэнтную точку плавления, т. е. плавится без разложе- ния. Типичная диаграмма состояния системы с таким соединением при- ведена на рис. 3.11, а. Она представляет собой сочетание двух диаграмм состояния с простой эвтектикой. А – АxВy и АxВy – В. В точке С на кривой ликвидуса имеется максимум, характер которого зависит от устойчиво- сти химического соединения. Для малоустойчивого соединения этот максимум широкий и плоский. Если соединение устойчивое, то кривые ликвидуса в точке С1 сходятся под острым углом, образуя сингулярную (особую) точку. По обе стороны от точки С находятся эвтектики Е1 и Е2, которые соединение АxВy образует с компонентами А и В. Ликвидусом на этой диаграмме является линия ТАЕ1СЕ2ТВ, солидусом — эвтектические горизонтали F1E1G1 и F2E2G2. В точке С система ведет себя как одно- компонентная и на кривой охлаждения имеется горизонтальная темпера- турная остановка, как и в случае чистого компонента (рис. 3.11, б). Этот уча- сток кривой будет соответствовать температуре плавления соединения АxВy.

Рассмотрим		Т	а				Т	б
процесс	охлаж-				М
дения	расплава,				с1		ТB	М
заданного фигу- ТС					с			с	с'
ративной точкой			ж			ж
М и отвечающего		ТА				ж+В	b2
составу	конгру-				ж+AxВy		TE2
энтно	плавяще-		А+ж		F2	E2
							G2
гося	соедине-	T		ж+AxВy		AxВy+В
ния АxВy. Для это		E1	F1	E1	G1
го состава число				А+AxВy
независимых		А			AxВy	состав	В		время
компонентов			Рис. 3.11. Диаграмма состояния системы с химическим
равно	единице,
				соединением, плавящимся конгруэнтно

76

поскольку система может быть образована из одного соединения АxВy. При температуре ТС из расплава выпадают кристаллы АxВy (Ф = 2) и чис- ло степеней свободы С = 1 - 2 + 1 = 0, т. е. система безвариантна и кри- сталлизуется при постоянной температуре.

Химическое соединение постоянного состава — это одна фаза, одна кристаллическая решетка, в которой частицы компонентов правильно чередуется, и соотношение между компонентами в кри- сталлической решетке везде одно и то же.

3.7.3.2. Соединение с инконгруэнтной точкой плавления

Рассмотрим систему, в которой компоненты А и В в жидком со- стоянии полностью растворимы в друг в друге, а в твёрдом состоя- нии нерастворимы и образуют соединение, которое не может быть расплавлено без разложения. В этом случае на кривой ликвидуса максимум отсутствует и диаграмму этого типа называют диа-

граммой состояния со скрытым максимумом или с перитекти-

кой. Такая диаграмма состояния представлена на рис. 3.12, а. Линия ТАЕСТВ — ликвидус, горизонтальные линии FEG и СDTC — со-

лидус системы. Прямая FEG является также эвтектической горизон-

талью и соответствует кристаллизации эвтектики, состав которой соот- ветствует точке Е. Соединение АxВy устойчиво лишь до температуры ТС. Поэтому незначительное повышение температуры приводит к распаду этого соединения на кристаллы более тугоплавкого компонента В и рас- плав состава Y (точка С), который обогащен легкоплавким компонен- том А. При охлаждении расплава состава М в точке а0, находящейся на линии ликвидуса, начинается выпадение кристаллов компонента В.

Винтервале температур между а0 и b0 система двухфазная (Ф =2), одновариантная: С = 3 - 2 = 1.

Вточке b0 при температуре ТС выделяются первые кристаллы химиче- ского соединения АxВy, состав которых соответствует Y2 (точка D). В равно- весии при этом находятся три фазы: расплав, кристаллы химического со- единения АxВy и кристаллы компонента В, а число степеней свободы равно нулю: С = 3 - 3 = 0. Это указывает на постоянство температуры ТС, состав расплава Y (точка С) и состава химического соединения Y2 (точка D).

Чтобы состав расплава оставался постоянным, одновременно с кри- сталлизацией химического соединения АxВy выпавшие ранее кристаллы компонента В должны растворяться, поддерживая содержание компо-

нента В в расплаве неизменным. Точка С называется перитектиче-

ской или переходной точкой, температура ТС — перитектической температурой, а расплав — перитектическим расплавом. В пери-

										77
тектической точке в равновесии находятся: расплав, кристаллы химиче-
ского		соедине-			а	М			б	М
ния АxВy		и	кри-	Т
						a0			ТB Т	a
сталлы компонен-					ж			ж+В	a2
та В. На		кривой				С				b b'
охлаждения			при				b0	D	b2 ТС
температуре ТС
имеется		горизон-		ТА	f1		f0	f2	Тf
тальный			учас-			y
						В
т о к		b b '			А+ж	x
						ж+A	d0		Т	d d'
( рис. 3 . 1 2 , б) .					E
									e
В		точке b0			F		G AxВy+В
процесс охлажде-					A+AxВy
ния	заканчивает-			А	Y1	Y Y0		Y2	В	время
ся	полным		рас-			состав	AxВy
творением			крис-
					Рис. 3.12. Диаграммасостояниясистемыснеустойчивым
таллов В.			Ниже
точки b0		система				химическимсоединением
двухфазная			(Ф = 2),		состоящая из расплава и кристаллов соедине-
ния АxВy, число степеней свободы С = 3 - 2 = 1. Дальнейшее понижение
температуры приводит к выпадению кристаллов соединения АxВy и ка-
ждой температуре соответствует определённый состав расплава (кри-
вая СЕ) .
В точке d0 в равновесии находятся три фазы: кристаллы компонента
A, кристаллы соединения AxBy и расплав, состав которого соответствуют
точке E. Число степеней свободы С = 3 – 3 = 0. На кривой охлаждения
при температуре TE имеется горизонтальный участок dd' (рис. 3.12, б).
При дальнейшем охлаждении система полностью закристаллизована и
состоит из двух фаз: кристаллов A и кристаллов AxBy (С = 3 – 2 = 1).

Диаграмма состояния позволяет определить не только составы равно- весных фаз, но и их количество при помощи так называемого правила ры-

чага: фигуративная точка, отвечающая суммарному составу систе-

мы, делит конноду, соединяющую фигуративные точки равновес- ных фаз, на части, обратно пропорциональные количеству этих фаз.

Фигуративной точке f0 соответствует система, содержащая Y0 % (мас.) компонента В. Эта система состоит из кристаллов соединения АxВy (точ- ка f2) и расплава (точка f1), в которых содержание компонента составляет соответственно Y2 и Y1 % (мас.). Общий материальный баланс равен

m0 = m1 + m2

(3.140)

где m0 — масса всей системы;