Построение диаграммы состояния неизоморфной двухкомпонентной системы с простой эвтектикой

Диаграмма состояния таких систем, построенных по кривым охлаждения температура-время, выглядит так (рис. 3).

Область СЕD – жидкий расплав, характеризуется тем, что в известных пределах можно менять температуру и состав независимо друг от друга не вызывая появления новых фаз.

Поле Ж принадлежит однофазной системе, следовательно, число степеней свободы (С = 2 + 1 – 1 = 2) равно 2. Система двухвариантна (бивариантна).

Точки С и D изображают температуры кристаллизации чистых компонентов (соответственно компонент А и компонент В). При этих температурах система инвариантна (С = 1 + 1 – 2 = 0). При температурах выше С или D соответственно чистые компоненты находятся в расплаве (С = 1 + 1 – 1 = 1), система моновариантна и при температурах ниже С и D в твердом состоянии (С = 1 + 1 – 1 = 1), система тоже моновариантна.

Поле Ж ограничивается кривой СЕD, которая отвечает предельно охлажденной жидкой фазе и называется линией ликвидуса (лат. liquor - жидкость).

Фигуративные точки [1] двух ветвей ликвидуса (СЕ и ЕD) характеризуют температуры, при которых из жидких расплавов начинается кристаллизация соответственно компонента А или В, и одновременно фигуративные точки на ветвях ликвидуса характеризуют состав жидких расплавов, при охлаждении которых начинается кристаллизация одного из компонентов.

Как уже упоминалось линия ликвидуса состоит из 2-х ветвей СЕ и ЕD, сходящихся в точке Е. Это значит, что каждой ветви ликвидуса соответствует

Рис 3. Построение диаграммы состояния двухкомпонентной неизоморфной системы с простой эвтектикой

I – кривые охлаждения;

II – диаграмма состояния;

III – кривая охлаждения фигуративной т. N.

своя твердая фаза, равновесная с жидким расплавом, а излом в точке Е связан с появлением новой фазы.

Опыт показывает, что ветвь ликвидуса СЕ соответствует началу кристаллизации компонента А соответствующих расплавов, а фигуративные точки кривой ЕD – началу выделения из расплава кристаллов В.

Кристаллизация одного из компонентов вызывает повышение содержания другого компонента в расплаве, что приводит к понижению температуры кристаллизации. Когда она станет наименьшей и равной отрезку СТ_Е, то расплав насыщается в отношении обоих компонентов, тогда и происходит их совместная кристаллизация с появлением новой твердой фазы, что отображается на кривой ликвидуса изломом в точку Е.

Наименьшая постоянная температура, при которой кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой. При этой температуре находится 3 фазы: жидкий расплав, кристаллы А и кристаллы В, т.е. С = 2 + 1 – 3 = 0, система безвариантна. Поэтому строго постоянное значение имеет не только температура, но и состав жидкой фазы.

Смесь компонентов, кристаллизующихся без изменения состава жидкой фазы, называется эвтектической смесью или просто эвтектикой (от греч. eutektik – легко плавящийся).

Последняя не меняется по составу до конца кристаллизации. Таким образом, при охлаждении эвтектической смеси кристаллизация происходит без изменения состава (состав жидкой фазы одинаков) до тех пор, пока вся система не закристаллизуется. Т.е. данная смесь ведет себя как однокомпонентная и на кривой охлаждения этот фазовый переход характеризуется горизонтальной площадкой.

Линия Т_ЕЕF – предельно нагретый твердый раствор называется линией солидуса (solid - твердый). Каждая точка на прямой Т_ЕЕF показывает состав системы, состоящей из расплава (точка Е) и двух твердых фаз: кристаллов А и кристаллов В. Ниже линии солидуса (Т_ЕЕF) жидкая фаза отсутствует.

Поля СЕТ_Е и DEF состоят из двух фаз (ж+кр А и ж+кр В), в которых соответственно кристаллы А и кристаллы В находятся в равновесии с расплавом. Концентрация расплава при каждой температуре находится на пересечении изотермической линии, называемой нодой, с соответствующей ветвью ликвидуса.

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, заданного фигуративной точкой N.

На диаграмме в точке N имеем двухвариантную систему. Ф = 1, тогда

С = 2 + 1 – 1 = 2,

т.е. можно менять произвольно температуру и состав (в разумных пределах) без изменения числа и вида фаз. При температуре Т₂ (N^I) начинается выпадение кристаллов вещества А – появляется твердая фаза, т.е. Ф = 2, тогда С = 2 + 1 – 2 = 1, система становится моновариантной. Это значит, что можно менять только температуру, а состав расплава при каждой температуре будет определяться кривой СЕ.

При дальнейшем охлаждении системы продолжается понижение температуры и выпадение кристаллов из расплава. В результате расплав обогащается компонентом В. В точке N^II система продолжает оставаться моновариантной. Для определения состава расплава через точку N^II проведем горизонтальную линию – ноду Т₃N^IIO. По точкам Т₃ и О определим температуру Т₃ и состав расплава (жидкой фазы) спроектировав точку О на ось состава (n^I). Кроме температуры и состава полученная диаграмма позволяет определить количественные соотношения между твердой и жидкой фазой, которые описываются правилом рычага.