Двойные системы

Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых значений механических и физических свойств, которые удается получить в сплавах.

В связи с изучением сплавов необходимо дать определение некоторым металлографическим понятиям.

Компонентами системы называют самостоятельные составляющие, из которых могут при определенных условиях образоваться все фазы данной системы и которые не могут превратиться друг в друга, но имеют возможность переходить из одной фазы в другую.

Фазой называют однородные составные части сплава (системы) имеющие одинаковый состав, одно и тоже агрегатное состояние и отделяющиеся от остальных частей поверхностями раздела.

Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного либо метастабильного равновесия.

Структурная составляющая - это гомогенная или квазигомогенная составляющая системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное регулярное строение, форму и одинаковый средний химический состав.

Система может быть простой или сложной. Простая система состоит из одного компонента, например, из железа или одного химического соединения, например, Fe₃C. Сложная система включает в себя два или более компонентов. Например, система Pb-Sb является двойной, а система Al-Cu-Mn - тройной и т.д. Простая система может быть однородной, т.е. состоящей из одной фазы, например вода (жидкость) и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например вода, лед (жидкость + твердое тело); или пар, вода, лед (жидкость + твердое тело + газ). Фазовое состояние системы, составленной из двух компонентов, в зависимости от внешних условий может характеризоваться диаграммой состояния или (что тоже самое) диаграммой фазового равновесия.

Система называется равновесной, если в ней изменение фазового состояния при изменении внешних условий совершается обратимо, т.е. когда процессы при изменении состояния системы в одном направлении в точности возмещаются процессами, происходящими при изменении системы в обратном направлении.

Зависимость между числом фаз системы, числом ее компонентов и числом внешних независимых переменных определяется правилом фаз.

В общем случае правило фаз Гиббса выражается следующим уравнением

С = К + П - Ф,

где: С - число степеней свободы или вариантность системы, К - количество компонентов системы, П - количество независимых переменных, Ф - количество фаз в системе.

Внешними независимыми переменными является температура и давление. Действие каких-либо дополнительных параметров увеличивает значение П каждый на единицу. В металлографии при рассмотрении конденсированных систем (твердых тел, жидкостей) давление не оказывает решающего влияния на состояние системы, поэтому внешним независимым является температура, при этом П = 1 и С = К + 1 − Ф.

Вариантность системы не может быть отрицательной. Для равновесия системы необходимо, чтобы количество фаз в структуре не превышало числа компонентов более чем на 1, т.е. чтобы Ф < К + 1.

В том случае, когда в равновесии находится максимальное количество фаз, т.е. Ф = К + 1 и С = 0, система называется безвариантной или нонвариантной. Примером такой системы является кристаллизация, аллотропическое превращение в чистом металле, где Ф = 2 при К = 1, а также эвтектическое или перитектическое превращение в двухкомпонентной системе, где Ф = 3 [L +(a + b)], при К = 2. Система, в которой С =1, т.е. когда Ф = К, является одновариантной или моновариантной. Примером является кристаллизация твердого раствора. При С = 2 система - двухвариантная или бивариантная.