Двухкомпонентных систем

Использование химически чистых веществ в технике – достаточно редкий случай, чаще применяют сплавы. Это связано с тем ,что изменяя состав сплава и используя дополнительную обработку (например термическую) можно в широких пределах варьировать структуру и физико-механические свойства материалов. Существует много способов получения многокомпонентных материалов: диффузионное насыщение, прессование порошков, осаждение из пара или растворов, но наиболее распространенным является метод расплавления и перемешивания в жидком состоянии (откуда и название - сплав).

Оценивать фазовый и структурный состав, а значит и свойства сплавов, прогнозировать процессы, происходящие при изменении температуры и состава, позволяют диаграммы состояния сплавов. Диаграмма состояния – это графическое изображение зависимости равновесного состояния от температуры и концентрации компонентов. Под состоянием системы при этом подразумевают фазовый состав. Наиболее просто выглядят диаграммы двухкомпонентных систем - в виде графика на плоскости. Основные закономерности диаграмм состояния и разберем на примерах двойных диаграмм.

При работе с диаграммами следует очень четко представлять себе основные термины. Компоненты – это вещества, из которых состоит система. В простейшем случае это атомы химических элементов, входящих в состав сплава. Объяснить что такое фаза немного сложнее. Сплавы, т.е. многокомпонентные системы, в основном в твердом состоянии являются поликристаллами, состоят из множества мелких разнородно ориентированных в пространстве кристаллов – областей. В этом случае возможны 2 варианта:

1. Отдельные области не различаются по составу, структуре и свойствам. Такие системы называются физически однородными и представляют собой частный случай гомогенных или однородных систем.

2. Отдельные области отличаются составом, структурой и свойствами, причем свойства при переходе через границу раздела меняются скачком. Это гетерогенные или многофазные системы.

Гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей границами раздела, при переходе через которую термодинамической фазой. свойства меняются скачкообразно, называется Фазы могут быть как твердыми, так жидкими и газообразными.

Следует отметить, что в однофазной системе тоже есть границы раздела, но они связаны не с разным кристаллическим строением фаз, а с разной ориентацией отдельных кристаллов в пространстве, поэтому при переходе через эти границы свойства практически не изменяются.

Диаграммы состояния показывают какие фазы, в каком относительном количестве и какого состава находятся в равновесии при данных условиях. Поэтому диаграммы состояния называют еще диаграммами фазовых равновесий. Термодинамическое равновесие соответствует состоянию системы, которое обеспечивает минимальный термодинамический потенциал. Термодинамический анализ показывает, что в двухкомпонентной системе в равновесных условиях могут сосуществовать не более 3-х фаз, причем трехфазное равновесие возможно только при постоянной температуре.

Двойные диаграммы строят на основании экспериментальных данных в координатах Т-С (температура – концентрация компонентов). Простейшим способом построения диаграмм состояния является термический анализ, т.е. построение кривых нагрева и охлаждения (в координатах температура - время) и анализ их формы. Фазовые равновесия, связанные с изменением строения фаз, происходят с тепловым эффектом: во время охлаждения при фазовых превращениях происходит выделение тепла, а при нагреве – поглощение (принцип Ле-Шателье). Поэтому на кривых охлаждения и нагрева начало и окончание фазовых превращений соответствует изменению угла наклона («перегиб» или «площадка»). На этом основании определяют температуры фазовых превращений для сплавов разного состава, наносят эти точки на диаграмму состояния и соединяют их линиями. Эти линии разбивают диаграммы состояния на ряд областей, в пределах которых в равновесии находятся одни и те же фазы.

Диаграммы состояния могут быть разных типов. Вид диаграммы зависит прежде всего от того, как взаимодействуют между собой компоненты в жидком и, особенно, твердом состояниях. В твердом состоянии есть 2 варианта взаимодействия. Компоненты могут растворяться друг в друге или взаимодействовать с образованием соединений по типу химических. Взаимная растворимость компонентов может быть неограниченной или ограниченной. Это зависит от размеров атомов компонентов, строения их электронных оболочек, типов кристаллических решеток. При этом говорят об образовании твердых растворов, т.е. такой ситуации, когда в кристаллической решетке одного компонента находятся атомы другого компонента. Различают три типа твердых растворов – замещения, внедрения и вычитания. Твердые растворы замещения и внедрения образуются на основе чистых компонентов, а вычитания – только на основе химических соединений (промежуточных фаз). Теоретически растворимость компонентов друг в друге есть всегда, но она может быть настолько малой, что при изображении диаграмм ею пренебрегают и считают, что образуются кристаллы практически чистых компонентов.