3. Двухкомпонентные системы.

Двухкомпонентными системами являются сплавы двух различных металлов, солей, минералы, любой раствор, состоящий из растворителя и одного растворенного вещества.

По правилу фаз Гиббса в двухкомпонентной системе равновесие возможно при:

Число фаз	Правило фаз Гиббса С = К – Ф + 2
1	С = 2 – 1 + 2 = 3
2	С = 2 – 2 + 2 = 2
3	С = 2 – 3 + 2 = 1
4	С = 2 – 4 + 2 = 0

Из анализа двухкомпонентных систем по правилу фаз следуют такие заключения:

1. наибольшее число фаз, находящихся в равновесии в 2-х компонентной системе равно 4. Это две твердые фазы I и II компонента, жидкая фаза и пар;

2. наибольшее число степеней свободы в двухкомпонентой системе равно 3 - это t, Р и концентрация одного из компонентов С.

Концентрация другого компонента величина зависимая и описывается уравнением:

С₂ = 100% - С₁

Таким образом, полная диаграмма состояния двухкомпонентной системы должна строиться по трем пространственным осям - t, Р и состав.

В большинстве случаев двухкомпонентные системы являются сконденсированными, т.е. состоят из жидкости и твердого вещества.

Величина давления пара не влияет на их равновесие и поэтому не учитывается. Правило фаз упрощается

С = К – Ф + 1

Диаграмма состояния конденсированных двухкомпонентных систем может быть построена на плоскости t - состав. Она называется диаграммой плавкости.

Это график зависимости t плавления (отвердения) каждого из компонентов от их концентрации в системе. Диаграмму плавкости строят на кривых охлаждения или нагревания. Они представляют зависимость t двухкомпонентных систем определенного состава от времени при их равномерном охлаждении или нагревании.

Условия равновесия и состав фаз конденсированных двухкомпонентных систем зависят от характера взаимодействия.

3.1. Двухкомпонентные системы без химического взаимодействия.

3.1.1.Неизоморфные конденсированные системы

Неизоморфные конденсированные системы это системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и взаимной нерастворимостью в твердом состоянии.

Кривые 1, 2, 3, 4 (рис. 3.1.) характеризуют охлаждение сплавов обоих компонентов с избытком одного из них. В начале t жидкого сплава равномерно снижается. При некоторой t скорость охлаждения замедляется, и наклон кривой становится меньше. Это объясняется тем, что в сплаве появляются кристаллики избыточного компонента и выделяющаяся при этом теплота кристаллизации частично компенсирует теплоту плавления.

По мере выделения кристаллов вещества сплав обедняется им и поэтому t кристаллизации снижается. Наконец, при определенной t, состав жидкой фазы сплава становится таким, что оба вещества кристаллизуются одновременно. Температура при этом остается постоянной пока сплав не отвердеет полностью. После этого начинается равномерное охлаждение твердого сплава.

Кристаллизация сплавов начинается при разных t в зависимости от исходного содержания каждого компонента. Окончательное отвердение происходит при одной и той же температуре.

Минимальная t , при которой начинается плавление двухкомпонентной системы (или заканчивается кристаллизация расплава), называется эвтектической температурой Т_э .

Кривая, отвечающая температурам начала кристаллизации, носит название линии ликвидуса (т.е. жидкости) или просто ликвидуса. Область выше линии ликвидуса характеризует жидкие однофазные системы. Линия, отвечающая температурам конца равновесной кристаллизации (полного отвердения) растворов различного состава, носит название линии солидуса (т.е. твердого тела) или просто солидуса.

t t

B T_B

4 4

A 3 3

1 T_A 1 ликвидус

2 2 В+Ж

А+Ж солидус

Е

Е t⁰_э

I II III IV

Время х₂ х_Е

А х₁ состав х₃ х₄ В

Рис. 3.1. Диаграмма температура - состав.

На диаграмме есть пять полей (рис. 3.2.).

Поля (А + ж) и (В + ж) представляют области сплавов с избытком одного из компонентов. Они состоят из двух фаз: жидкого сплава обоих компонентов и кристаллов одного из них.

По правилу фаз Гиббса эти фазы с начавшейся кристаллизацией имеют одну степень свободы

К = 2 Ф = 2 => С = 1

Это означает, что произвольно можно менять один параметр - либо t, либо состав.

Каждой концентрации сплава отвечает определенная t начала кристаллизации.

Область ниже линии солидуса - твердые сплавы (А + эвтектика, В + эвтектика). Они состоят из отдельных кристаллов обоих веществ. Т.к. эти вещества не растворимы друг в друге в твердом виде, по правилу фаз Гиббса твердые неизоморфные двухкомпонентные сплавы имеют I степень свободы.

С = 2 - 2 +1 =1

Это означает, что и в твердых сплавах без изменения их фазового состояния можно в определенных пределах менять только t.

Все поля сходятся в точке Е эвтектики. В т. Е в равновесии находятся три фазы: кристаллы вещества А, кристаллы вещества В и жидкий сплав. В эвтектическом сплаве жидкая и твердая фаза имеют одинаковый состав.

К = 2 Ф = 3 С = 2 - 3 + 1 = 0

Левая кривая показывает равновесие между кристаллами компонента А и растворами различного состава. Она выражает зависимость t начала кристаллизации компонента А от его концентрации в растворе (и вместе с тем зависимость растворимости компонента А в этих растворах от t).

Правая кривая подобным образом характеризует равновесие между растворами различного состава и кристаллами компонента В.

Эвтектическая точка соответствует равновесию между жидким раствором (расплавом) и двумя кристаллическими фазами.

Такое равновесие называется эвтектическим равновесием. Соответствующий жидкий раствор, равновесный этим фазам называется эвтектикой.

Т ем же термином (эвтектика) обозначается и твердый продукт (сплав), образующийся при кристаллизации этого раствора и, следовательно, обладающий эвтектическим составом. Жидкий раствор называют жидкой эвтектикой, а твердый сплав - твердой эвтектикой.

Рис. 3.2. Диаграмма плавкости неизоморфной бинарной системы.

Таким образом, ни t^о, ни состав не могут быть изменены произвольно без того, чтобы не произошло исчезновение одной из фаз такого сплава, либо сплав отвердеет, либо расплавятся кристаллы одного или обоих веществ.

Одновременная кристаллизация обоих компонентов эвтектики мешает образованию крупных кристаллов. Поэтому, эвтектика - это однородная мелкозернистая смесь компонентов одного и другого вещества.

Неэвтектические сплавы в твердом состоянии состоят из первичных кристаллов одного из веществ, сцементированных мелкозернистой структурой эвтектики.