4.2.2. Диаграмма состояния с отсутствием взаимной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии. Диаграмма с эвтектикой

4. 2. 2. Диаграмма состояния с отсутствием взаимной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии. Диаграмма с эвтектикой

Характеристика фазовых равновесий в системе

Рис. 4. 3. Диаграмма плавкости с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и типичные кривые охлаждения (б)

 

При охлаждении любых расплавов в такой системе всегда кристаллизуются чистые компоненты.

Диаграмма состояния с отсутствием растворимости в твердом состоянии и типичные для нее кривые охлаждения приведены на рис. 4. 3.

В данной системе присутствуют три различные фазы:

· фаза жидких растворов во всем диапазоне концентраций (поле L );

· твердая фаза 1 – кристаллы чистого вещества А;

· твердая фаза 2 – кристаллы чистого вещества В.

Хотя нужно сразу сказать, что полной нерастворимости компонентов не существует, просто эта растворимость настолько мала, что ее нельзя показать в выбранном масштабе и ею можно пренебречь.

Для данной диаграммы состояния характерны три двухфазные области равновесного сосуществования фаз, соответственно:

L + кристаллы А;
L + кристаллы В;
Кристаллы А + кристаллы В

Все три фазы данной системы: L+ кристаллы А+ кристаллы В , одновременно сосуществуют на эвтектической горизонтальной прямой.

Правило фаз определяется уравнением (1. 8).

Температуры плавления чистых компонентов А и В обозначены точками Т_А и Т_В соответственно.

Кривые Т_АЕ и Т_ВЕ это ветви линий ликвидуса, выше которых расположена однофазная область жидкого раствора L ( Ф = 1 и С=2 ).

Обе линии ликвидуса показывают температуры начала кристаллизации жидких растворов различной концентрации. Области ниже линий ликвидуса и сами кривые являются двухфазными ( Ф =2 и С=1 ), однако твердые фазы в них – различны.

Так как компоненты А и В практически не растворимы в твердом состоянии, линии солидус на данном типе диаграмм вырождены в оси ординат ниже температур плавления и соответствуют чистым твердым компонентам.

Кривая Т_АЕ соответствует насыщенным растворам, находящимся в равновесии с кристаллами чистого вещества А , т. е. эта ветвь ликвидуса дает температуры начала выпадения кристаллов А. Конноды, проведенные в двухфазной области под этой кривой, указывают на постоянный состав твердой фазы – это чистое вещество А. Условно, фазовое равновесие этой кривой и области ниже ее, можно представить как: L↔ A_{кристал .}

Кривая Т_ВЕ указывает составы насыщенных растворов, равновесных с кристаллами В, поэтому эта ветвь ликвидуса дает температуры начала кристаллизации чистого вещества В (на это указывают конноды, проведенные в данной двухфазной области). Фазовое равновесие здесь: L ↔ В_{кристал .} .

Точка Е называется эвтектической или эвтектикой. Она лежит на пересечении ветвей ликвидуса при эвтектической температуре Т_Е на горизонтали, называемой линией эвтектики.

“Эвтектический” – значит легкоплавкий, этот расплав кристаллизуется при самой низкой температуре в данной системе.

Геометрически, линия эвтектики - это совокупность трех коннод соответствующих двухфазных областей, которые здесь соединяются. Состав фаз на линии эвтектики определяется, как и на конноде. Пересечение горизонтали с ветвями ликвидус дает состав жидкой фазы (точка Е ), а пересечение с осями ординат указывает состав равновесных твердых фаз: чистых кристаллов А и В соответственно.

Точка эвтектики ( Е ) показывает состав жидкого раствора, насыщенного одновременно и кристаллами вещества А, и кристаллами вещества В. Компоненты А и В имеют различную кристаллическую решетку, а следовательно и разные свойства, поэтому они, кристаллизуясь раздельно, образуют две различные твердые кристаллические фазы, которые представляют собой механическую смесь кристаллов А и В.

Эвтектическое равновесие можно записать: L_E ↔ _кр А+_кр В .

Таким образом, эвтектическая горизонталь представляет собой трехфазное, а значит нонвариантное равновесие ( Ф=3 и С=0 ). Поэтому термодинамические параметры для нее: состав фаз и температура, являются фиксированными ине изменятся до тех пор, пока не исчезнет одна из фаз.

Любая фигуративная точка на линии эвтектики - это трехфазная система с постоянным составом фаз. Различными будут, в зависимости от суммарного состава системы, только количество и структура этих фаз.

Ниже линии эвтектики жидкая фаза отсутствует и остается только двухфазная механическая смесь кристаллов А и кристаллов В ( Ф=2 и С=1 ).

Фазовые превращения в системах с отсутствием растворимости веществ в твердом состоянии

Рассмотрим процесс охлаждения расплава а и соответствующую ему кривую охлаждения (рис. 4. 3а, б). Выбранная фигуративная точка соответствует однофазному жидкому раствору ( Ф=1 и С=2 ). При понижении температуры, происходит охлаждение жидкого раствора этого состава и на кривой охлаждения до T₁ идет плавное уменьшение температуры со временем.

При температуре Т₁ , которая соответствует линии ликвидус начинается кристаллизация расплава и появляются первые кристаллы чистого вещества А . Начинается фазовый переход L→ А_{кристалл .}

Система становится двухфазной ( С=1 ). На кривой охлаждения появляется излом за счет выделения скрытой теплоты плавления, дальнейшая скорость понижения температуры замедляется.

От температуры Т₁ , до эвтектической температуры Т_Е из насыщенного жидкого раствора продолжают выпадать кристаллы А . Раствор постепенно обогащается компонентом В и его концентрация меняется по кривой ликвидус.

При достижении температуры эвтектики Т_е , оставшийся в системе жидкий раствор становится эвтектического состава L_E и из него кристаллизуется одновременно две твердые фазы: кристаллы А и кристаллы В .

L_E → _крА+_крВ .

При эвтектической температуре это превращение совершается до тех пор, пока не исчезнет полностью эвтектический расплав. Жидкая эвтектика при кристаллизации образует механическую смесь кристаллов, которую называют твердой эвтектикой. Так как кристаллы А и В выпадают одновременно и у них нет условий для роста при кристаллизации, твердая эвтектика имеет мелкокристаллическое строение. Состав твердой эвтектики такой же, как и жидкой.

Эвтектическая кристаллизация является трехфазной и нонвариантной, т. е. протекает при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок. Длина этого участка различна для разных сплавов и определяется количеством оставшегося в системе расплава. Максимальную длину горизонтальной площадки на кривой охлаждения имеет система эвтектического состава ( е ). Её кривая охлаждения подобна кристаллизации однокомпонентной системы. Чем дальше сплав по составу отстоит от эвтектического, тем меньше у него количество оставшейся жидкой эвтектики тем короче будут горизонтальные участки на кривых охлаждения.

Как только при температуре Т_Е исчезнут последние капли эвтектического расплава L_E , система снова становится двухфазной, состоящей из механической смеси кристаллов А и В ( Ф=2 и С=1 ). Температура на кривой охлаждения вновь начинает понижаться и происходит охлаждение механической смеси.

Структурно данный сплав представляет собой первичные кристаллы вещества А, которые появились вначале в интервале температур Т₁-Т_Е и мелкозернистой смеси кристаллов А и В, которые образовались при окончательной кристаллизации при Т_Е . Таким образом, кристаллизация этого сплава проходит в две стадии.

Аналогично кристаллизуются сплавы справа от точки эвтектики, однако согласно диаграмме, там сначала наблюдается фазовый переход L→ В_{кристалл} и первично будут выпадать кристаллы чистого вещества В , а затем кристаллизуется твердая эвтектика.

Кристаллизация сплава е , имеющего эвтектический состав, сог- ласно диаграмме состояния, начинается и заканчивается при постоянной температуре эвтектики Т_Е. Из однофазной система сразу переходит в трехфазную: L_E→ _крА+_крВ и после исчезновения жидкости остается двухфазной твердой эвтектикой. Как уже отмечалось, эта система имеет самый большой горизонтальный участок на кривой охлаждения (рис. 4. 3б) - кривая охлаждения сплава е.

С помощью фазовой диаграммы можно охарактеризовать не только процессы охлаждения, но обратные им процессы нагрева (плавления).

Рассмотрим плавление системы, обозначенной на диаграмме состояния фигуративной точкой b. Данный сплав представляет собой механическую двухфазную смесь кристаллов А и В, которая не меняется при нагревании вплоть до температуры Т_Е .

При температуре эвтектики Т_Е данный сплав начнет плавиться, т. е. появляется жидкий расплав эвтектического состава:

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: