Кривые охлаждения. Построения двух компонентных систем в процессе охлаждения

Элементы диаграммы делят поле диаграммы на области, в которых в равновесии находятся одна (расплав, твердый раствор) или две равновесные фазы. Правильное определения характера фазового равновесия в областях диаграммы существенно облегчает рассмотрение путей кристаллизации при охлаждении исходных расплавов системы. При нагреве последовательность фазовых превращений будет обратной.

Для определения фаз, находящихся в равновесии, необходимо оценить, какие элементы диаграммы ограничивают рассматриваемую область слева и справа. Это могут быть:

· линия ликвации: одна из равновесных фаз – расплав;

· линии химических соединений – одна из равновесных фаз данного химического соединение;

· температурные вертикали – одна из равновесных фаз – один из компонентов диаграммы в кристаллическом состоянии;

· наклонные кривые солидуса – одна (или единственная) фаза – твердый раствор.

При этом анализе следует помнить о том, что кристаллические фазы могут находиться в равновесии в различных полиморфных модификациях.

Рассмотрим последовательность фазовых превращений, происходящих при охлаждении исходного состава системы М (рисунок 2). Выше температуры Т₁ в равновесии находится расплав L_m состава М. Число степеней свободы при этом равно двум. При температуре Т₁, когда вертикаль исходного состава касается линии ликвидуса, расплав становится пересыщен по отношению к компоненту В, и начинается его кристаллизация. Так как степень свободы при этом становится равной единице, то при дальнейшем охлаждении при продолжающейся кристаллизации компонента В состав расплава будет меняться строго по линии ликвидуса.

Так, например, при температуре Т₂ расплав будет иметь состав, определяемый положением точки а на линии ликвидуса Е–Т_в. Таким образом, на диаграмме в области, ограниченной точками Е – Т_в – Т_е* в равновесии будут находиться две фазы: кристаллы компонента В и расплав, состав которого зависит от рассматриваемой температуры системы.

При достижении температуры точки эвтектики, состав расплава становится равным L_m, начинается кристаллизация компонента А. Таким образом в равновесии будут находиться уже три фазы: расплав, кристаллы А и В. Степень свободы при этом становится равной нулю. Таким образом, точка эвтектики на диаграмме определяет нонвариантное состояние. Дальнейшее понижение температуры невозможно без изменения числа равновесных фаз. Поэтому в точке эвтектики закончится кристаллизация исходного состава системы, а пропадающей фазой при этом будет расплав. По окончании кристаллизации система становится моновариантной, и дальнейшее понижение температуры приводит к охлаждению смеси кристаллов А и В.

Фазовые изменения любого другого бинарного состава системы будут протекать аналогично рассмотренному. Исключение составляет исходный состав, совпадающий с точкой эвтектики. Для него при температуре Т_е начинается одновременная кристаллизация компонентов А и В и при этой же температуре кристаллизации закончится.

Таблица 1

Фазовые изменения системы при охлаждении

Температура	Равновесные фазы	Степень свободы
Т = То	Lm
Т = Т1	Lm + кр.В
Те < Т < Т1	Lm- + Lе + кр.В
Т = Те	Lе + кр.А +кр.В
Т < Те	кр.А + кр.В

 

Нонвариантное состояние двух компонентных систем

Горизонтальные площадки на кривых охлаждения бинарных систем появляются в случае достижения системой нонвариантного состояния: одновременного существования в системе трех фаз. Процессы в бинарных системах, приводящие к этому состоянию, являются частные случаи однокомпонентных систем в составе бинарных:

· кристаллизация химического соединения, плавящегося конгруентно, когда исходный состав системы совпадает с составом химического соединения;

· кристаллизация расплава одного из компонентов, когда система содержит 100 %, одного из них.

Для бинарных составов:

· кристаллизация расплава эвтектического состава;

· образование химического соединения, плавящегося инконгруентно, при температуре точки перитектики;

· ликвация в системе при температуре начала (окончания) процесса расслоения жидкости;

· полиморфные превращения кристаллических фаз;

· образование (разложение) химического соединения, разлагающегося в твердой фазе.

 

Раздел 2. Индивидуальное задание

Диаграмма равновесия

Диаграмма равновесия позволяет определять последовательность фазовых превращений в системе при ее нагреве или охлаждении, фазовые равновесия при любых параметрах системы, рассчитывать количественное соотношение равновесных фаз при заданных условиях равновесия.

По диаграммам равновесия двухкомпонентных систем можно определять не только качественно фазовые равновесия, но и рассчитывать количественное соотношение равновесных фаз. Для этого используется правило рычага: если одна фаза в системе распадается на две, то количество образовавшихся фаз обратно пропорционально отрезкам, заключенным между точкой исходного состава и точками составов образовавшихся фаз.

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение возможных равновесных состояний в данной системе при различных условиях. Изменения, происходящие в системе, следует рассматривать как последовательность отдельных равновесных состояний, которые достигаются в системе при малом изменении ее параметров.