Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с эвтектикой
Если два компонента А и В не растворимы друг в друге в твердом состоянии и не образуют при сплавлении химических соединений, то диаграмма состояния имеет в общем случае вид, изображенный на рис. 7. Точка tA показывает температуру плавления чистого компонента А. По мере прибавления к нему компонента В температура плавления вначале понижается, а затем после точки эвтектики снова растет, пока не достигнет точки tB, соответствующей температуре плавления чистого компонента В. При охлаждении расплава, имеющего иной состав, чем эвтектика, из него будет выделяться в виде твердой фазы тот компонент, содержание которого в расплаве превышает его содержание в эвтектике. По мере выделения этого компонента температура кристаллизации будет понижаться, а состав остающейся жидкой фазы постепенно будет приближаться к эвтектическому. Когда состав расплава достигнет состава эвтектики, а температура – эвтектической температуры, расплав затвердеет, образовав смесь мельчайших кристаллов обоих компонентов.
Рис. 7. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с эвтектикой
Конечными фазами кристаллизации любого бинарного состава в этой системе будут компоненты А и В, а кристаллизация всех подобных составов будет заканчиваться при эвтектической температуре tE в точке эвтектики. Рассмотрим подробнее пути кристаллизации некоторых составов в этой системе.
Путь кристаллизации расплава а. Точке а соответствует расплав (однородная жидкая фаза) состава d при температуре tn.
В интервале а–b (при понижении температуры от tn до tb) происходит охлаждение расплава без фазовых изменений.
При температуре tb жидкая фаза (расплав) начинает кристаллизоваться. Первично выделяются кристаллы того компонента или соединения, к вертикали состава которого прилегает область нахождения данного состава. В данном случае это кристаллы компонента А.
Интервал b–c (tb–tE) – область сосуществования двух фаз: твердой (кристаллы А) и жидкой. Причем состав жидкой фазы по мере снижения температуры меняется по линии ликвидуса от точки b до точки Е. Для того чтобы определить состав жидкой фазы при любой температуре, принадлежащей температурному интервалу tb–tE, например tb1, нужно провести конноду, ей соответствующую. Точка пересечения конноды с линией ликвидуса соответствует составу расплава f при температуре tb1.
В точке с (пересечение вертикали состава с линией солидуса) состав жидкой фазы соответствует эвтектическому. Точка эвтектики принадлежит одновременно области первичного выделения кристаллов А и области первичного выделения кристаллов В, поэтому жидкая фаза эвтектического состава кристаллизуется при постоянной температуре tE с одновременным выделением кристаллов А и В.
Ниже линии солидуса все фазы находятся в твердом состоянии.
Полученный твердый материал имеет так называемую доэвтектическую структуру: крупные кристаллы А (образовались в температурном интервале tb–tE) вкраплены в тонкодисперсную эвтектическую смесь кристаллов А+В (образовались в результате кристаллизации остатков жидкой фазы эвтектического состава при температуре tE).
Аналогично кристаллизуются любые расплавы, составы которых попадают в область от 100 % компонента А до точки d1, соответствующей эвтектическому составу.
Путь кристаллизации расплава а1. Состав расплава полностью соответствует эвтектическому.
В интервале а1–Е происходит охлаждение расплава. В точке Е при температуре tE протекает быстрая кристаллизация расплава с одновременным выделением компонентов А и В. Полученный материал имеет эвтектическую структуру: тонкодисперсная смесь кристаллов А и В.
Путь кристаллизации расплава а2. Он аналогичен пути кристаллизации расплава а, с той лишь разницей, что в температурном интервале tb2–tE из расплава выделяются кристаллы В. Полученные материалы имеют заэвтектическую структуру: крупные кристаллы В в тонкодисперсной смеси А+В.
Диаграмма состояния показывает не только последовательность выделения кристаллических фаз и изменение состава жидкой фазы в процессе охлаждения и нагрева, но и количественное соотношение между твердой и жидкой фазами для любой температуры tх в интервале плавления.
Правило рычага (правило отрезков). Оно позволяет определить массовое соотношение фаз, находящихся в равновесии при данной температуре. Химический состав равновесных фаз обусловлен коннодой, т. е. изотермой, ограниченной точками ее пересечения с линиями ликвидуса, солидуса, вертикалями исходных компонентов или химических соединений, ближайших к вертикали состава заданного расплава. Длины отрезков от точки пересечения конноды с вертикалью состава до точек, отвечающих составам равновесных фаз, соответствуют их массовому содержанию.
Отношение количества остаточной жидкой фазы mж.ф к количеству кристаллов, присутствующих в изучаемом расплаве mкрист при произвольно заданной температуре tb1 (см. рис. 7), равняется отношению отрезка tb1–g к отрезку g–b1:
(15.1)
Это же правило позволяет определить соотношение масс крупных кристаллов и тонкодисперсной эвтектической смеси, так как последняя образуется из остатков жидкой фазы эвтектического состава, содержание которой соответствует длине отрезка tE–c (см. рис. 7):
(15.2)