Правило фаз

Категория:
Металлы


Правило фаз

Диаграммы состояний являются графиками, линии которых указывают температурные и концентрационные границы существования тех или иных фаз в равновесных сплавах. Линии диаграммы состояний делят ее на области, которым соответствует в двойных системах устойчивое существование одной или двух фаз. При этом фазы, существующие в той или иной области, никогда не повторяются в том же сочетании в какой-либо другой смежной области. Отсюда следует, что переход фигуративной точки из одной области диаграммы в другую при движении по какой-нибудь ординате вверх или вниз, а также по какой-нибудь абсциссе вправо или влево всегда характеризует некоторое фазовое превращение, т. е. появление какой-то новой или исчезновение какой-то до того существовавшей фазы.

На смещение равндвесия системы в том или ином направлении, т. е. протекание тех или иных фазовых превращений в равновесных системах, оказывает влияние изменение внешних и внутренних факторов равновесия. Под внешними факторами обычно понимают температуру и давление, а под внутренними — концентрацию компонентов в фазах.

Учитывая изложенное, можно определить систему, как совокупность фаз, в которой в виде фазовых превращений может осуществляться взаимодействие компонентов, определяемое концентрацией последних в различных фазах, а также внешними факторами равновесия — температурой и давлением.

Оказывается, что в равновесной системе число фаз, могущих существовать совместно, не может быть произвольным и связано строгой зависимостью с числом компонентов системы, числом внешних факторов равновесия (давление и температура) и числом степеней свободы. Эта зависимость носит название

Правило фаз охватывает поведение одно-, двух-, трех- и многокомпонентных систем. Оно позволяет объяснить вид кривых, получаемых при термическом анализе сплавов; с его помощью можно проверить правильность построения тех или иных Диаграмм состояний.

Однокомпонентная металлическая система, например свинец, при охлаждении из жидкого состояния испытывает фазовое превращение, характеризуемое термической кривой abed с температурной остановкой на участке be, в течение которой происходит кристаллизация свинца при постоянной температуре 327°.

Другая однокомпонентная система, например чистое железо, пРи охлаждении из области высоких температур испытывает фазовое превращение в виде аллотропического превращения у-железа в а-железо, состоящего в перестройке пространственной кристаллической решетки. Термическая кривая, характеризующая это превращение, имеет принципиально сходный ИД с кривой кристаллизации свинца.

Правило фаз доказывает, что кристаллизация любого чистого металла из жидкого состояния или аллотропическое превращение чистого металла всегда происходит при постоянной температуре. Чтобы убедиться в этом, достаточно определить число степеней свободы для систем, испытывающих названные превращения.

Рис. 1. Термические кривые охлаждения: а — свинца; б — железа в зоне превращения гамма-альфа

Число компонентов для случая чистого свинца равно единице. Число фаз у кристаллизующегося, но еще не закристаллизовавшегося полностью свинца равно двум: одна фаза — жидкий свинец, другая — твердый свинец. Подставляя число фаз и число компонентов в уравнение правила фаз, можно видеть, что число степеней свободы, или вариантность для этого случая равно нулю, а именно: С = 1 — 2 + 1 = 0.

Система не имеет ни одной степени свободы — она безвариантна или нонвариантна. А это и означает как раз то, что без изменения числа сосуществующих фаз для однокомпонентной системы в процессе кристаллизации нельзя изменять температуру ни в ту, ни в другую сторону: при нагреве выше точки плавления свинца (327°) исчезнет твердая фаза, а при охлаждении ниже этой точки исчезнет жидкая фаза.

Определение по правилу фаз вариантности системы (чистого винца) в точке 1, где имеется одна жидкая фаза, с и в точке 3, где имеется одна твердая фаза, указывает, что система в том и другом случае имеет одну степень свободы (од-новариантная или моновариантная система). Другими словами, не изменяя числа фаз, в этих обоих случаях можно в известных границах изменять температуру.

Рис. 2. Иллюстрация к рассмотрению правила фаз применительно к диаграмме I типа

Рис. 3. Иллюстрация к рассмотрению правила фаз применительно к диаграмме III типа

Те же расуждения применимы и к точкам 1 и 3 на рис. 25,6 Для чистого железа в виде модификаций у и а. си И Рассмотрении диаграмм состояний двухкомпонентных стем, например первого и третьего типов (рис. 26 и 27), пра-ло фаз позволяет определить число степеней свободы системы, Рактеризуемой фигуративной точкой в любой из областей диа-

Отсюда следует, что для любой диаграммы состояний двух-компонентной системы все однофазные сплавы имеют две степени свободы, двухфазные — одну, а трехфазные — ни одной.

Рассмотрим, например, сплавы, относящиеся к диаграмме состояний I типа, при различном числе фаз.

Для области выше линии ликвидус АЕВ характерно состояние однофазного жидкого раствора. Такой жидкий раствор имеет две степени свободы. Другими словами, не меняя числа фаз, можно в известных пределах менять, во-первых, температуру жидкого раствора, а во-вторых, его концентрацию, что достигается путем добавления компонента А или В.

Между линией ликвидус АЕ и эвтектической горизонталью СЕ (точка 2) сплав состоит из двух фаз: твердой в виде чистого компонента А и жидкой в виде раствора В и А состава, отвечающего точке Ь. Такой двухфазный сплав имеет только одну степень свободы. Действительно, в этом случае можно независимо менять только один фактор равновесия по выбору: или температуру, или концентрацию фаз. Для начала примем за степень свободы возможность изменять температуру.

Не меняя числа фаз, температуру можно варьировать в пределах от ликвидуса до солидуса. Но если температура выбрана (например, точка 2), то концентрация (состав) фаз, находящихся в равновесии друг с другом при этой температуре, теперь полностью зависит от нее и определяется по правилу отрезков (точки а и Ь).

Из изложенного следует важный вывод, что в отличие от однокомпонентной системы, где чистый компонент кристаллизуется при постоянной температуре (безвариантная система), в двух-компонентной системе в случае диаграммы первого типа чистый компонент кристаллизуется в интервале температур от ликвидуса до эвтектической горизонтали (одновариантная система). Вполне понятно поэтому, что и кривая охлаждения в температурной точке, соответствующей началу кристаллизации чистого компонента, не дает остановки, а лишь испытывает перелом, т. е. начинает идти более полого, что свидетельствует о замедлении охлаждения вследствие выделения теплоты кристал-изации свинцом, постепенно выпадающим из жидкого раствора в указанном температурном интервале.

Если принять за степень свободы концентрации находящихся в равновесии фаз (в данном случае придется назначить состав жидкой фазы, так как состав твердой фазы, выделяющейся в процессе кристаллизации, один и тот же), то температура окажется в соответствии с правилом отрезков зависимой от выбранного состава фаз.

Сплав, охлажденный до точки 3, перед началом кристаллизации эвтектики содержит две фазы: твердую — избыточный компонент А и жидкую — раствор эвтектической концентрации, фазовое превращение при температуре эвтектической горизонтали (точка 3) состоит в кристаллизации жидкого эвтектического раствора с образованием двухфазной механической смеси кристаллов компонентов А и В, называемой эвтектикой. Кристаллы избыточного компонента А и кристаллы компонента А в эвтектике составляют одну (твердую) фазу, кристаллы компонента В — вторую (твердую) фазу, а кристаллизующийся, но еще не закристаллизовавшийся жидкий раствор эвтектической концентрации — третью (жидкую) фазу. Таким образом, в процессе кристаллизации любого двухкомпонентного сплава при эвтектической температуре всегда имеется три фазы. Следовательно, система в точке 3 безвариантна: не меняя числа сосуществующих фаз, нельзя изменить ни температуры, ни концентрации фаз.

Отсюда следует другой важный вывод: правило фаз объясняет и доказывает неизбежность кристаллизации жидкого раствора эвтектической концентрации при постоянной температуре, одинаковой для всех доэвтектических и заэвтектических сплавов.

По окончании кристаллизации эвтектики сплав переходит в двухфазное состояние и приобретает одну степень свободы, т. е. в точке 4 система моновариантна.

Приложение правила фаз к диаграмме III типа показывает, что сплав в точке 1 (однофазный жидкий раствор) имеет две степени свободы. Между линиями ликвидус и солидус (точка 2) сплав находится в двухфазном состоянии (жидкий раствор + твердый раствор) и обладает одной степенью свободы. К нему приложимы все основные рассуждения, приведенные для точки 2 на диаграмме I типа. Разница состоит в том, что из жидкого раствора при кристаллизации выделяется не чистый компонент А, а твердый раствор компонента В в компоненте А состава, определяемого точкой п. Соответствующий Жидкий раствор имеет концентрацию т.

Кристаллизация твердого раствора из жидкого протекает не Ри постоянной температуре, а в интервале температур и вызы-ает перелом, но не остановку на термической кривой.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум