Правило фаз. Закон Гиббса

Равновесное фазовое состояние сплава при атмосферном дав­лении определяется температурой (внешним фактором) и концентра­цией (внутренним фактором системы).

Степень свободы системы - С - показывает число внешних и внутренних факторов - В, которые можно изменить без нарушения числа фаз, находящихся в равновесии. В общем случае число сте­пеней свободы зависит от числа компонентов - К, числа фаз - Ф и определяется выражением: С = К - Ф + В. Для каждого конкрет­ного сплава внутренний фактор - число компонентов К - величина постоянная, т.е. этот фактор в уравнении не учитывается. Остает­ся лишь внешний изменяющийся фактор - температура. Поэтому в данном случае В = I и уравнение приобретает вид С = К - Ф + I.

Для чистых компонентов А и В (см.рис. I) степень свободы при температуре кристаллизации равна нулю С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 = 0, и процесс кристаллизации должен проходить обя­зательно при постоянной температуре (горизонтальные площадки I - 2 и 9 - 10). Это нонвариантная система.

В сплаве II в интервале температур 5-6 будут присутствовать две фазы (жидкая и твердый раствор ). Число степеней свободы С = К - Ф + 1 = 2 - 2 + 1 = 1. Это моновариантная сис­тема, т.е. кристаллизация сплава идет не при постоянной темпера­туре, а в условиях непрерывного охлаждения в интервале темпера­тур. На термограмме в точках 5 и 6 наблюдается перегиб кривой, а горизонтальная площадка отсутствует.

Правило отрезков для двухфазной области

Во - первых - это правило позволяет определить концентрации (химический состав) фаз исследуемого сплава при заданной темпе­ратуре. Для этого необходимо провести коноду (изотерму) до пе­ресечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфаз­ную область. Проекции точек пересечения на ось концентраций (ось абсцисс) показывают концентрацию фаз.

Например, для сплава II при температуре проведем коноду (см. рис, I). Точки пересечения конода обозначим .

Проекция точки а (т. ) покажет концентрацию жидкой фазы, т.е. в жидкости количество компонента В будет определяться от­резком А , компонента А - отрезком .

Проекция точки С (т. ) покажет концентрацию твердого раст­вора , т.е. в - твердом растворе содержится компонент В (отрезок АС’) и компонент А (отрезок C’В). Значит твердая фаза будет более богата компонентом В, чем жидкость. Та­кое распределение компонентов в фазах объясняется ах разной тем­пературой плавления. Компонент А будучи более легкоплавким, чем компонент В, сохранится в большем количестве в жидкости и в меньшем количестве войдет в кристаллы твердом раствора . Таким образом, в процессе кристаллизации сплава концентрация твердого раствора будет изменяться но лиши солидус, а кон­центрация жидкой фазы по линии ликвидус. Значит, состав кристал­лов будет при кристаллизации изменяться в сторону уменьшения со­держания более тугоплавкого металла. Химическая неоднородность по объему кристаллов носит название внутрикристаллитной ила дендритной ликвации. Она может быть устранена последующим нагре­вом сплава и его выдержкой при температуре, близкой к линии солидус. Заметим, что - сплавы всегда однофазны.

Это правило позволяет также определить количество (массу) фаз отношением противоположного отрезка ко всему отрезку - коноде. Так, если для сплава II (см. рис. I) отрезок (в милли­метрах) принять за общее количество – 100% ( ), то количество фаз в сплаве будет определяться соотношениями:

Таким образом, количество жидкой фазы пропорциональ­но отрезку bc, прилегающему к линии солидус, а количество твердой фазы – отрезку ab, прилегающему к линии ликвидус.