Правило фаз

Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их пре­вращениях, а также для описания строения сплавов в металловеде­нии используют понятия: система, компонент, фаза.

ПОД МАТЕРИАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ вообще по­нимают часть пространства, заполненную веществом, которую выде­ляют для какого-либо исследования. Остальное окружающее прост­ранство называют внешней средой. В металловедении объектами ис­следования являются физико-механические системы, включающие чис­тые металлы и металлические сплавы, т.е. простые и сложные по химическому составу вещества, которые при изменении температуры и давления могут претерпевать различные превращения, например, плавление, переход из одной кристаллической формы в другую и т.д. Физико-химической называют ту систему, между отдельными частями которой возможен обмен энергией и веществом. Системой (физико-химической) называют совокупность бесконечно большого числа сплавов, которые можно получить при сплавлении двух и большего числа металлов и неметаллов. Т.е. система - это или отдельный металлический сплав (заданного состава), или совокуп­ность бесконечно большого числа сплавов, образованных данными металлами (и неметаллами). В системе железо - углерод - вся со­вокупность возможных сталей и чугунов.

ВЕЩЕСТВА, образующие систему, называются КОМПОНЕНТАМИ. Компонентами могут быть чистые элементы, как металлы, так и неметаллы (например, железо и углерод), а также устойчивые химические соединения (например, карбид железа - цементит).

Физико-химические системы могут состоять из одной фазы (гомогенные системы) или из нескольких фаз (гетерогенные системы). ФАЗАМИ называют однородные по химическому составу, агре­гатному состоянию и строению составные части сплава, отделенные поверхностью раздела от других частей, имеющих иной химический состав, агрегатное состояние или кристаллическую структуру. Фа­зами могут быть чистые металлы и неметаллы, возможные их алло­тропические модификации, химические соединения, жидкие и твердые растворы.

Любая гомогенная система всегда однофазна, и ее химический состав идентичен составу фазы. Всякая же гетерогенная система всегда многофазна, но не обязательно, чтобы все ее фазы имели разный химический состав. Например, расплав и кристаллы (т.е. жидкая и твердая фазы) чистого металла представляют собой две фазы одного химического состава. Химический состав каждой фазы в металлическом сплаве можно выразить через концентрацию компо­нентов.

В металлических системах внешними факторами, влияющими на состояние системы, являются температура и давление. Внутренним переменным фактором является концентрация. Если система находит­ся в равновесии, то все внутренние (концентрация) и внешние (температура и давление) факторы системы уравновешены, и в ней все процессы превращения совершаются обратимо. Таким образом, равновесие означает, что при данных внешних условиях в металли­ческих сплавах сохраняются неизменными число и состав фаз.

Равновесное состояние системы подчиняется ПРАВИЛУ ФАЗ ГИББСА и выражается уравнением:

С=К-Ф+П

где С - число степеней свободы - вариантность системы, под кото­рой понимается число внешних и внутренних факторов (t - температура,  - давление, с - концентрация), ко­торые можно изменять без изменения числа фаз в системе;

К - число компонентов, образующих систему;

Ф - число фаз, находящихся в равновесии; в двойной (бинарной) системе находиться в равновесии могут максимум три фазы; в тройной –четыре и т.д.;

П - число внешних факторов равновесия, к которым относятся  - давление и t - температура.

Если П= 2, тогда правило фаз имеет следующий" вид:

С = К-Ф+2

Обычно сплавы рассматриваются при постоянном давлении, поэтому практически пользуются следующим уравнением правила фаз:

С = К-Ф+I.

Например, рассмотрим кристаллизацию однокомпонентного жид­кого металла.

1) Вначале металл жидкий, однородный (гомогенный): число компонентов К = I, число фаз Ф=1. Степень свободы С=К-Ф+1=1-1+1=1. Это значит, что можно изменять температуру, агрегатное состояние не изменится.

2) Началась кристаллизация: число компонентов К=1, число фаз Ф = 2 (жидкость и кристаллы твердого компонента). Степень сво­боды С = К-Ф+1=1-2+1=0. Это значит, что две фазы (жидкая и твердая) находятся в равновесии при строго определен­ной температуре (плавления или кристаллизации и она не может быть изменена до тех пор, пока вся жидкость не превратится в кристаллическое вещество, т.е. пока система не станет одновариантной.

Система, в которой степень свободы С = 0, называется безва­риантной (нонвариантной); С = 1 - одновариантной (моновариантной); С = 2 - двухвариантной (бивариантной) и т.д.

Правило фаз представляет собой математическое выражение ус­ловия равновесия системы, и с его помощью можно устанавливать отклонения (по числу фаз) в структуре сплавов от равновесных ус­ловии, описываемых диаграммой состояния. Правило фаз дает возмож­ность контролировать правильность экспериментального построения диаграмм состояния и устранять возможные ошибки в изображении фазовых равновесий.

ФИГ ЗНАЕТ, НАДО ИЛИ НЕТ