2. Расчет кривых ликвидуса
2.1 Понятие о диаграммах состояния. Принципы Курнакова
Диаграммой фазового равновесия (диаграмма состояния) называется графическое изображение соотношений между параметрами состояния.
Фигуративная точка - каждая точка на диаграмме состояния, которая определяет численные значения параметров, характеризующих данное состояние системы.
Используя диаграмму состояния можно установить:
Виды фазовых превращений в системе при повышении или понижении температуры и изменений концентрации компонентов;
Температуры начала и окончания процессов плавления и кристаллизации (температура солидуса и ликвидуса) для смеси любого химического состава;
Количество возможных химических соединений между компонентами системы и условия их существования;
Температуры и количества полиморфных превращений;
Количество сосуществующих фаз в системе при различных температурах и составах смеси;
Последовательность кристаллизационных процессов при охлаждении расплавленных смесей;
Количественное соотношение между фазами при различных температурах в процессе нагревания и охлаждения.
В двухкомпонентной системе в твердом виде могут образоваться три вида фаз.
Началу кристаллизации при охлаждении расплава соответствует линия ликвидуса. Выше линии ликвидуса располагается область существования только жидкой (или двух жидких) фазы и полностью отсутствует твердая фаза. Конец процессов кристаллизации определяется линией солидуса, ниже которой существуют только твердые фазы, и отсутствует жидкая фаза.
Диаграммы состояния имеют исключительно важное значение для многих областей промышленности. Они позволяют решать целый ряд сложных и важных практических и теоретических проблем, связанных с получением различных веществ. По диаграмме состояния системы можно без проведения сложных экспериментальных исследований ответить на все вопросы, касающиеся состава фаз и поведения материалов в этой системе при изменении внешних условий.
При практическом использовании диаграмм состояния учитывают особенности силикатных систем, которые приводят к отклонениям от равновесных состояний. В силикатных системах вследствие высокой вязкости расплавов и малой скорости диффузионных процессов истинное равновесие устанавливается с большим трудом. Это способствует сохранению различного рода неравновесных состояний, переохлаждению расплавов, возникновению стеклообразного состояния. Наиболее отчетливо неравновесные состояния проявляются при охлаждении, осуществляемом со сравнительно высокой скоростью. Возможность фиксации неравновесных состояний при резком охлаждении используется как положительный фактор в производстве стеклоизделий, материалов, содержащих стекловидную фазу, и др.
В температурной области появления жидкой фазы отклонения от равновесного состояния силикатных смесей невелики и практически высокотемпературные процессы близки к равновесным, определяемым из диаграммы состояния соответствующей системы. Это позволяет широко применять диаграммы состояния в практических целях.
Изучение многокомпонентных гетерогенных систем проводят с помощью физико-химического анализа, который основан на установлении зависимости между физическими свойствами (тепловыми, электрическими, оптическими и др.) равновесной химической системы и ее химическим составом. На основании результатов изучения физических свойств равновесной системы строят диаграммы состояния в координатах «состав – свойство». По геометрическим особенностям диаграмм, совокупности линий на них, поверхностей и т.д. можно судить о характере взаимодействия компонентов, о наличии химических соединений, о числе, границах устойчивости, условиях существования различных фаз в системе.
В основе исследования диаграмм состояния лежат принципы непрерывности и соответствия, сформулированные одним из создателей физико-химического анализа - академиком Н.С. Курнаковым.
Принцип непрерывности устанавливает, что при непрерывном изменении параметров, определяющих состояние системы, свойства отдельных фаз её изменяются непрерывно. Свойства всей системы изменяются непрерывно до тех пор, пока не изменится число или характер её фаз. При появлении новых или исчезновении имевшихся фаз свойства системы в целом меняются скачком.
Принцип соответствия гласит: каждой совокупности фаз, находящихся в равновесии в данной систем, отвечает на диаграмме определенный геометрический образ. Например, каждой твердой фазе на плоской диаграмме соответствует своя кривая температур начала кристаллизации [4].