20.3. Система с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Рассмотрим систему А — В, в которой оба металла А и В имеют одну и ту же кристаллическую структуру и образуют между собой непрерывные ряды жидких и твердых растворов (промежуточные фазы отсутствуют). При температуре Т₁, когда все сплавы этой системы находятся в жидком состоянии, кривые зависимости свободной энергии Гиббса жидких и твердыхрастворов от составах можно представить, как показано на рис. 20.1. При любом составе свободная энергия минимальна в том случае, если система находится в жидком состоянии. Если теперь понизить температуру, то кривые свободной энергии переместятся относительно друг друга таким образом, что разница в свободных энергиях жидких и твердых растворов любого состава уменьшится. В конце концов, обе кривые свободной энергии коснутся друг друга. Касание кривых сначала произойдет в точке на ординате компонента А. В этой точке твердая фаза, состоящая из кристаллов компонента А, и жидкий компонент А будут иметь одну и ту же свободную энергию, т.е. она является температурой плавления компонента А.

Рис. 20.1. Кривые свободной Рис. 20.2. Кривые свободной энергии

энергии при температуре T₁ для жидких и твердых растворов в

для жидких и твердых системе с неограниченной

растворов в системе с не- растворимостью компонентов

ограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях.

компонентов в жидком и Показано равновесие жидкой и

твердом состоянии. твердой фаз при температуре Т_i.

Перемещение кривых иотносительно друг друга при понижении температуры приведет к их пересечению; результат такого пересечения при температуреТ₂ показан на рис. 20.2. Сплавы, расположенные между чистым компонентом А и двойным сплавом состава р, имеют самые низкие из возможных значения свободной энергии при этой температуре, если в твердом состоянии они существуют как твердые растворы компонента В в компоненте А. Аналогично сплавы, находящиеся между компонентом В и двойным сплавом q, имеют самые низкие значения свободной энергии, если они существуют как жидкие растворы компонентов А и В. В точке х кривые свободной энергии пересекаются; из этого следует, что любой сплав, расположенный между точками р и q, будет иметь самые низкие из возможных значения свободной энергии, если он существует как смесь твердого раствора состава р и жидкого раствора состава q. Можно сказать, что при температуре T₂ твердая фаза определенного состава (точка р) находится в равновесии с жидкой фазой также определенного состава (точка q). Пока температура остается неизменной, составы равновесных твердой и жидкой фаз также не изменяются. Составы твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом, определяются точками касания общей касательной к обеим кривым свободной энергии, а условие равновесия можно записать в виде

, (20.4)

где G_S и G_L — значения свободных энергий соответственно твердой и жидкой фаз, а х_S и х_L — соответственно составы твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом.

В результате дальнейшего перемещения кривых свободной энергии относительно друг друга, вызываемого понижением температуры, эти кривые сойдутся в одной точке, лежащей на ординате компонента В; как и в случае чистого компонента А, температура, при которой это происходит, отвечает точке кристаллизации или плавления чистого компонента В. В конце концов наступит положение, при котором кривая свободной энергии твердых растворов полностью окажется ниже кривой свободной энергии жидких растворов. Тогда система существует как взаимные твердые растворы компонентов А и В друг в друге. Составы твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом при различных температурах, можно нанести на диаграмму в координатах состав — температура.

Диаграмма состояния, соответствующая рис. 20.1 и 20.2, показана на рис. 20.3. При температурах выше кривой ликвидуса МNО, сплавы различного состава состоят из одной жидкой фазы. При температурах ниже кривой солидуса МРО, все сплавы находятся в твердом состоянии и представ­ляют собой твердые растворы. В интервале температур между кривыми ликвидуса и солидуса, т. е. в области МNОРМ, сплавы состоят из твердой и жидкой фаз.

Рис. 20.3. Равновесная диаграмма состояния, для

непрерывного ряда твердых растворов.

Примерами таких диаграмм состояния являются диаграммы состояния систем Bi-Sb, Ag-Au, Cu-Ni, Ag-Pt, Au-Cu и др.