3.2 Правило фаз Гібса.

Нонваріантні перетворення, при яких склади фаз і температура залишаються постійними, оскільки число ступенів системи за правилом фаз Гібса дорівнює нулю, тут неможливі.

С = К - Ф + 1

Як що Ф=3, С=2-3+1=0; Ф=2, С=2-2+1=1; Ф=1, С=2-1+1=2

3.3 Розгляд усіх типів діаграм.

Для певної кількості подвійних металевих систем взаємна розчинність компонентів у твердому стані настільки мала, що нею можна знехтувати. У цьому випадку діаграма стану має вигляд як на рис. 4,б. Тут лінія ліквідусу складається з двох ділянок СЕ та ЕD, кожна з яких показує граничну насиченість рідкого розчину відповідним компонентом і визначає, отже, початок його кристалізації. Рідина ж складу їх спільної точки Е граничне насичена обома компонентами відразу, внаслідок чого вони кристалізуються водночас і сумісно:

Р_Е → (А + В)

Таке перетворення називається евтектичним, воно відбувається у нонваріантних умовах (с=0). Суміш кристалів двох твердих фаз, що утворюється при цьому, називається евтектикою.

Евтектична точка Е ділить усі сплави цієї системи на три групи. Першу з них становлять доевтектичні сплави, розташовані на діаграмі ліворуч від точки Е. Їхня кристалізація починається з утворення первинних кристалів компонента А. Склад рідини при цьому змінюється уздовж лінії ліквідусу СЕ до точки Е, після чого в усіх доевтектичних сплавах відбувається евтектичне перетворення рідини, що залишилася. Отже, остаточна структура їх складається з кристалів компонента А та ділянок евтектики (А+В).

Друга група представлена єдиним евтектичним сплавом, в якому уся рідина у точці Е кристалізується з утворенням евтектики (А+В). Нарешті, заевтектичними називаються сплави, розташовані праворуч від точки Е. На першому етапі їх кристалізації утворюються первинні кристали компонента В (область DEG діаграми), на другому знов-таки та сама евтектика (А+В).

Необмежена взаємна розчинність компонентів у твердому стані, а також її повна відсутність зустрічаються порівняно рідко. У переважної більшості подвійних систем компоненти розчиняються один в одному обмежено. У цьому випадку діаграма стану може мати вигляд, показаний на рис. 2,в. Порівняння його з попереднім (рис. 2,б) показує, що ліквідус при переході від системи з відсутністю розчинності компонентів у твердому стані до системи з обмеженою їх розчинністю не змінюється.

Рис. 2. Діаграми стану подвійних систем

Оскільки на базі компонентів утворюються тверді розчини ( та – фази відповідно) зі своїми областями гомогенності, кількість однофазних областей діаграми зростає до трьох. Це призводить до ускладнення лінії солідусу, яка тепер складається з трьох ділянок: похилих кривих СF і DG кінця кристалізації ( - та β-фаз і горизонтальної прямої FЕG, де утворюється евтектика:

Р_Е → (_F + _G)

Області гомогенності твердих розчинів обмежені лініями сольвусу FН та GІ. Звичайно взаємна розчинність компонентів у твердому стані зменшується зі зниженням температури, як це і показано на рис. 2,в. Тому нижче цих ліній ( - і β- твердих розчинів, що стали пересиченими, виділяються вторинні кристали іншої фази. Отже, остаточними структурами сплавів цієї системи будуть:

- в інтервалі концентрацій А-Н кристали -фази;

- в інтервалі Н-F первинні кристали -фази та вторинні - β-твердого розчину у вигляді тонких прошарків по межах перших;

- в інтервалі F-Е (доевтектичні сплави) первинні кристали  і евтектика;

- для евтектичного сплаву Е евтектика ( + β );

- в інтервалі Е-G (заевтектичні сплави) первинні кристали β i евтектика;

- в інтервалі концентрацій G-І первинні кристали β - та прошарки вторинних кристалів  - фази;

- в інтервалі І-В кристали β - твердого розчину.

Крім евтектичного, в системах з обмеженою взаємною розчинністю компонентів у твердому стані може відбуватися інше нонваріантне перетворення перитектичне. У цьому випадку рідкий розчин і кристали, які до цього утворилися з нього, взаємодіють між собою з утворенням нової твердої фази (рис.4,г). Тут ліквідусом є лінія СРD, солідусом СКМD, лініями сольвусу КL і МН. Система має, як і у попередньому випадку, 3 однофазні області гомогенності рідкого, - та β –твердих розчинів. На лінії КМР відбувається перитектичне перетворення, але структурної складової перитектика не існує.

Р_р + _К → _m

Остаточна структура сплавів цієї системи:

- в інтервалі концентрацій А-L кристали  - фази;

- в інтервалі L-К до них додаються прошарки вторинних кристалів β - твердого розчину;

- в інтервалі К-М зерна  - фази, що утворилися з рідини і вціліли при перитектичному перетворенні;

- в інтервалі М-N кристали β - твердого розчину з прошарками лінії FLG і називається синтектичним перетворенням, в результаті чого утворюється нестійка хімічна сполука:

P_F + P_G → x.c._L

В обох системах відбуваються також евтектичні перетворення (лінії FEG на рис. 2, е та DE1N i ME2I на рис. 2, ж).

При наявності обмеженої розчинності компонентів у рідкому стані в системі може відбуватися ще одне нонваріантне перетворення монотектичне, коли з обмеженого рідкого розчину певної концентрації утворюються, інший рідкий розчин та тверда фаза (лінія DFH діаграми, зображеної на рис. 2,з):

P_F → P_D + B

На цьому рисунку, як і раніше, зображена система з відсутністю взаємної розчинності компонентів у твердому стані. У ній відбувається також евтектичне перетворення (лінія LЕN діаграми).

Дуже рідко, але все ж зустрічаються подвійні системи, компоненти яких зовсім не розчиняються один в одному у рідкому стані. Оскільки у цьому випадку обов'язково відсутня і взаємна розчинність компонентів у твердому стані, діаграма має найпростіший вигляд (рис. 2, й) і складається з двох горизонтальних ліній. Вище верхньої з них ліквідусу СD існують два рідких компоненти РА та РВ у вигляді емульсії. Якщо на вказаній лінії відбувається кристалізація, наприклад, компонента А, нижче неї співіснують його кристали та рідкий компонент В. Останній закристалізується на нижній лінії діаграми FG. Отже, нижче цієї лінії структура будь-якого сплаву складається з кристалів обох компонентів.

Якщо у компонентах системи відбуваються поліморфні перетворення, діаграма стану суттєво ускладнюється. Важливе значення тепер має взаємодія поліморфних модифікацій компонентів між собою, що призводить до збільшення числа можливих варіантів діаграм. Характер же цієї взаємодії значною мірою визначається ізоморфністю решіток однією з умов утворення необмежених твердих розчинів. Так, якщо високотемпературні модифікації компонентів А_β та В_β ізоморфні одна одній, вони утворюють необмежений твердий розчин / (рис.2,і) як неізоморфні низькотемпературні модифікації А та В дають лише обмежені тверді розчини  і  на основі кожної з них. На діаграмі такої системи слід звернути увагу на такі її елементи, які раніше не зустрічалися. Перш за все, це точки поліморфних перетворень у компоненті А (точка К діаграми) та у компоненті В (точка L). Парні лінії, що виходять з цих точок КЕ і КМ та LЕ і вторинної - фази; в інтервалі N-В однофазна структура β - твердого розчину.

Аналогом перитектичного є так зване перитектоідне перетворення, у якому беруть участь лише тверді фази. Наприклад, у системі, показаній на рис.2,д, воно відбувається на лінії НІК за схемою:

_H + _K → _I

Отже, два твердих розчини -  та  - у взаємодії між собою утворюють нову тверду фазу проміжного складу , яка є твердим розчином на основі хімічної сполуки. Інші лінії й області цієї діаграми додаткових коментарів не потребують.

У металевих системах часто утворюють хімічні сполуки та проміжні фази. Якщо при цьому склади рідкого розчину та хімічної сполуки збігаються, вона називається стійкою, або сполукою з конгруентним плавленням. На діаграмі стану (рис. 2, е) їй відповідає відкритий максимум точка дистектики D. Сама хімічна сполука виступає у ролі додаткового, третього компонента системи, що дозволяє поділити систему А - В на дві підсистеми і кожну з них аналізувати окремо, незалежно від іншої. Якщо при цьому тверді розчини не утворюються ні на основі компонентів, ні на базі хімічної сполуки, діаграма виглядає саме так, як на рис. 2,е. У кожній підсистемі є власна евтектика, до складу якої входять кристали одного з компонентів та хімічної сполуки: (А + х. с. ), (х. с. + В).

Якщо при утворенні хімічної сполуки її склад не збігається зі складом рідкого розчину, вона називається нестійкою, або сполукою з інконгруентним плавленням. Такі сполуки утворюються в результаті нонваріантних перетворень уже розглянутого вище перитектичного (рис. 2,є) або так званого синтектичного (рис. 2, ж). В обох випадках точка дистектики відсутня, а максимум на лінії ліквідусу не відкритий, а захований. Відсутня і розчинність у твердому стані.

Не зупиняючись на докладному аналізі системи з перитектикою (рис. 2,є), розглянемо ту, де нестійка хімічна сполука утворюється при синтектичному перетворенні (рис. 2, ж). Передумовою цього є обмежена взаємна розчинність компонентів у рідкому стані, яка призводить до розшарування однорідного рідкого розчину на два по лінії FKG так званій бінодалі. При цьому розчин Рх збагачений компонентом А, а інший Ру компонентом В. Саме їх взаємодія на LN - є лініями початку та кінця поліморфних перетворень у компонентах і називаються лініями трансусу. Нарешті, на лінії МЕN відбувається ще одне перетворення, яке раніш не зустрічалося. Це перетворення аналогічне евтектичному, але вихідною фазою є  -твердий розчин, з якого утворюється суміш двох інших твердих фаз  -  та :

_E → (_M + _N)

Таке перетворення називається евтектоїдним. Реальні діаграми стану подвійних систем, як правило, більш складні і є комбінаціями декількох розглянутих діаграм.