Двухкомпонентные системы

Рассмотрим систему из двух веществ А и В (К=2), температуры кристаллизации (плавления) которых t_А и t_В. Если не происходит переохлаждения, то для чистого вещества А кривая охлаждения (кривая А рис. 1.2) имеет горизонтальную площадку при температуре t_А.

D

F

Рис. 1.2 Кривые охлаждения (а) и диаграмма плавкости и треугольник Таммана (б) двухкомпонентной системы.

Для смеси А и В состава x₁ температура начала кристаллизации вещества А t₁ ниже температуры t_a. На кривой охлаждения (рис. 1.2) системы состава x₁ началу кристаллизации вещества А соответствует излом при температуре t₁. В процессе кристаллизации компонента А его концентрация в жидкости уменьшается, а концентрация В увеличивается, что и приводит к постепенному понижению температуры кристаллизации А вплоть до t_э. По правилу фаз в ходе кристаллизации вещества А из раствора система, содержащая 2 компонентп и 2 фазы, имеет одну степень свободы (С=2-2+1=1), поэтому температура кристаллизации изменяется. Снижение скорости охлаждения системы при температурах ниже t₁ связано с выделением в системе теплоты кристаллизации. При температуре t_э жидкий раствор становится насыщенным в отношении вещества В, которое при этих условиях также начинает кристаллизоваться. Система становится трехфазной (жидкость, кристаллы и кристаллы В), и число ее степеней свободы равно нулю (С=2-3+1=0). Таким образом, одновременная кристаллизация А и В из раствора происходит при постоянных температуре (t_э) и составе жидкого раствора (x_э).Эта температура называется эвтектической. На кривой охлаждения 1(рис.1.2) процессу одновременной кристаллизации А и В соответствует площадка при t_э. Расплав, из которого одновременно выпадают кристаллы А и В, называется эвтектическим расплавом, образующаяся при этом смесь мелких кристаллов двух веществ называется эвтектикой. Ниже t_э, система содержит две фазы (кристаллы А и кристаллы B) и число степеней свободы равно 1 (C=2-2+1=1).

Для смеси состава x₂ (кривая 2 (рис. 1.2)), содержащей больше веществ В, чем смесь x₁, кристаллизация А начинается, в соответствии со сказанным ранее, при более низкой температуре t₂. Когда выпадение кристаллов А приведёт к такой концентрации вещества В, что оно также начнёт кристаллизоваться, то температура одновременной кристаллизации A и В будет такой же, как и для смеси 1. Если же взять смесь x_э, состав которой позволяет веществам А и В кристаллизоваться одновременно без предварительного выпадения кристаллов А или кристаллов В, то кривая охлаждения будет изображаться как кривая 3(охлаждение расплава эвтектического состава). Для смеси x₄, содержащей избыток вещества В по сравнению с концентрацией x_э, кривая охлаждения подобна кривой 2, но сначала выпадают кристаллы В, и только при достижении состава раствора, допускающего одновременную кристаллизацию А и В, наблюдается горизонтальная площадка при температуре t_э.

Чем ближе по составу расплав к эвтектике, тем длиннее горизонтальные участки на кривых охлаждения, так как масса эвтектики увеличивается.

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы в координатах температура-состав (рис. 1.2,б) строится на основании кривых охлаждения и называется диаграммой плавкости. Например, для чистого вещества А (левая ось ординат диаграммы плавкости) температура кристаллизации t_А, для смеси x₁, содержащей 20% вещества В, кристаллизация начинается при температуре t₁, что на диаграмме соответствует точке 1. Для смесей x₂, x_Э и x₄ начало кристаллизации показано точками 2, 3 и 4. Следовательно, область диаграммы над линией t_А3 и t_B3 соответствует жидкому состоянию системы. Такие линии называют линиями ликвидуса от латинского слова liquidus (жидкость), и область диаграммы над ней обозначают буквой L. Твёрдое тело по латыни называется solidus, поэтому существование твердой фазы в области диаграммы обозначают буквой S.

Области диаграммы между кривой t_a3,t_b3 и прямой t_ЭD отвечают двухфазным (гетерогенным) состояниям системы, так как в ней при этих условиях присутствуют жидкость и кристаллы веществ А или В. Как видно из диаграммы(рис. 1.2.б) есть две области L + S: в левой - жидкая фаза находится в равновесии с кристаллами вещества A (L + S_А), а в правой - с кристаллами вещества В (L + S_В). Область диаграммы под прямой t_ЭD соответствует двум твёрдым фазам и обозначается как (S_А + S_В), потому что система в данном случае состоит из смеси кристаллов А и В. Система из трех фаз может существовать только при температуре t_Э ( линия t_ЭD).

Если на диаграмме отложить по вертикали вниз отрезки, пропорциональные или равные длинам горизонтальных участков(площадок) от оси состава для всех исследованных смесей, и соединить их концы, то можно получить треугольник Таммана (∆ABF). Причем максимальную эвтектическую площадку имеет смесь эвтектического состава. Этот треугольник позволяет экстраполяцией определить эвтектический состав, если он не попал в составы исследуемых смесей.

Таким образом, получив из опыта кривые охлаждения ряда смесей с известным соотношением двух данных компонентов, можно построить диаграмму плавкости.