Правило фаз

Перед тим як розглядати діаграми стану, необхідно уточнити деякі терміни і поняття, використовувані в курсі «Металознавство».

Система — це сукупність нескінченно великого числа сплавів, утворених даними металами (і неметалами).

У металознавстві вивчають сплави, у которые входить кілька елементів. Тому, коли говорять «система Сu-Zn» чи «система Fе-Nі», це означає, що розглядають сплави, що складаються з цих елементів. У системі Fе-Fі₃С вивчають взаимоотношение між Ре і хімічною сполукою Fе₃С.

Фаза. Фазою називається однорідна частина системи. У складних системах, що складаються з декількох фаз, існують поверхні розділу між фазами. У сплавах фазами можуть бити чисті метали, рідкі чи тверді розчини, хімічні сполуки. Фази відрізняються одна від іншої по агрегатному стані (рідкий алюміній і твердий алюміній — дві різні фази), хімічному складу, тобто концентрації компонентів у кожній фазі, типу кристалічних ґрат (залізо з ґратами о. ц.к. і м. ц.к. — теж дві різні фази). Число співіснуючих фаз позначають буквою Ф.

Компонент. Компонентами називають речовини, що утворять систему. Компонентами можуть бити чисті метали (елементи) чи стійкі хімічні сполуки. У металознавстві під компонентами звичайно розуміють елементи (метали і неметали), що утворять сплав. Отже, чисті метали представляють однокомпонентні системи, сплави з двох елементів — двухкомпонентные системи і т.д. Число компонентів позначають буквою К.

Число ступенів волі. Ступінь волі визначається числом незалежних перемінних (наприклад, температура, концентрація сплаву, тиск), яких можна змінювати у визначених межах, не порушуючи рівноваги. Рівноважним називається стан сплаву, що не змінюється в часі. При рівновазі зберігається число співіснуючих фаз. Якщо при цьому умові можна змінювати тільки температуру (одне перемінна), то число ступенів волі дорівнює одиниці; якщо і температура, і склад фази повинні бути постійними, то число ступенів волі дорівнює нулю. Число ступенів волі позначають буквою С.

Закономірності всіх змін системи в залежності від внутрішніх і зовнішніх умов підкоряються правилу фаз.

Правило фаз установлює можливе число фаз і умови, при яких вони можуть існувати в даній системі, т.є.в сплаві з даного числа компонентів. Правило фаз виражає залежність між кількістю фаз, числом компонентів і числом ступенів волі системи:

С = К + В — Ф, (22)

де 3-число ступенів волі; До-число компонентів;

Ф — число фаз: У — зовнішні перемінні фактори(температура, тиск).

Якщо прийняти тиск постійним, що припустимо при розгляді металевих систем (В= 1), тобто якщо з зовнішніх перемінних факторів враховувати только температуру, то

С = К + 1 — Ф. (23)

Цією формулою ми будемо користатися при подальшому викладі курсу.

Розглянемо можливі випадки рівноваги для однокомпонентних систем.

Якщо у однокомпонентній системі (наприклад, у чистому металі) мається одна фаза (рідкий чи щоМ закристаллизовались, тобто тверд метал), то К= 1 і Ф = 1

Отже,

С=1 + 1 — 1 = 1, (24)

т. е. мається один ступінь волі. Це значить, що можна чи нагріти остудити метал у визначеному інтервалі температур, зберігаючи його однофазним (рідким чи повторюємо). Це положення відоме, тому що метал можна прохолоджувати в рідкому виді (від температури затвердіння), зберігаючи в ньому однофазний стан.

Якщо в момент чи плавлення затвердіння в однокомпонентній системі маються дві фази (наприклад, рідкий і твердий метал), то К = 1, Ф = 2, отже,

С = 1 + 1 — 2 = 0, (25)

т.е. не мається ні одного ступеня волі. Така рівновага можлива лише при постійній температурі. Отже, температура плавлення і температура затвердіння однокомпонентних систем, наприклад чистих металів, завжди постійні і поки не зникне одна фаза (розплавиться тверда частина при чи нагріванні затвердіє рідка частина при охолодженні), температура залишається незмінної.

Таким чином, затвердіння чистих металів відбувається при постійній температурі і на кривій охолодження (чи нагрівання) цій температурі відповідає площадка (див. криву охолодження заліза на мал. 26).

Однак для двухкомпонентной системи затвердіння сплаву буде відбуватися при інших умовах, тому що К. = 2, Ф = 2, отже, С = 2 + 1 — 2 = 1, тобто мається одна перемінна. Виходить, рівновага між рідкою і твердою фазою при затвердінні зберігається в інтервалі температур (температуру можна змінювати). На кривій охолодження з'являться температури початку і кінця затвердіння. Інтервал температур — це дуже важлива відмінна риса кристалізації сплавів.