Диаграмма состояния трехкомпонентной системы, образующей одну эвтектическую смесь

На рисунке представлена диаграмма состояния трехкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и полным отсутствием растворимости в твердом состоянии. Это аналог диаграммы бинарной системы эвтектического типа.

Боковые поверхности объемной диаграммы представляют собой три диаграммы состояния бинарных систем с одной эвтектикой (без граничных твердых растворов). Температуры этих трех эвтектик различны.

Объемная диаграмма состояния трехкомпонентной системы, образующей одну эвтектическую смесь (тройную эвтектику)

Точки, отвечающие началу выделения кристаллов каждого из компонентов А, В и С из тройных расплавов различного состава, образуют соответственно три кривые поверхности Arop, Bpoq и Cqor (поверхности ликвидуса). Если спроектировать границы op, oq и or между этими поверхностями на основание диаграммы, то их проекции o’p’, o’q’ и o’r’ разбивают треугольник Гиббса на три области первичной кристаллизации. Из систем, составы которых отвечают области A’r’o’p’, в первую очередь выделяются кристаллы компонента А, из систем, составы которых отвечают другим областям, выделяются соответственно компоненты В и С.

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, отвечающего фигуративной точке S. Состав расплава не меняется, пока фигуративная точка системы не достигнет точки S’ на поверхности ликвидуса, отвечающей равновесию жидких фаз различного состава с кристаллами А. В момент достижения точки S’ система еще однофазна. При дальнейшем охлаждении она распадается на две фазы – кристаллы А, фигуративная точка которых опускается от точки a’ к вершине A” треугольного основания, и остаточный расплав, фигуративная точка которого перемещается по кривой S’S”, лежащей на поверхности Arop. Расплав при этом обедняется компнентом А, поэтому расстояние от фигуративной точки до ребра AA’ непрерывно возрастает. Расплав, отвечающий фигуративной точке S”, может находиться в равновесии с кристаллами двух компонентов – А и В, а потому последующее охлаждение сопровождается одновременным выделением кристаллов А и В (двойной эвтектики). Фигуративная точка расплава перемещается при этом по кривой S”o, представляющей собой часть кривой po – линии кристаллизации двойной эвтектики (она отражает понижение температуры кристаллизации двойной эвтектики по мере увеличения содержания третьего компонента). По мере понижения температуры и выделения твердых А и В расплав обогащается компонентом С. В точке о расплав находится в равновесии с кристаллами всех трех компонентов и представляет собой тройную жидкую эвтектику. Кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре, отвечающей точке о. При этом число фаз, находящихся в равновесии Ф=4 (расплав и кристаллические А, В и С), а f =3-4+1=0, т.е. система нонвариантна. Температуре тройной эвтектики отвечает плоскость тройной эвтектики или плоскость солидуса. Ниже нее жидкая фаза не существует. Затвердевшая эвтектика представляет собой трехфазную систему.

Подобные тройные и четверные эвтектики таких металлов, как Pb, Bi, Sn, Cd используют в качестве припоев и легкоплавких сплавов. Известный сплав Вуда, состоящий из упомянутых элементов, представляет собой четверную эвтектику и плавится при 65^оС.

Изотермические разрезы

Сечения объемной диаграммы горизонтальными плоскостями, отвечающие T =const, дают изотермические разрезы диаграмм тройных систем, т.е. отражают фазовые равновесия при одной температуре. На рисунке представлено изотермическое сечение рассмотренной выше диаграммы при температуре T₁. Кривая xy – это сечение поверхности ликвидуса Bpoq горизонтальной плоскостью, отвечающей T₁ (изотерма ликвидуса). Криволинейный треугольник Вxy ограничивает область двухфазного равновесия между расплавом и кристаллами В. Вне этого треугольника – только гомогенные расплавы. Все составы, расположенные на одной изотерме ликвидуса, начинают кристаллизоваться при одной и той же температуре.

С помощью этого рисунка можно проследить за превращениями какого-либо расплава, например, отвечающего фигуративной точке S. При охлаждении до температуры T₃ должна начаться кристаллизация компонента А. Как будет изменяться состав расплава при дальнейшем охлаждении? Так как из расплава выделяются только кристаллы А, то в оставшейся жидкости отношение концентраций В и С будет оставаться постоянным. Этому отвечает прямая линия, соединяющая вершину треугольника А со стороной ВС. Таким образом, состав расплава при охлаждении от температуры T₃ до температуры двойной эвтектики (кривая p’o’) будет изменяться в соответствии с отрезком (S,S’) S”. При достижении температуры, отвечающей точке S”, начнется выпадение двойной эвтектики А-В. При дальнейшем охлаждении расплав будет обогащаться компонентом С, и его состав будет меняться по отрезку кривой S”o’ до тех пор, пока при температуре точки o’ вся жидкость не затвердеет с образованием тройной эвтектики.

Проекция объемной диаграммы на концентрационный треугольник

Рассматриваемая объемная диаграмма может быть представлена как плоская, если использовать ее проекцию на концентрационный треугольник АВС. Кривые r’o’, q’o ’ и p’o’ – это проекции линий кристаллизации двойных эвтектик, точка о’ – проекция точки тройной эвтектики, области A’r’p’, B’p’q’ и C’r’q’ – проекции соответствующих поверхностей ликвидуса, на которые нанесены изотермы ликвидуса при разных температурах.

Рассмотрим объемную диаграмму состояния с тройной эвтектикой для случая, когда каждый из компонентов образует граничные твердые растворы. Отличие заключается в том, что вместо чистых компонентов А, В и С по осям призмы появились объемные области гомогенности граничных твердых растворов. В остальном диаграмма аналогична предыдущей. Вид изотермических разрезов и проекции на концентрационный треугольник соответственно усложнится.

Дата добавления: 2014-01-07