ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Простейшие двухкомпонентные металлические системы из "Учебник физической химии" Наибольшее число степеней свободы равно трем. Следовательно, можно произвольно устанавливать и менять три условия температуру, давление и концентрацию одного из компонентов. Это имеет место, когда система состоит из одной фазы. Наименьшее число степеней свободы равно нулю. Это имеет место, когда два компонента находятся в четырех фазах. В такой системе равновесие возможно только при определенной температуре, определенном давлении и определенных концентрациях обоих компонейтов. [c.189] В силу того что максимальное число степеней свободы для двухкомпонентных систем равно трем, состояние системы определяется тремя переменными. Для графического изображения возможных состояний необходимы три оси координат, следовательно, вместо диаграммы на плоскости — пространственная модель. [c.189] Задача значительно упрощается при изучении систем, не содержащих газообразной фазы, т. е. находящихся в твердом или жидком состоянии, — конденсированных систем. Для таких систем часто можно не принимать во внимание изменения давления в небольших пределах (например, колебаний атмосферного давлгния) ввиду очень слабого влияния их на положение равновесия и приближенно считать давление постоянным. Тогда для построения диаграмм достаточно будет двух осей оси температур и оси концентраций. [c.190] Из двухкомпонентных систем мы рассмотрим сплавы и растворы. [c.190] Сплавом называется гомогенная смесь металлов в расплавленном состоянии, а также продукт затвердевания этой смеси. Жидкие сплавы являются преимущественно взаимными растворами металлов. При отвердевании сплава отдельные составляющие могут выделяться из смеси, и твердый сплав обычно представляет собой сравнительно грубозернистую смесь из отдельных составных частей. [c.190] Для исследования строения металлов и сплавов пользуются, главным образом, тремя методами термическим анализом, микроскопическим исследованием и рентгеновским структурным анализом. [c.190] Термический анализ — важный метод физико-химического анализа (см. стр. 7). Он основан на определении температур фазовых превращений и применяется для чистых веществ и. цля систем из двух или большего числа компонелтов. Существуют различные разновидности термического анализа. В простейших случаях определение производят путем зрительного наблюдения. Это — визуальный метод термического анализа он заключается в том, что,при медленном нагревании или охлаждении отмечают температуру, при которой происходит выделение или исчезновение данной фазы (например, выделение первых кристаллов растворенного вещества из раствора при определении растворимости), Этот метод успешно применяется при изучении прозрачных веществ при не слишком высоких температурах. Для высоких температур, при исследовании металлов, силикатов и некоторых других химических соединений, большое значение имеет другой метод, основанный на наблюдении за скоростью изменения температуры при охлаждении или нагревании системы и на построении кривых зависимости температуры от времени. [c.190] При термическом анализе сплавов двух металлов приготовляют ряд сплавов из исследуемых металлов с различным содержанием обоих металлов, например 10, 20, 30% и т. д. одного металла и соответственно 90, 80, 70% и т. д. другого. Каждый из сплавов расплавляют и затем медленно и равномерно охлаждают, наблюдая за процессом. [c.190] Так как в системе имеются две фазы (жидкая и твердая) и один компонент, то число степеней свободы равно нулю, т. е. температура постоянна до тех пор, пока система двухфазна. После того как весь расплавленный висмут отвердеет, температура снова начинает понижаться — остывает отвердевший металл. Кривая охлаждения 7 чистого кадмия (темп. пл. 321° С) подобна по форме кривой охлаждения висмута. [c.192] Все остальные кривые охлаждения — 2, 3, 4, 5 и 6 — выражают остывание сплавов различного состава — 2, з, 4, 5 и Хв. Рассмотрим кривую 2. Сначала наблюдается равномерное понижение температуры, что соответствует остыванию жидкого сплава. Затем наблюдается замедление скорости остывания (вследствие выделения скрытой теплоты плавления). При этой температуре в сплаве появляются первые кристаллы висмута. Так как выде.пение висмута сделало расплав более концентрированным в отношении кадмия, то температура выделения кри-стадлов понизилась. По мере дальнейшего выделения висмута она продолжает понижаться, хотя и медленнее . При дальнейшем остывании выделяется все больше и больше кристаллов висмута. Содержание кадмия в жидкой части соответственно возрастает и, наконец, при некоторой температуре 4 наряду с висмутом начинает выделяться в твердом виде и кадмий. Начиная с этого момента и до полного отвердевания сплава, температура держится на одном уровне. Когда весь сплав закристаллизуется, начнется дальнейшее охлаждение. [c.192] Из всех кривых охлаждения особого внимания заслуживает четвертая по форме она подобна кривой охлаждения чистого металла. Сплав, соответствующий этой кривой, называется эвтектическим. Эвтектическим сплавом или эвтектикой называется сплав, обладающий самой низкой температурой отвердевания плавления) из всех сплавов, которые образуют данные металлы. При застывании эвтектического сплава оба металла выделяются одновременно, сплав отвердевает как единое целое и состав жидкой фазы одинаков с составом твердой фазы. Эвтектический сплав огвердевает от начала до конца при постоянной температуре, т. е. как чистый металл . [c.192] Имея ряд кривых охлаждения сплавов различного соста[ва, можно построить диаграмму зависимости температуры начала выделения кристаллов от состава. На оси абсцисс откладывают процентный состав, считая длину взятого отрезка за 100%. Температуру откладывают на оси ординат. Такие диаграммы называются диаграммами состояния или диаграммами плавкости. Диаграмма состояния системы висмут — кадмий представлена на рис. 39, //. Точка Е соответствует эв гектике. Область в верхней части диаграммы над кривой АЕВ соответствует жидким сплавам всевозможного состава. Область ниже прямой СО соответствует твердым сплавам кадмия и висмута. При температуре ниже 140° С сплав любого состава будет застывшим. Поле ВЕО соответствует одновременному суш,ествованию твердого кадмия и жидких сплавов кадмия с висмутом. Поле ЛЕС соответствует одновременному существованию жидких сплавов и твердого висмута, причем содержание висмута в жидкой части сплава больше 60%. [c.193] Система обладает одной степенью свободы определенной температуре отвечает строго определенный состав жидкой фазы, находящийся в равновесии с кристаллами. [c.193] Таким образом, кривые АЕ и ВЕ изображают изменение состава жидкой фазы в зависимости от темперагуры. [c.193] Проводя из точки Е, лежащей на оси температур, прямую ЕС, параллельную оси составов, до пересечения ее с кривой ВЕ и опуская из точки пересечения перпендикуляр ОН, можно определить состав жидкой фазы, находящейся в равновесии с кристаллами кадмия. [c.193] Система условно безвариантна малейшее изменение темнера-т ры вызовет исчезновение одной из фаз. При понижении температуры исчезает жидкая фаза ниже прямой СО могут существовать только твердые сплавы, вследствие чего эта прямая и получила название линии солидуса (солидус — твердый). [c.194] Проследим охлаждение одного из неэвтектических сплавов. Пусть это будет сплав, состоящий из 10% висмута и соответственно 90% кадмия (кривая 6, рис. 39). Охлаждаясь до 300° С, сплав остается жидким. Начиная с этой температуры, в сплаве появляются первые кристаллы твердого кадмия. При дальнейшем охлаждении сплава продолжается кристаллизация кадмия. Одновременно с этим содержание кадмия в жидкой части уменьшается. Следовательно, при 300° сплав стал насыщенным по отношению к кадмию. Придальнейшем понижении температуры концентрация насыщения уменьшается, а избыток кадмия выпадает в виде кристаллов. Как только содержание кадмия в жидкой части достигнет величины, соответствующей составу эвтектического сплава, весь остаток будет отвердевать нацело без понижения температуры. Это произойдет при температуре 140° С. [c.194] Затвердевший сплав будет содержать крупные кристаллы кадмия, образовавшиеся при постепенном охлаждении до 140° эти кристаллы сцементированы закристаллизовавшимся при 140° эвтектическим сплавом, состоящим из мелких кристалликов висмута и мелких кристалликов кадмия. [c.194] Отвердевание сплавов, содержащих больше 60% висмута, отличается от отвердевания сплавов, рассмотренных выше, тем, что до достижения эвтектической температуры в этом случае будут выделяться кристаллы висмута, и отвердевший сплав будет состоять из этих кристаллов и связывающего их эвтектического сплава. При кристаллизации сплава любого состава из него выделяются сначала кристаллы того из металлов, который содержится в нем в избытке по сравнению с составом эвтектического сплава. [c.194] Вернуться к основной статье