Правила определения путей кристаллизации и путей плавления в двухкомпонентной системе с эвтектикой

На рис. 23 представлен тип диаграммы состояния двухкомпо­нентной системы А—В с эвтектикой (без бинарных химических соединений и твердых растворов). Рассмотрим путь кристаллиза­ции расплава состава а. Прежде всего определим, что конечными фазами кристаллизации любого бинарного состава в этой системе будут компоненты А и В, а кристаллизация всех подобных составов будет заканчиваться при эв­тектической температуре t_e в точке эвтектики.

 

 

 

Рис. 23. Диаграмма состояния двухкомпо­нентной системы с эвтектикой (без бинар­ных химических соединений и твердых растворов)

 

 

При пони­жении температуры от точ­ки а до в будет происходить только охлаждение распла­ва. При достижении темпе­ратуры ликвидуса t_b жидкая фаза (расплав) состава в окажется насыщенной по от­ношению к компоненту А (в области t_аt_eE в равновесии с жидкостью находятся крис­таллы А, что указывается на диаграмме соответствую­щим обозначением: А+ ж) и последний при дальнейшем охлаждении будет кристал­лизоваться из расплава. Со­став жидкой фазы будет из­меняться при этом по кривой ликвидуса от точки в к точке Е (система моновариантна). При достижении эвтектической температуры t_e жидкость, отвечающая эвтектическому составу Е, кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и В, поскольку точка Е принадлежит одновременно обеим кривым лик­видуса (t_AE и t_BE) и, следовательно, жидкость состава Е насыще­на по отношению к обоим компонентам. При этом пока не исчезнет вся жидкая фаза, температура t_e и состав (Е) жидкой фазы будут оставаться постоянными, поскольку система при этих параметрах инвариантна (температура при отводе от системы теплоты будет поддерживаться постоянной за счет выделения теплоты кристалли­зации). Кристаллизация закончится в точке эвтектики Е.

Таким образом, для состава, выражаемого точкой а, путь из­менения состава жидкой фазы при охлаждении можно схематиче­ски изобразить следующим образом: а→ в→ Е.

Теперь рассмотрим путь изменения состава твердой фазы при кристаллизации того же расплава. Первые кристаллы компонента А начинают выделяться при температуре t_в. От этой температуры и до температуры t_e твердая фаза будет состоять только из кри­сталлов А (100% А, считая на твердую фазу). При кристаллизации эвтектической жидкости состав твердой фазы, начинает обога­щаться компонентом В и фигуративная точка, выражающая сум­марный состав твердой фазы,, будет смещаться от точки t_e направо по линии эвтектической температуры. Жидкость исчезнет в тот момент, когда соотношение кристаллов А и В в твердой фазе станет равным их соотношению в исходном расплаве, т. е. когда указанная фигуративная точка достигнет точки с, лежащей на вертикали ad состава исходного расплава а. При дальнейшем понижении температуры будет происходить только охлаждение твердой смеси кристаллов А и В по линии cd.

Таким образом, путь изменения состава твердой фазы можно схематически изобразить следующим образом: t_b→ t_e→ c→ d.

Рассматривая полностью закристаллизованный состав под микроскопом, можно обнаружить, что характер образующихся кристаллов различен. Выделяющийся первоначально из расплава компонент, например компонент А (для исходной точки состава а), кристаллизуется, как правило, в виде крупных достаточно хорошо оформленных кристаллов, поскольку их рост происходит при вы­сокой температуре в достаточной степени свободно, без помех при большом содержании жидкой фазы. При кристаллизации эвтектического состава, которая происходит уже в более стесненных условиях (меньшее содержание жидкой фазы, наличие ранее выпавших кристаллов компонента А), образуется уже мелкокри­сталлическая смесь кристаллов А и В. Этим эвтектическая смесь отличается от крупных кристаллов компонента, первоначально выделяющегося при более высоких температурах.

Если взять другой состав расплава, например, а₂, то путь кри­сталлизации определяется аналогично уже рассмотренному, только в качестве первоначальной твердой фазы будет кристаллизоваться компонент В, а состав жидкой фазы будет изменяться от точки t_b2, по кривой ликвидуса tвЕ. Этот расплав также окончательно за­твердевает при эвтектической температуре t_e с одновременным вы­делением кристаллов А и В.

Если исходным является не расплав, а смесь твердых компо­нентов, отвечающая по составу, например, точке d (см. рис. 23), путь фазовых изменений (путь плавления) при нагревании графи­чески будет обратным по сравнению с путем кристаллизации. На участке dc будет происходить только повышение температуры твердой смеси; в точке с при эвтектической температуре t_e начи­нается плавление смеси с образованием жидкости эвтектического состава Е после того как кристаллы компонента В полностью перейдут в расплав, в смеси останется избыток компонента А и будет происходить плавление его кристаллов, при этом состав жидкости будет изменяться от точки Е к точке в по кривой ликви­дуса Ев в точке в исчезнут последние кристаллы компонента А и образуется однофазный расплав, в дальнейшем будет происхо­дить только повышение его температуры по линии ва.

Если исходный расплав точно отвечает эвтектическому (напри­мер, расплав состава а₁ или твердая смесь состава d₁), то при достижении эвтектической температуры он будет сразу весь кри­сталлизоваться, выделяя эвтектическую смесь кристаллов А и В (если охлаждать расплав), или плавиться, образуя жидкость эвтектического состава (если нагревать смесь твердых компонен­тов). Все это будет происходить при постоянной температуре. Точно так же при постоянной температуре будет происходить плавление и кристаллизация чистых компонентов А и В (соответ­ственно при температурах t_а и t_в).

Вопросы

1. Что выражает точка эвтектики?

2. Опишите путь кристаллизации расплава состава а (см рис 23).