1. Атомно-кристаллическое строение металлов Цель лекции: получить знания о металлических типах связи

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые рас­творы и химические соединения. Следовательно, однород­ная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов — двухфаз­ную систему и т. д.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением С = К - Ф + m, где С —число степеней свободы системы; К —число ком­понентов; Ф — число фаз; т — число внешних факторов (температура, давление).

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 - внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происхо­дит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого метал­ла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру мож­но изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы — жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго опре­деленной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным} (безвариантным). Для диухкомпонентной системы, на­ходящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называет­ся бивариантной (двухвариантной). В этом случае воз­можно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жид­кой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2—2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концент­рация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис. ). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние спла­вов любого состава при любой температуре. Так, напри­мер, в области 1 существует одна фаза — жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Для определения количества составляющих пользу­ются правилом отрезков. Например, из точки к (см. рис.) проводят перпендикуляр I-I, со­ответствующий сплаву, содержащему 80 % Sb и 20 % Pb. Затем при заданной температуре t₁ через точку d прово­дят горизонтальную прямую до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы, получая таким образом точки е и b.

Если обозначить массу жидкости буквой Ж, а массу всего сплава буквой В, то мождо записать Ж/В = db/eb. Если массу всего сплава принять за 100%, то количество жидкой фазы определится соотношением

Ж = db/eb · 100 %.

По аналогии, для твердой фазы:

Т=ed/eb·100%.

Перпендикуляр I-I делит линию еb в 60 единиц (от 40 до 100 % по оси концентраций) на отрезки еb=40 ед и db=20 ед. Таким образом из приведенных выражений находим, что искомый сплав при температу­ре t₁ будет содержать 33 % жидкого сплава и 67 % твер­дой фазы.

Правило отрезков позволяет определить также и кон­центрацию компонентов в фазах. Так, выше точки 1 сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация ком­понентов в жидком сплаве определяется проекцией этой точки на ось концентраций. При температуре концент­рация компонента 5Ь в жидкости определяется проекци­ей точки е.

Выделяющиеся же кристаллы представляют чистую сурьму, так как точка Ь лежит на вертикальной оси 5Ь, 100%.