Фазовые диаграммы дают систематическую карту равновесных фаз при заданных температуре и составе, что позволяет предсказывать какие фазы, в каких долях и с какими составами будет иметь многокомпонентный сплав. Ключевые механизмы прогнозирования:
- Устойчивость фаз и области равновесия: диаграмма показывает, какие фазы термодинамически стабильны при данной температуре и общем составе (жидкость, твёрдые решения, интерметаллики и т.д.).
- Составы коэксистирующих фаз (tie-line): по отрезку между точками на диаграмме определяют химический состав каждой фазовой составляющей.
- Доля фаз — правило рычага (lever rule): для двухфазной области массовая доля фазы $\alpha$ вычисляется как
$$W_{\alpha }=\frac{C_0-C_{\beta }}{C_{\alpha }-C_{\beta }},$$ где $C_0$ — общий состав, $C_{\alpha },C_{\beta }$ — составы фаз на границе области.
- Ограничения числа фаз — правило Гиббса: число свободных степеней свободы $F$ связано с числом компонентов $C$ и числами коэксистирующих фаз $P$ как
$$F=C-P+2$$ (при фиксированном давлении часто используют $F=C-P+1$). Это помогает понять, какие комбинации фаз возможны.
- Трёх- и многокомпонентные диаграммы: для систем $>2$ используют треугольные (тернарные) диаграммы, изотермы, вертикальные сечения или проекции; вычислительная термодинамика (CALPHAD) позволяет строить такие диаграммы для многих компонентов и учитывать реальные термодинамические данные.
- Прогноз микроструктуры при кристаллизации и при термообработках: диаграмма показывает пути твердофазных превращений, температуры солвуса/ликвидуса, при которых возникают выделения, эвтектики или эвтектоиды — это напрямую влияет на механические свойства.
Пример практического применения (промышленность турбонадзора / авиация):
- В производстве никелевых суперсплавов для лопаток турбин используют многокомпонентные фазовые диаграммы и CALPHAD-прогнозы, чтобы:
- определить солвусную температуру фазы упрочнения ${\gamma }^{\prime }$ и выбрать температурные интервалы для растворяющей и стареющей термообработки;
- избежать образования хрупких TCP-фаз (sigma, mu и т.п.), которые снижают пластичность и усталостную прочность, путём подбора химсостава и режима охлаждения;
- прогнозировать долю и состав $\gamma$ и ${\gamma }^{\prime }$, что прямо влияет на прочность при высоких температурах.
Это позволяет оптимизировать составы, режимы литья и термообработки для получения требуемых свойств и надёжности изделия.