Кратко и по делу.
Происхождение диаграммы фаз
- Диаграмма фаз бинарной системы (ось абсцисс — состав, ось ординат — температура) возникает из термодинамики равновесия: равновесные фазы при данной температуре и составе минимизируют суммарную свободную энергию Гиббса системы. Эквилибриум двух фаз получается критерием общей касательной к кривым $G(C)$ (common tangent), что даёт границы областей равновесия и составы коexisting фаз.
- Экспериментально диаграммы получают тепловым анализом, микроструктурой, дифракцией и химическим анализом при разных температурах.
Основные элементы диаграммы (и их смысл)
- Ось: композиция $C$ (доля компонента B) и температура $T$.
- Жидус (liquidus): выше этой кривой — полностью жидкость; при охлаждении начинает выделяться первая твёрдая фаза.
- Солидус (solidus): ниже этой кривой — полностью твердое; между жидусом и солидусом сосуществуют жидкость и твердое.
- Солевус (если есть): линия солидного раствора/граница растворимости твердой фазы.
- Области: однофазные (например, только $\alpha$ или только жидкость) и двухфазные (например, $\alpha +L$ или $\alpha +\beta$).
- Тай‑линия (tie‑line): при заданной $T$ соединяет составы двух равновесных фаз; с её помощью определяется состав каждой фазы.
- Правило рычага (lever rule) для расчёта массовых долей фаз: при температуре $T$, при общем составе $C_0$ и составах фаз $C_{\alpha }$ и $C_{\beta }$ $$f_{\alpha }=\frac{C_{\beta }-C_0}{C_{\beta }-C_{\alpha }},f_{\beta }=\frac{C_0-C_{\alpha }}{C_{\beta }-C_{\alpha }}.$$
Пример Cu–Ni (исоморфная система)
- Cu–Ni — пример полной взаимной растворимости в твердом и жидком состояниях (isomorphous): единая кристаллическая структура (FCC) для всех составов. Диаграмма показывает плавные кривые liquidus и solidus без эвтектик/интерметаллидов.
- Следствие: при любом составе при достаточном охлаждении получается единополярный твердый раствор; между liquidus и solidus при кристаллизации одновременно присутствуют жидкость и твёрдое.
Как используют диаграмму при проектировании сплавов
- Выбор состава для получения требуемых фаз при рабочей температуре (однофазный раствор vs двухфазная структура).
- Расчет массовых долей фаз при равновесии с помощью правила рычага.
- Определение температур солидуса/жидуса для процессов литья и плавления (диапазон плавления, вероятность усадочных дефектов, горячее/холодное трещинообразование).
- Планирование термообработок: выбор температур отжига/закалки и режимов старения, переход через солевус для управления выделениями и упрочнением.
- Прогноз сегрегации и распределения легирующих элементов при затвердевании (путь пересечения диаграммы показывает, где и какие фазы будут выделяться).
- Оценка стабильности фаз при рабочих температурах и подбор легирующих элементов для повышения коррозионной стойкости, прочности, пластичности и т. п.
- Учет кинетики: диаграмма даёт равновесные состояния; в реальности скорость диффузии может приводить к метастабильным структурам — это нужно учитывать при технологическом проектировании.
Короткое практическое напоминание
- Диаграмма даёт термодинамическую «карту» равновесных фаз и составов; для конкретного производства всегда нужно учитывать кинетику (скорость охлаждения, размер изделий) и возможные нелинейные эффекты (сегрегация, переохлаждение, образование неравновесных фаз).