§ 14. О диаграммах состояния тройных систем

Для изображения диаграмм состояния тройных систем используют некоторые геометрические свойства равностороннего треугольника. Если из какой-либо точки внутри такого треугольника опустить перпендикуляры на все три стороны, то сумма длин этих перпендикуляров постоянна и равна высоте треугольника. Иначе говоря (рис. 22, а), сумма ОА₁+ОВ₁+ОС₁ = Н. Если точки А, Б и С соответствуют трем чистым компонентам, то стороны АВ, ВС и АС представляют собой оси составов соответствующих двойных систем, а составы, содержащие все три компонента, изображаются точками внутри треугольника. Например, точка О соответствует трехкомпонентному составу, в котором относительное содержание компонента А изображается отрезком ОА₁, содержание компонентов В и С - отрезками OB₁ и ОС₁ соответственно.

Рис. 22. Концентрационный треугольник

Практически вместо перпендикуляров удобнее пользоваться линиями, параллельными сторонам треугольника ABC, проведенными через данную точку, т. е. линиями a'b', а"с', с" b". Возможность такого приема следует из равенства Оа'+ Ob'+ Ос'=АВ = ВС = АС. Проведением указанных линий разносторонний треугольник ABC разбивается на более мелкие составляющие равносторонние треугольники. На рис. 22, б основной треугольник разбит на одинаковые составляющие треугольники со стороной, равной ¹/₅ основного. При таком построении легко видеть, что точка 1 соответствует сплаву, содержащему 0%А, 20%В, 80%С. В сплаве 2 содержится 50%А, 0%В, 50%С. Сплав 3 состоит из 20%А, 40%В, 40%С, а сплав 4 - 50%А, 25%5, 25%С.

Таким образом, с помощью равностороннего треугольника, называемого концентрационным или треугольником составов, удается изображать на плоскости составы трехкомпонентных сплавов. Для построения диаграммы состояния необходимо иметь еще ось температур. Ею служат линии, перпендикулярные плоскости концентрационного треугольника. Таким образом, диаграммы состояния тройных систем изображаются в виде объемных тел, имеющих основанием концентрационный треугольник.

Наиболее просто выглядит диаграмма состояния тройной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой и твердой фазах (рис. 23). В этом случае и во всех трех двойных системах имеется неограниченная растворимость компонентов в жидкой и твердой фазах. Однородные жидкие тройные растворы существуют при температурах, расположенных выше поверхности ликвидуса, полого спускающейся от самой высокой точки t_В к t_C и t_A. Пересечения этой поверхности с боковыми плоскостями, изображающими двойные системы, дают уже описанные ранее линии ликвидуса в этих двойных системах. Поверхность ликвидуса в данной диаграмме тройной системы выпукла в сторону высоких температур.

Рис. 23. Диаграмма состояния тройной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой и твердой фазах

Поверхность солидуса, ниже которой существуют однородные тройные твердые растворы, выпукла в сторону низких температур и также проходит через точки t_A, t_R и t_C. Эта поверхность образует при пересечении с боковыми плоскостями (двойными системами) линии солидуса. Между поверхностями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область, где сосуществуют твердая и жидкая фазы. Чтобы увидеть, что будет представлять данная трехкомпонентная система при промежуточных температурах между точками плавления самого тугоплавкого и самого легкоплавкого компонентов, необходимо провести изотермические сечения. Так, при t' (t_B>t'>t_C>t_A) плоскость, соответствующая этой температуре, рассечет поверхности ликвидуса и солидуса по линиям а'_Жс'_Ж и а'_ТВ с'_ТВ . Проекции этих линий на концентрационном треугольнике разделят его на три фазовые области. Область а охватывает сплавы, находящиеся в твердом состоянии. В области Ж все сплавы жидкие. В области Ж+α сплавы находятся в двухфазном состоянии.

Рис. 24. Диаграмма состояния тройной системы с эвтектическими превращениями

Более сложно выглядит диаграмма состояния тройней системы, образованная тремя двойными системами с эвтектическими превращениями и имеющая точку так называемой тройной эвтектики (рис. 24). Поверхность ликвидуса на этой диаграмме состоит из трех частей, примыкающих к чистым компонентам и имеющих по парно линии взаимного пересечения, а также одну общую точку - точку тройной эвтектики. На рис. 24 представлены фазовые области в данной диаграмме состояния при комнатной температуре. На этом же рисунке нанесены проекции линий пересечения трех частей поверхности ликвидуса Е₁Е, Е₂Е, Е₃Е и проекция точки тройной эвтектики Е. Во всех сплавах, лежащих внутри области АЕ₁ЕЕ₃, кристаллизация начинается с выпадения кристаллов α-твердого раствора. В сплавах, принадлежащих области ВЕ₂ЕЕ₁ первичными кристаллами будут кристаллы β-раствора. Сплавы, относящиеся к области СЕ₃ЕЕ₂, начинают кристаллизоваться с выпадения твердой фазы γ-раствора на основе компонента С. Сплавы, составы которых находятся в областях α, β и γ, кристаллизуются в интервале температур и в твердом состоянии оказываются однородными твердыми растворами на основе компонентов А, В и С соответственно. В сплавах, составы которых находятся в двухфазных областях α + β, β + γ, α + γ, после выпадения первичных кристаллов твердых растворов α, β или γ происходит кристаллизация двойных эвтектик - α+β, β+γ, α+γ. Состояние жидкости в это время описывается линиями Е₁Е, Е₂Е и Е₃Е. Поскольку при этом имеются три фазы (жидкость и два выпадающих из нее твердых раствора), правило фаз дает одну степень свободы (С = К-Ф+1 = 3-3+1=1), и этот этап кристаллизации совершается в интервале температур.

Иначе говоря, двойные эвтектики в трехкомпонентной системе кристаллизуются в интервале температур. В сплавах, составы которых попадают точно на линии Е₁Е, Е₂Е или Е₃Е, не происходит выпадение первичных твердых растворов, и кристаллизация начинается прямо с кристаллизации двойных эвтектик,

Во всех сплавах, составы которых лежат в области, обозначенной α + β + γ, кристаллизация идет в три этапа. Сначала выпадают первичные кристаллы одного из твердых растворов, затем идет кристаллизация одной из двойных эвтектик, но при этом жидкость не исчезает полностью. Ее состав изменяется по соответствующей линии двойной эвтектики и достигает точки Е. После этого начинается третий этап кристаллизации, когда выпадают сразу все три твердых раствора. Теперь система имеет четыре фазы (жидкость и три твердых раствора), поэтому правило фаз дает нулевую степень свободы, и процесс совершается при постоянной температуре. Это и есть кристаллизация тройной эвтектики. Если сплав совпадает по составу с точкой Е, то он кристаллизуется сразу как тройная эвтектика при постоянной температуре, которая является наинизшей в данной Системе.

Кроме рассмотренных, имеется еще очень большое число разновидностей диаграмм состояния тройных систем, однако их рассмотрение выходит за рамки данной книги.