Wykresy układów faz stopowych (wykresy
układów równowagi fazowej) (wykresy fazowe)
• Układ – wszystkie możliwe stopy
utworzone przez te same składniki,
np. układ Fe-C, czyli wszystkie stopy
utworzone przez Fe i C.
• Wykresy przedstawiają budowę
fazową/strukturę stopów danego
układu w funkcji składu chemicznego
i temperatury.
Składnik, faza układu
• Składniki układu to niezależne substancje
chemiczne (pierwiastki lub związki) tworzące dany
układ.
• Zależnie od ilości wchodzących w grę składników
rozróżnia się układy:
– Jednoskładnikowe
– Dwuskładnikowe
– Trójskładnikowe itd.
• Faza jest to jednorodna pod względem własności
część układu, oddzielona od pozostałej części
układu powierzchnią graniczą, po której
przekroczeniu własności zmieniają się.
Składnik, faza układu
• Przykład1:
metal ciekły współistniejący z metalem stałym, np.
w czasie krzepnięcia to współistnieje dwu różnych
faz (ale jest to jeden składnik – dany metal). Czysty
metal będący układem jednorodnym jest w czasie
krzepnięcia układem dwufazowym.
• Przykład 2: współistnienie lodu z wodą (dwie fazy,
jeden składnik).
• Przykład 3: dwie odmiany alotropowe tego samego
pierwiastka np. żelaza, to dwie różne fazy, jeden
składnik.
Reguła faz Gibbsa
• To zależność termodynamiczna, która wiąże:
• Liczbę faz występujących w układzie ( f )
• Z liczbą niezależnych składników układu ( r )
• Liczbę stopni swobody tego układu ( z ), czyli liczbę parametrów
(temperaturę, ciśnienie, skład chemiczny faz), które można
niezależnie zmieniać bez naruszenia równowagi fazowej (tzn.
bez zaniku którejś z faz lub pojawienia się nowej fazy):
z = r – f + 1
Gdzie:
z – liczba stopni swobody
r – liczba niezależnych składników układu
f – liczba faz w układzie
dla stałego ciśnienia (np. na powierzchni ziemi).
Reguła faz Gibbsa
• Przy założonych warunkach izobarycznych (P=1) liczba
stopni swobody może być:
• z = 0, układ jest niezmienny, co oznacza, że równowaga
między fazami może istnieć tylko w stałej temperaturze i
przy określonym stężeniu każdej z faz.
• z = 1, układ jest jednozmienny. Oznacza to, że
równowaga między fazami może istnieć przy zmianie w
określonych granicach jednej zmiennej, tj. temperatury
albo stężenia jednej z faz.
• z = 2, układ jest dwuzmienny. Oznacza to, że równowaga
między fazami może istnieć przy zmianie w pewnych
granicach dwóch zmiennych, np. Temperatury i stężenia
jednej fazy albo stężenia dwóch faz.
Reguła faz Gibbsa
• Krzywa krzepnięcia czystego metalu na przykładzie cyny
• Krzywa krzepnięcia czystego metalu na przykładzie cyny
• Temperatura topnienia 232.
– Jedna faza – ciekła cyna
– Dwie fazy – kryształy cyny w ciekłej cynie
– Jedna faza – zakrzepła cyna.
• Przypadek 1
• Przypadek a) W tyglu znajduje się roztopiona cyna.
• Liczba stopni swobody dla jednego składnika (SN) i
jednej fazy (ciecz) wynosi: z = 1 – 1 + 1 = 1.
• Układ jest jednozmienny, czyli można obniżać lub
podwyższać temperaturę.
• Przypadek b)
• W tyglu znajdują się dwie fazy: roztopiona cyna +
kryształy cyny.
• Liczba stopni swobody z = 1 – 2 + 1 = 0
• Układ jest niezmienny, czyli niemożliwa jest
zmiana temperatury aż do czasu, kiedy zniknie z
układu jedna z faz.
• Przy krzepnięciu oznacza to, że musi zniknąć
ciekła cyna.
• Po skrzepnięciu całej zawartości cyny można
znowu obniżać temperaturę – przypadek c)
Wykres fazowy dla składników o
nieograniczonej rozpuszczalności w tym stanie
• Stopy układu A – B
• Stopy w wysokich temperaturach są roztworami ciekłymi.
• L – obszar fazy ciekłej.
• Wykres fazowy składników o nieograniczonej rozpuszczalności wzajemnej w stanie
stałym.
• L – obszar cieczy
• α – obszar roztworu stałego
• (L + α) – obszar dwufazowy.
• Linia górna – Likwidus – powyżej tej linii stop jest w stanie ciekłym.
• Pomiędzy Linią górną a dolną mamy obszar dwufazowy ciekły i stały
• Linia dolna – Solidus – poniżej tej linii stop jest w stanie stałym.
• TtA – temperatura topnienia składnika A
• TtB – temperatura topnienia składnika B
• Między obszarami jednofazowymi cieczy i roztworu stałego α występuje obszar
dwufazowy, składający się z faz L i α.
• Linia likwidus – górna granica obszaru dwufazowego,
• Linia solidus – dolna granica obszaru dwufazowego.
Zastosowanie reguły faz
Gibbsa
• z = r – f + 1
• W temperaturze topnienia czystych pierwiastków A i B liczba
stopni swobody wynosi zero. Zmiana temperatury ( stopień
swobody) jest możliwa wówczas, gdy podczas chłodzenia ciecz
zakrzepnie całkowicie, a podczas grzania, gdy pozostaje tylko
ciecz.
• W obszarze dwufazowym (L + α) między linią likwidus i solidus
jest tylko jeden stopnień swobody. Zmiany temperatury są w tym
obszarze możliwe.
• Zastosowanie reguły faz Gibbsa do różnych punktów wykresu
fazowego.
• W obszarach jednofazowych liczba stopni swobody wynosi
dwa. Oznacza to, że zmiennymi niezależnymi są temperatura i
skład. Można więc zmieniać niezależnie od siebie temperaturę
oraz skład pozostając w zakresie tej samej mikrostruktury.
• Tworzenie mikrostruktury w stopach układu o
nieograniczonej rozpuszczalności składników s
stanie stałym.
• Rozpatrywany stop zawiera 60% składnika B (c).
• Krzepnięcie stopu o składzie c zachodzi w zakresie
temperatur T1 – T3.
• Powyżej linii likwidus występuje ciecz L.
• W obszarze dwufazowym występuje ciecz i faza α.
• Po skrzepnięciu występuje w obszarze
jednofazowym faza α, która stanowi 100% stopu i
jej skład jest taki sam jak skład stopu.
Wykres fazowy dla składników nie
rozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym
• Wykres z przemianą eutektyczną i całkowitym brakiem
rozpuszczalności składników w stanie stałym
• Przemiana eutektyczna Le (chłodzenie-> <- nagrzewanie) A
+ B.
• Linia DEF – likwidus,
• Solidus - linia pozioma GEH.
• Ciecz o składzie punktu E nazywana jest cieczą
eutektyczną, a jej skład – składem eutektycznym.
• Eutektyka lub mieszanina eutektyczna, to powstająca z
cieczy o składzie eutektycznym mieszanina kryształów A i
B.
• Stopy o składach na lewo od składu eutektycznego to stopy
podeutektyczne, na prawo – stopy nadeutektyczne.
Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy
składniki rozpuszczają się w stanie stałym.
• Wykres fazowy z przemianą eutektyczną dla składników
tworzących w stanie roztwory.
• Linia CED – likwidus,
• Linia CFEGD – solidus,
• FH – linia ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym
składnika B w A.
• GI – linia ograniczonej rozpuszczalności stanie stałym składnika
A w B.
• Struktura krystaliczna fazy α jest taka sama jak składnika A
(rozpuszczalnik dla B).
• Struktura fazy β jest taka sama jak składnika B (rozpuszczalnik
dla A).
• W stałej temperaturze zachodzi przemiana eutektyczna:
• L (chłodzenie -> <- nagrzewanie) α + β.
Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy
składniki rozpuszczają się w stanie stałym
• Eutektyka składa się z na przemian
ułożonych drobnych płytek faz α i β.
Zmiany mikrostruktury w stopie podeutektycznym,
zawierającym 30% składnika B.
• W temperaturze T1 mikrostrukturę stopu tworzą
kryształy o składzie α1 i ciecz o składzie L1.
• W przemianie eutektycznej z cieczy powstają
kryształy α zawierające 20% składnika B i
kryształy β zawierające 90% składnika B.
• Faza β występuje tylko w eutektyce. Skład i ilość
przedeutektycznej fazy α zmienia się zgodnie z
regułą dźwigni. Na przykład w temperaturze T4
względna ilość fazy α wynosi:
• (Cbeta – cs) / (Cbeta – calfa)