Система с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

На рис. 2 представлена диаграмма состояния для двух веществ, которые неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и твердом состояниях. Здесь и t_B – температуры плавления чистых веществ А и В, соответственно. В отличие от предыдущей диаграммы с двумя ветвями линии ликвидус, здесь эта линия пред­ставлена одной плавной кривой t_AЖt_B. Выше ее суще­ствует однородный жидкий раствор. Линия солидус пе­редается кривой t_AT_Bt_B. При температурах ниже этой линии лежит область твердых растворов, состав которых не ограничен, т. е. они однородны при всех концентраци­ях от 0 до 100 % А. Рассмотрим процесс охлаждения ка­кого-либо раствора (или сплава), содержащего, напри­мер, 80 % более легкоплавкого вещества А. При температуре в точке 1 раствор находится в жидком состоянии. Охлаждение его до температуры точки 2 вызывает кристаллизацию. Однако из раствора выделяется не чистое вещество А и не чистое вещество В, а образуется твер­дый раствор этих двух веществ. Это наблюдается, когда оба вещества кристаллизуются в схожих пространствен­ных решетках и их атомы легко заменяют друг друга в узлах общей решетки, т. е. образуется твердый рас­твор А и В. Таким образом, в точке 2 в равновесии нахо­дится две фазы – жидкий раствор В в А(концентрация В равна 20 %) и твердый раствор с концентрацией В, равной 50 %. Согласно правилу фаз, число степеней сво­боды составляет единицу. Это означает, что, если задан параметр – t, то другие параметры определяются авто­матически.

Рис. 2. Диаграмма состояния с полной растворимостью
в жидком и твердом состояниях

В рассматриваемом случае имеется еще два параметра – концентрации жидкого и твердого раство­ров, которые имеют определенные значения. Из рис. 2 видно, что выбранной температуре отвечает концентра­ция твердого раствора в точке 3, составляющая около 50 % В. Видно, что твердый раствор обогащен по сравне­нию с жидким более тугоплавким веществом В. Это свой­ство используется при разделении некоторых металлов, например серебра и золота, образующих твердые раство­ры. Действительно, если отделить первую порцию кри­сталлов состава точки 3, а затем их вновь расплавить, то при температуре точки 4 будет кристаллизоваться сплав, сильно обогащенный компонентом В (около 90 %). Отметим, что добавление вещества В к Ане понижает, а повышает температуру плавления.

Вернемся к нашему раствору в точке 2. При его даль­нейшем охлаждении естественно будет увеличиваться ко­личество твердого раствора. При этом состав жидкости обогащается легкоплавким веществом А, а состав кри­сталлов – веществом В, как это показано на рис. 3 для температуры точки 5, где составы сосуществующих растворов отвечают точкам 6 и 7. Таким образом, в об­ласти между кривыми ликвидус и солидус существует двухфазное равновесие между двумя сопряженными растворами – жидким и твердым.

Если кристаллизация сплава, образованного метал­лами, дающими твердые растворы, происходит сравни­тельно быстро, то слиток может получиться неоднород­ным по химическому составу. Такое явление называется сегрегацией. Если же кристаллизация ведется очень медленно и концентрации твердых растворов успевают выровняться, то, естественно, что состав сплава, затвер­девшего при температуре точки 8 по всему объему, в точ­ности отвечает составу первоначального жидкого сплава (точка 1).

Отметим, что неограниченная растворимость в твер­дом состоянии в действительности встречается относи­тельно редко – в системах, образованных близкими по своим свойствам веществами. Чаще всего наблюдается ограниченная растворимость твердых веществ друг в друге.