相图二元系统(3)

2019-04-15 23:27

不同组成的二元系统在T1(T2)温度下发生固相反应时可能有三种不同的结果:

a.组成在A~AmBn范围内的二元系统,由于A组元的含量比较高,冷却到T1(或加热到T2)时,固相反应的结果是B晶相消失,剩余A晶相和新生成的化合物AmBn。

b.组成在AmBn~B范围内的二元系统,冷却到T1(加热到T2)时,固相反应的结果是A晶相消失,剩余B晶相和新生成的化合物AmBn。

c.组成刚好为AmBn的二元系统,冷却到T1(或加热T2)时,固相反应的结果是A、B全部化合生成化合物AmBn。

实际上,由于固态物质之间的反应速度很慢,因而达到平衡状态需要的时间将是很长的。尤其是在低温下,上述平衡状态是很难达到的,系统往往处于A、AmBn、B三种晶体。

实际上,由于固态物质之间的反应速度很慢,因而达到平衡状态需要的时间将是很长的。尤其是在低温下,上述平衡状态是很难达到的,系统往往处于A、AmBn、B三种晶体同时存在的非平衡状态。

若二元化合物在低共熔温度以下只是在TD以上发生分解,而在低温时却是稳定的,其相图便如7-32所示。

3.3 具有多晶转变的二元系统相图

二元系统中某组元或化合物具有多晶转变时,相图上该组元或化合物所对应的相区内便会出现一些新的界线,把同一种物质的不同晶型稳定存在的范围划分开来,使该物质的每一种稳定晶型都有其存在的相区。

根据晶型转变温度(TP)与低共熔温度(TE)的相对高低,此类相图又可分为两种类型。

(1) TP>TE

多晶型转变温度高于低共熔温度,说明多晶转变是在有液相存在时发生的。图7-33为此类型的相图,图中组元A有α和β两种晶型,其中Aα相在TP温度以上稳定,而Aβ相在TP温度以下稳定,发生晶型转变的温度为TP。

P点称为多晶转变点,由于系统中三相平衡共存,F=0,所以多晶转变点也是二元无变量点。通过多晶转变点P的水平线DP,称为晶型转变的等温线,它把Aα和Aβ稳定存在的相区划分开来。

可以看出,当液相点达到P点后,系统为无变量,液相组成不能变,系统温度也不能变。除此之外,实际上,这时的液相量亦不改变,因为液相刚到P点时,固相点在D点,晶型转变结束,液相要离开P点时,固相点仍然在D点,根据杠杆规则可以很容易地看出晶型转变过程中液相量不变,因此,晶型转变点一定不会是结晶的结束点。

(2) TP<TE

多晶转变温度低于低共熔温度,说明多晶转变是在固相中发生的,图7-34示出这种类型的相图。图中P点为组元A的多晶转变点,显然在A-B

二元系统中的纯A晶体在TP温度下都会发生这一转变,因此P点发展为一条晶型转变等温线。在此线以上的相区,A晶体以α形态存在,此线以下的相区,则以β形态存在,此时P=3,F=0,为无变量过程。 3.4 形成固溶体的二元系统相图 (1)形成连续固溶体的二元系统相图

溶质和溶剂能以任意比例相互溶解的固溶体称为连续(也称为完全互溶或无限互溶)固溶体。形成连续固溶体的二元系统相图如图7-35所示。由于组元A和B在固态和液态下都能以任意比例互溶而不生成化合物,在相图中没有低共熔点也没有最高点,因而液相线和固相线都是平滑连续曲线。

A和B形成的连续固溶体用S表示。整个相图分为三个相区。图中曲线aL2b是液相线,aS3是固相线,液相线和固相线上都是液相和固熔体两相平衡共存,P=2,F=1。液相线以上的相区是高温熔体单相区,固相线以下的相区是固溶体的单相区,处于液相线与固相线之间的相区则是液相与固溶体平衡共存的二相区。在单相区内,F=2,在二相区内F=1。

由于此系统内只有液相和固溶体两相,不可能出现三相平衡状态,因此,这种类型相图的特点是没有一般二元相图上常常出现的二元无变量点。

高温熔体M冷却到T1温度时开始析出组成为S1的固溶体,随后液相组成沿液相线向L3变化,固相组成沿固相线S3变化。冷却到T2温度,液相点到达L2点,固相点到达S2点,系统的状态点则在O点。根据杠杆规则,此时液相

量:固相量=OS2;OL2。冷却到T3温度,固相点S3与系统的状态点重合,意味着最后一滴液相在L3消失,液相消失,结晶结束。所以熔体M的结晶结束点在L3点,结晶产物是单相的固溶体。

在液相从L1到L3的析晶过程中,固溶体的组成从S1变化到S3,连接同一温度下成平衡的两相组成点的线段称为结线,如图中的L1S1线,L2S2线等。由结线可以看出,在互成平衡的两相中,液相总是含有较多的低熔点组元,而固相则含有较多的高熔点组元。由于在析晶过程中固溶体要不断地调整组成以便与液相保持平衡,而固溶体是晶体,原子的扩散迁移速度很慢,不像液态那样容易调节组成。

可以想象,若冷却过程足够缓慢,析出固溶体和液相处于平衡状态,且固溶体有足够的时间进行内部扩散使整个固相均匀一致;若冷却过程不是足够缓慢,则很容易发生不平衡析晶,即产生偏析现象。

为了描述偏析,引入分布系数K0。分布系数表示溶质在固相中的浓度Cs与在液相中的浓度Cl的比值,即K0=Cs/Cl

Ko是浓度的函数,溶质使体系熔点降低者,K0<1,如图7-36(a)。溶质使体系熔点升高者,K0>1,图7-36(b)。对于固液同成分点,K0=1。

在形成连续固溶体的系统中,任一组成的熔体的凝固点都介于两个纯组元的凝固点之间。因此可以从熔体中把两组元分离获得纯粹的A和B。其方法如下:见图7-37,将某熔体M冷却到1点,系统由固溶体S1及和液相L1两部分组成。这时S1中A的百分含量比原溶体M中的A百分含量多,L1中B的百分含量比原熔体中B的百分含量多。

将L1分离出来并冷却到3点,则可获得L3液相且其B的百分含量又比L1中B的百分含量多。如此重复,可获得纯B(确切地讲比较纯的B);另一方面,将S1重新熔化,然后再冷却到2点获得固溶体S2,其中A的百分含量比S1多。

重复几次可得比较纯的A。这种方法叫做分布结晶法,可以把固溶体中两组元分离。

在连续固溶体相图中还有两种特殊情况即具有最高熔点和最低熔点的系统,见图7-38。这两种相图可以看成是由二个简单连续固溶体二元相图构成。体系中的平衡关系可由分相图来分析;也可把相图中的最高熔点(a图中的C点)和最低熔点(b图中的M点)看成是同成分熔点。


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