Анализ диаграммы состояний двухкомпонентной системы SC-Ge

При синтектическом трехфазном равновесии две жидкие фазы взаимодействуют с образованием твердого соединения. Такое равновесие аналогично перитектическому. В некоторых системах бинодаль имеет форму замкнутой кривой (овал), т. е. система имеет две температуры смешения верхнюю и нижнюю. Диаграмма равновесия жидкость-пар. При р = const каждому составу жидкой смеси отвечает определенная температура равновесия с паром и определенный состав пара, отличающийся, как правило, от состава жидкой смеси. На Д. с. (рис.

7, а) кривые кипения и конденсации изображают зависимости температур начала кипения и конденсации от состава и отделяют поля жидкости L и пара V от поля (L + V) гетерогенных состояний жидкость-пар. На кривой кипения может быть экстремум: максимум (рис.

7, б) или минимум (рис.

7, в); в этих точках кривая кипения касается кривой конденсации, т. е. составы равновесных жидкости и пара совпадают. Жидкие смеси такого состава полностью выкипают, подобно чистым жидкостям, при постоянной температуре без изменения состава. Диаграммы состояния, описывающие равновесия двухкомпонентных твердых растворов с жидкими растворами и жидких растворов с паром, подобны.

Рис.

7. Диаграммы состояния, двойной системы, описывающие равновесие жидкость — пар. L и V области существования жидкости и пара соответственно. (L + V) область сосуществования жидкой и паровой фаз; а система без азеотропной точки; б и в два типа азеотропных смесей

3. Диаграмма состояния Скандий — Германий (Sc — Ge)

Диаграмма состояния Скандий — Германий (Sc — Ge) приведена на рис.

8. Предполагаемое равновесие достигается при температуре 1355 0 С. Сплавы готовили в дуговой печи в среде чистого Ar из Sc чистотой 99,0% (по массе) и Ge чистотой 99,0% (по массе). Гомогенизирующий отжиг сплавов проводили в вакуумированных кварцевых ампулах, заполненных He, или в печи в среде Ar. Для предотвращения контакта образцов со стенками кварцевой ампулы или керамического тигля использовали контейнеры из Mo или Ta.

Исследования выполняли методами микроструктурного, дифференциального термического и рентгенофазового анализов.

Рис.

8. Диаграмма состояния Скандий — Германий (Sc — Ge)

На диаграмме состояния изображают фазовые области, отделенные одна от другой линиями диаграммы. В данном задании представлена диаграмма фазового равновесия двухкомпонентной системы Sc — Ge. По оси X отложены концентрации Sc (в массовых процентах) в составе сплава Sc -Ge. Из диаграммы следует, что сплавы, находящиеся выше графика, находятся в однофазном жидком состоянии. Эта линия представляет собой совокупность температур начала кристаллизации и называется линией ликвидуса.

Эвтектика представляет собой такую дисперсно-механическую смесь твердых фаз только при определенном составе ингредиентов и минимальной температуре плавления.

Исследования выполняли методами микроструктурного, дифференциального термического и рентгенофазового анализов.

В соответствии с диаграммой состояния в системе образуется 5 промежуточных соединений. Соединение Ge3Sc5 плавится конгруэнтно при 2065 0C. Перитектические реакции образования остальных соединений приведены ниже:

Ж + Ge3Sc5 = Ge4Sc5 при 1870 0C;

Ж + Ge4Sc5 = Ge10Sc11 при 1675 0C;

Ж + Ge10Sc11 = GeSc при 1192 0C;

Ж + GeSc = Ge2Sc при 1116 0C.

В системе имеют место две нонвариантные эвтектические реакции:

Ж + Ge3Sc5 при 1274 0C и 12% (ат.) Ge;

Ж + Ge2Sc при 892 0C и 85% (ат.) Ge.

При температуре 1355 0C протекает реакция, связанная с полиморфином Sc: Ж + .

Таблица 1

Кристаллическая структура соединений системы Sc — Ge

Взаимная растворимость при эвтектических температурах составляет менее 1% (ат.) Sc в Ge и 1 — 2% Ge в Sc. Область гомогенности соединения Ge3Sc5 составляет 1% (ат.). В табл. 1 приведены сведения о кристаллической структуре соединений системы Sc — Ge.

Определение числа фаз в системе.

Система — мысленно выделенная из среды совокупность материальных процессов. Фаза — это гомогенная система, находящаяся в равновесии или совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, находящейся в равновесии. Под равновесным состоянием системы понимают неизменное во времени состояние системы, причем неизменность состояния не поддерживается протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса.

Гетерогенной называется физико-химическая система, внутри которой есть поверхность (поверхности раздела), отделяющая одни части системы от других, на которой происходит скачкообразное изменение, по крайней мере одного из свойств системы.

Гомогенной называется физико-химическая система, внутри которой нет ни одной поверхности раздела, на которой происходило бы скачкообразное изменение хотя бы одного из свойств системы. Примером гомогенной системы являются — монокристалл, поликристалл.

Системы могут быть многофазные. Пример однофазной системы: кристалл кварца, двухфазной — кристалл кремния, содержащий включения SiO2.

Для определения числа фаз пользуются правилом Гиббса:

Ф + С = К + 2,

где Ф — число фаз, К — число компонентов, С — число степеней свободы.

Под числом степеней свободы понимают число параметров системы, которое можно изменить, не изменяя число фаз, находящихся в равновесии.

К = 2 (Sc — Ge), С = 1, исходя из этого число фаз в данной системе составляет Ф = 3.

Проставление обозначения фазовых областей на диаграмме состояний Любая точка на диаграмме состояний может быть рассмотрена как фигуративная точка сплава, характеризующая его состояние. Проекция на ось Х указывает состав сплава, на ось Т — температуру, при которой он рассматривается. Положение фигуративной точки указывает также на фазовый состав сплава при данной температуре. Если фигуративная точка находится в однофазной области, то состав фазы совпадает с составом сплава. Если в двухфазной области — состав фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, определяется с помощью коноды, проходящей через эту точку. Конодой называется отрезок прямой, проведенной при постоянной температуре и заключенной в пределах двухфазной области.

Конода пересекает границы этой области в точках, лежащих на сопряженных линиях и являющихся фигуративными точками фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, то есть конода соединяет точки, характеризующие составы фаз, находящихся в равновесии.

Построение кривых охлаждения для составов I, II, III

Кауфман Л., Бернстейн Г. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ, пер. с англ., М., 1972.

Аносов В. Я., Озерова М. И., Фиалков Ю. Я. Основы физико-химического анализа, М., 1976.

Захаров А. М. Диаграммы состояний двойных и тройных систем, 2 изд., М., 1978.

Новосёлова А. В. Методы исследования гетерогенных равновесий, М., 1980.

Глазов В. М., Лазарев В. Б., Жаров В. В. Фазовые диаграммы простых веществ, М., 1980.

Зломанов В. П. р-Т-х диаграммы двухкомпонентных систем, М., 1980.

Петров Д. А. Двойные и тройные системы, М. 1986.

K

L

M

N

III

II

I