Układ rówowagi faz

1. Podstawowe pojęcia:
·roztwór stały - stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze nazywamy rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym.
·roztwór stały międzywęzłowy - jest to taki roztwór stały, którego atomy pierwiastka rozpuszczonego są ułożone w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika.
· roztwór stały różnowęzłowy - jest to roztwór stały, którego atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika.
·alotropia - często pierwiastek lub związek chemiczny ma w stanie stałym więcej niż jedną strukturę krystaliczną. Każda z tych struktur jest trwała w określonej temperaturze i pod określonym ciśnieniem.
·faza - jest to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu, zwykle dość znacznie różnią się między sobą właściwościami. Liczba, rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu.
·układ - to zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej.
·składniki - dzielimy na niezależne (nie zachodzą między nimi reakcje chemiczne) i zależne (zachodzą miedzy nimi odwracalne reakcje chemiczne).
·równowaga fazowa - czynnikami wpływającymi na równowagę, czyli parametrami układu jest temperatura i ciśnienie. W układach w których nie występuje stan gazowy, niewielkie zmiany ciśnienia nie wpływają w sposób istotny na ich stan równowagi. Dopiero zastosowanie bardzo wysokich ciśnień wpływa na zmianę stanu takiego układu.
·równowaga termodynamiczna - stopy metali wykazują trwałość budowy fazowej w stanie równowagi termodynamicznej. Równowaga termodynamiczna zostaje osiągnięta, gdy energia swobodna układu uzyska minimum lub gdy potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach układu staną się sobie równe. Ustaje wówczas przepływ składników przez granice fazowe z jednej fazy do drugiej.
·energia swobodna - analiza energii swobodnej różnych faz układu stwarza możliwość określenia struktury stopu, czyli faz pozostających w równowadze w danej temperaturze.
·Energia swobodna HELMHOLTZA - w przypadku równowagi w dowolnym układzie, w którym temperatura i objętość są ustalone, funkcja energii swobodnej Helmholtza F, zwana także potencjałem termodynamicznym, osiąga swoje minimum:
F = E - TS
gdzie:E - energia wewnętrzna,
T - temperatura bezwzględna,
S - entropia.
·Energia swobodna GIBBSA - Gdy układ znajduje się w stałej temperaturze i działa na niego stałe ciśnienie, po ustaleniu się równowagi energia swobodna Gibbsa G jest minimalna:
G = E + pV - TS
gdzie:p - ciśnienie,
V - objętość.
2. Układy podwójne.
·układ o nieograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym.
Układ ten tworzony jest przez izomorficzne składniki A i B rozpuszczające się wzajemnie przy dowolnych stosunkach ilościowych - zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym. Proces krzepnięcia roztworu stałego przebiega podobnie dla wszystkich stopów układu. Krzepnięcie stopu o stężeniu c2 rozpoczyna się w temperaturze T3 przecięcia się linii składu stopu c2 z linią likwidusu.
Likwidusem - jest nazywana linia przedstawiająca na wykresie równowagi wartości temperatury, powyżej których stopy w całym zakresie stężeń są ciekłe.
Solidusem - jest nazywana linia na wykresie równowagi oznaczająca wartości temperatury, poniżej której stopy w całym zakresie stężeń występują w stanie stałym.

·Układ z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką.
Cechą charakterystyczną tego układu jest występowanie mieszaniny czystych składników A + B o energii swobodnej, której obrazem jest prosta łącząca energie swobodne czystych składników.

·Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym z eutektyką.
Układy te tworzone są przez pierwiastki o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych i różniące się promieniami atomowymi więcej niż o 15 %.Gdy sieci krystalograficzne składników są różne, różnią się również sieci każdego z roztworów stałych, a energia swobodna każdego z nich jest opisywana oddzielną krzywą w kształcie litery U. Gdy sieci przestrzenne każdego ze składników są jednakowe, energia swobodna roztworu stałego jest opisywana jedną krzywą z dwoma minimami.

·Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym z perytektyką.
Układ ten tworzony jest przez pierwiastki różniące się więcej niż o 15 % promieniami atomowymi, o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych. Składniki tworzące układy z perytektyką znacznie różnią się jednak wartością temperatury krzepnięcia.