Число ступенів свободи - студопедія

Діаграми СТАНУ СПЛАВІВ. ПРАВИЛО ФАЗ

Система - це сукупність нескінченно великого числа сплавів, утворених даними металами (і неметалами).

У металознавстві вивчають сплави, в які входить кілька елементів. Тому, коли говорять "система Сі-Zn" або "система Fe-Ni", це означає, що розглядають сплави, що складаються з цих елементів. В системі Fe-Fe3 C вивчають взаємовідношення між Fe і хімічною сполукою Fe3 C.

Фазою називається однорідна частина системи. У складних системах, що складаються з декількох фаз, існують поверхні розділу між фазами. У сплавах: фазами можуть бути чисті метали, рідкі або тверді розчини, хімічні сполуки. Фази відрізняються одна від одної по агрегатному стані (рідкий алюміній і твердий алюміній - дві різні фази), хімічним складом, т. Е. Концентрації компонентів в кожній фазі, типу кристалічної решітки (залізо з гратами о. Ц. К. І р ц . к. -теж дві різні фази). Число фаз, що співіснують позначають буквою Ф.

Компонент. Компонентами називають речовини, що утворюють систему. Компонентами можуть бути чисті метали (елементи) або стійкі хімічні сполуки. У металознавстві під компонентами зазвичай розуміють елементи (метали і неметали), які утворюють сплав. Отже, чисті метали представляють однокомпонентні системи, сплави з двох елементів - двокомпонентні системи і т. Д. Число компонентів позначають буквою К.

Ступінь свободи визначається числом незалежних змінних (наприклад, температура, концентрація сплаву, тиск), які можна змінювати в певних межах, не порушуючи рівноваги. Рівноважним називається стан сплаву, яке не змінюється в часі. При рівновазі зберігається число фаз, що співіснують. Якщо за цієї умови можна міняти тільки температуру (одна змінна), то число ступенів свободи дорівнює одиниці; якщо і температура, і склад фази повинні бути постійними, то число ступенів свободи дорівнює нулю. Число ступенів свободи позначають буквою С.

Закономірності всіх змін системи в залежності від внутрішніх і зовнішніх умов підкоряються правилу фаз.

Правило фаз встановлює можливе число фаз і умови, при яких вони можуть існувати в даній системі, т. Е. В сплаві з даного числа компонентів. Правило фаз висловлює залежність між кількістю фаз, числом компонентів і числом ступенів свободи системи:

де С - число ступенів свободи; К - кількість компонентів; Ф - число фаз;

В - зовнішні змінні фактори (температура, тиск).

Якщо прийняти тиск постійним, що допустимо при розгляді металевих систем (В = 1), т. Е. Якщо з зовнішніх змінних факторів враховувати тільки температуру, то С = К + 1 Ф.

Можливі випадки рівноваги для однокомпонентних систем. Якщо в однокомпонентної системі (наприклад, в чистому металі) є одна фаза (рідкий або закристалізувався, т. Е. Твердий метал), то К = 1 і Ф = 1. Отже С = 1 + 1-1 = 1, т. Е . є одна ступінь свободи. Це означає, що можна нагріти або охолодити метал в певному інтервалі температур, зберігаючи його однофазним (рідким або твердим). Це положення відомо, так як метал можна охолоджувати в рідкому вигляді (від температури затвердіння), зберігаючи в ньому однофазное стан.

Якщо в момент плавлення або затвердіння в однокомпонентної системі є дві фази (наприклад, рідкий і твердий метал), то К = 1, Ф = 2, отже, С = 1 + 1-2 = О, т. Е. Немає жодної ступеня свободи. Така рівновага можливо лише при постійній температурі. Отже, температура плавлення і температура затвердіння однокомпонентних систем, наприклад, чистих металів, завжди постійні і поки не зникає одна фаза (розплавиться тверда частина при нагріванні або затвердіє рідка частина при охолодженні), температура залишається незмінною.