Wykresy układów faz stopowych (wykresy

układów równowagi fazowej) (wykresy fazowe)

• Układ – wszystkie możliwe stopy

utworzone przez te same składniki,
np. układ Fe-C, czyli wszystkie stopy
utworzone przez Fe i C.

• Wykresy przedstawiają budowę

fazową/strukturę stopów danego
układu w funkcji składu chemicznego
i temperatury.

Składnik, faza układu

• Składniki układu to niezależne substancje

chemiczne (pierwiastki lub związki) tworzące dany
układ.

• Zależnie od ilości wchodzących w grę składników

rozróżnia się układy:

– Jednoskładnikowe
– Dwuskładnikowe
– Trójskładnikowe itd.

• Faza jest to jednorodna pod względem własności

część układu, oddzielona od pozostałej części
układu powierzchnią graniczą, po której
przekroczeniu własności zmieniają się.

Składnik, faza układu

• Przykład1:

metal ciekły współistniejący z metalem stałym, np.
w czasie krzepnięcia to współistnieje dwu różnych
faz (ale jest to jeden składnik – dany metal). Czysty
metal będący układem jednorodnym jest w czasie
krzepnięcia układem dwufazowym.

• Przykład 2: współistnienie lodu z wodą (dwie fazy,

jeden składnik).

• Przykład 3: dwie odmiany alotropowe tego samego

pierwiastka np. żelaza, to dwie różne fazy, jeden
składnik.

Reguła faz Gibbsa

• To zależność termodynamiczna, która wiąże:
• Liczbę faz występujących w układzie ( f )
• Z liczbą niezależnych składników układu ( r )
• Liczbę stopni swobody tego układu ( z ), czyli liczbę parametrów

(temperaturę, ciśnienie, skład chemiczny faz), które można
niezależnie zmieniać bez naruszenia równowagi fazowej (tzn.
bez zaniku którejś z faz lub pojawienia się nowej fazy):

z = r – f + 1

Gdzie:
z – liczba stopni swobody
r – liczba niezależnych składników układu
f – liczba faz w układzie
dla stałego ciśnienia (np. na powierzchni ziemi).

Reguła faz Gibbsa

• Przy założonych warunkach izobarycznych (P=1) liczba

stopni swobody może być:

• z = 0, układ jest niezmienny, co oznacza, że równowaga

między fazami może istnieć tylko w stałej temperaturze i
przy określonym stężeniu każdej z faz.

• z = 1, układ jest jednozmienny. Oznacza to, że

równowaga między fazami może istnieć przy zmianie w
określonych granicach jednej zmiennej, tj. temperatury
albo stężenia jednej z faz.

• z = 2, układ jest dwuzmienny. Oznacza to, że równowaga

między fazami może istnieć przy zmianie w pewnych
granicach dwóch zmiennych, np. Temperatury i stężenia
jednej fazy albo stężenia dwóch faz.

Reguła faz Gibbsa

• Krzywa krzepnięcia czystego metalu na przykładzie cyny
• Krzywa krzepnięcia czystego metalu na przykładzie cyny
• Temperatura topnienia 232.

– Jedna faza – ciekła cyna
– Dwie fazy – kryształy cyny w ciekłej cynie
– Jedna faza – zakrzepła cyna.

• Przypadek 1
• Przypadek a) W tyglu znajduje się roztopiona cyna.
• Liczba stopni swobody dla jednego składnika (SN) i

jednej fazy (ciecz) wynosi: z = 1 – 1 + 1 = 1.

• Układ jest jednozmienny, czyli można obniżać lub

podwyższać temperaturę.

• Przypadek b)
• W tyglu znajdują się dwie fazy: roztopiona cyna +

kryształy cyny.

• Liczba stopni swobody z = 1 – 2 + 1 = 0
• Układ jest niezmienny, czyli niemożliwa jest

zmiana temperatury aż do czasu, kiedy zniknie z
układu jedna z faz.

• Przy krzepnięciu oznacza to, że musi zniknąć

ciekła cyna.

• Po skrzepnięciu całej zawartości cyny można

znowu obniżać temperaturę – przypadek c)

Wykres fazowy dla składników o

nieograniczonej rozpuszczalności w tym stanie

• Stopy układu A – B
• Stopy w wysokich temperaturach są roztworami ciekłymi.
• L – obszar fazy ciekłej.
• Wykres fazowy składników o nieograniczonej rozpuszczalności wzajemnej w stanie

stałym.

• L – obszar cieczy
• α – obszar roztworu stałego
• (L + α) – obszar dwufazowy.
• Linia górna – Likwidus – powyżej tej linii stop jest w stanie ciekłym.
• Pomiędzy Linią górną a dolną mamy obszar dwufazowy ciekły i stały
• Linia dolna – Solidus – poniżej tej linii stop jest w stanie stałym.
• TtA – temperatura topnienia składnika A
• TtB – temperatura topnienia składnika B
• Między obszarami jednofazowymi cieczy i roztworu stałego α występuje obszar

dwufazowy, składający się z faz L i α.

• Linia likwidus – górna granica obszaru dwufazowego,
• Linia solidus – dolna granica obszaru dwufazowego.

Zastosowanie reguły faz

Gibbsa

• z = r – f + 1
• W temperaturze topnienia czystych pierwiastków A i B liczba

stopni swobody wynosi zero. Zmiana temperatury ( stopień
swobody) jest możliwa wówczas, gdy podczas chłodzenia ciecz
zakrzepnie całkowicie, a podczas grzania, gdy pozostaje tylko
ciecz.

• W obszarze dwufazowym (L + α) między linią likwidus i solidus

jest tylko jeden stopnień swobody. Zmiany temperatury są w tym
obszarze możliwe.

• Zastosowanie reguły faz Gibbsa do różnych punktów wykresu

fazowego.

• W obszarach jednofazowych liczba stopni swobody wynosi

dwa. Oznacza to, że zmiennymi niezależnymi są temperatura i
skład. Można więc zmieniać niezależnie od siebie temperaturę
oraz skład pozostając w zakresie tej samej mikrostruktury.

• Tworzenie mikrostruktury w stopach układu o

nieograniczonej rozpuszczalności składników s
stanie stałym.

• Rozpatrywany stop zawiera 60% składnika B (c).
• Krzepnięcie stopu o składzie c zachodzi w zakresie

temperatur T1 – T3.

• Powyżej linii likwidus występuje ciecz L.
• W obszarze dwufazowym występuje ciecz i faza α.
• Po skrzepnięciu występuje w obszarze

jednofazowym faza α, która stanowi 100% stopu i
jej skład jest taki sam jak skład stopu.

Wykres fazowy dla składników nie

rozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym

• Wykres z przemianą eutektyczną i całkowitym brakiem

rozpuszczalności składników w stanie stałym

• Przemiana eutektyczna Le (chłodzenie-> <- nagrzewanie) A

+ B.

• Linia DEF – likwidus,
• Solidus - linia pozioma GEH.
• Ciecz o składzie punktu E nazywana jest cieczą

eutektyczną, a jej skład – składem eutektycznym.

• Eutektyka lub mieszanina eutektyczna, to powstająca z

cieczy o składzie eutektycznym mieszanina kryształów A i
B.

• Stopy o składach na lewo od składu eutektycznego to stopy

podeutektyczne, na prawo – stopy nadeutektyczne.

Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy

składniki rozpuszczają się w stanie stałym.

• Wykres fazowy z przemianą eutektyczną dla składników

tworzących w stanie roztwory.

• Linia CED – likwidus,
• Linia CFEGD – solidus,
• FH – linia ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym

składnika B w A.

• GI – linia ograniczonej rozpuszczalności stanie stałym składnika

A w B.

• Struktura krystaliczna fazy α jest taka sama jak składnika A

(rozpuszczalnik dla B).

• Struktura fazy β jest taka sama jak składnika B (rozpuszczalnik

dla A).

• W stałej temperaturze zachodzi przemiana eutektyczna:
• L (chłodzenie -> <- nagrzewanie) α + β.

Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy

składniki rozpuszczają się w stanie stałym

• Eutektyka składa się z na przemian

ułożonych drobnych płytek faz α i β.

Zmiany mikrostruktury w stopie podeutektycznym,

zawierającym 30% składnika B.

• W temperaturze T1 mikrostrukturę stopu tworzą

kryształy o składzie α1 i ciecz o składzie L1.

• W przemianie eutektycznej z cieczy powstają

kryształy α zawierające 20% składnika B i
kryształy β zawierające 90% składnika B.

• Faza β występuje tylko w eutektyce. Skład i ilość

przedeutektycznej fazy α zmienia się zgodnie z
regułą dźwigni. Na przykład w temperaturze T4
względna ilość fazy α wynosi:

• (Cbeta – cs) / (Cbeta – calfa)