Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры. Это понятие охватывает и равновесные и неравновесные состояния, например, переохлаждённые или перегретые. С понятием «диаграмма состояния» не следует отождествлять понятие «диаграмма равновесия фаз», которое отражает равновесное состояние системы, т. е. состояние, когда в системе все превращения полностью завершились. Диаграммами равновесия фаз являются теоретически выведенные диаграммы состояния, так как в экспериментальных исследованиях, как правило, не достигается состояния равновесия и изучаются превращения с различным приближением к этому состоянию.

Тем не менее, диаграммы, построенные по экспериментальным данным в условиях медленного изменения температуры, хорошо согласуются с теоретически построенными диаграммами состояния. Такие экспериментально построенные диаграммы в первом приближении можно считать диаграммами равновесия фаз, что позволяет применять к ним общие законы равновесия фаз.

В связи с созданием новых материалов интерес к исследованию и применению диаграмм состояния постоянно возрастает. Уместно заметить, что до сих пор приходится встречать теоретически невозможные диаграммы. Контроль правильности диаграмм состояния, построенных в условиях, близких к равновесию, осуществляется при помощи правила фаз Гиббса и положений, основанных на нём.

Правило фаз Гиббса – закон термодинамики, который для любой термодинамически равновесной системы устанавливает количественную зависимость между вариантностью, т. е. числом термодинамических степеней свободы системы C, числом компонентов, образующих систему, – K и числом находящихся в равновесии фаз Ф:

C = K + 2 - Ф .

В этом уравнении 2 – число внешних параметров, влияющих на состояние сплава, – температура и давление. Эти два параметра имеют главнейшее значение из внешних факторов. Число степеней свободы, или вариантность системы, указывает число независимых переменных, при изменении которых число фаз, находящихся в равновесии, не изменяется.

Для тех читателей, которые не знакомы с правилом фаз из физической химии или другой дисциплины, дадим определение понятий «фаза» и «компоненты». Под фазой понимают те части системы, внутреннее строение которых из атомов одинаково и концентрация всех компонентов статистически постоянна. Одна фаза всегда отделена от другой фазы поверхностью раздела. Так, жидкий сплав является однофазной системой, а одновременное присутствие жидкого сплава и кристаллов, разграниченных поверхностью раздела, представляет двухфазную систему. Следует иметь в виду, что наличие поверхности раздела между частями системы не всегда указывает на существование разных фаз. Например, совокупность всех кристаллов определённого состава и одинакового кристаллического строения является одной фазой, несмотря на наличие между кристаллами поверхности раздела. Компонентами называются вещества, образующие сплавы.

Одно из последних определений понятий «фаза» и «компоненты» сформулировано так: «Фазой называют гомогенную часть гетерогенной системы или совокупность нескольких частей, разобщённых поверхностями раздела, одинаковых по химическому составу, строению и свойствам, которые не зависят от массы фазы. Компонентами фазы называют индивидуальные вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы». Таким образом, компонентами называют не общее число составляющих систему веществ, а такое их число, которое достаточно для выражения состава любой фазы системы.

Диаграммы состояния конденсированных систем, к которым относится большинство металлических, представляют собой, как правило, изобарические сечения диаграмм «температура – состав – давление» при нормальном давлении P = 98,1 кПа. Небольшое отклонение от этого давления не оказывает существенного влияния на фазовый состав конденсированной системы, поскольку из-за малой упругости паров наличием парообразной фазы с достаточным основанием можно пренебречь. Поэтому при фиксированном давлении во внимание принимается только один внешний фактор – температура, и правило фаз принимает упрощённую формулу:

C = K + 1 - Ф.

Следовательно, для системы из двух компонентов вариантность будет:

С = 3 - Ф.

В настоящей главе рассматриваются простейшие диаграммы состояния, каждая из которых характеризуется своим видом взаимоотношения компонентов:
· диаграмма состояния системы, в которой компоненты образуют непрерывный ряд твёрдых растворов;
· диаграмма состояния эвтектического типа;
· диаграмма состояния перитектического типа;
· диаграммы состояния систем, в которых компоненты образуют химические соединения.

Хотя указанные разновидности диаграмм состояния относятся к простейшим, более сложные диаграммы состояния, однако, не представляют чего-либо принципиально нового по сравнению с простейшими.

Применение правила фаз к анализу диаграмм состояния рассмотрено на некоторых примерах ниже.