Диаграмма состояния является графическим изображением фазового и структурного состояния сплав в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия. По диаграмме состояния можно получить сведения о температуре фазовых превращений, и структурах, которые образуют сплавы с различной концентрацией компонентов при нагреве и охлаждении. Для построения диаграмм состояния двойных сплавов используют метод термического анализа, основанный на построении термических кривых кристаллизации сплава в координатах температура время. Термические кривые кристаллизации получают экспериментально, охлаждением навесок жидкого сплава различной концентрации. По перегибам и остановкам на кривых, связанных с выделением тепла при фазовых превращениях, определяют температуры, при которых они происходят. Эти температуры называют критическими, а точки на термических кривых - критическими точками.
Внутренние превращения, температуры которых (критические температуры) определяются по кривым охлаждения (нагревания), называются фазовыми превращениями. К их числу относятся плавление или кристаллизация, перестройка кристаллической решетки вещества, например, когда металл плавится, он претерпевает фазовое превращение – твердая кристаллическая фаза превращается в жидкую.
Фаза – однородная (гомогенная) часть системы, характеризующаяся определенным химическим составом, строением, свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.
Система – любое вещество (металл, сплав) состоящее из определенной совокупности фаз. Она является гомогенной, если состоит из одной фазы. Системы двух- и многофазные – гетерогенные.Компонентами системы называются химически индивидуальные простые и сложные вещества, образующие сплавы. Сплав – это вещество, полученное путем сплавления двух или более химических элементов (компонентов). Большинство сплавов состоят из основного металла и небольшого количества добавок или легирующих элементов. Помимо основного метода получения сплавов – сплавления компонентов – существуют другие методы: спекание смесей порошков (порошковая металлургия), высокотемпературная диффузия легирующего элемента в основной металл, плазменное осаждение различных элементов на подложку, электролитическое осаждение покрытий и др.
Система характеризуется параметрами своего фазового состояния: температурой, давлением и объемом. В двух- и многокомпонентных системах вместо объема указывается относительное содержание (массовая доля) компонентов. Из трех параметров любые два являются независимыми, третий – зависимый. Независимые параметры, определяющие состояние системы, называются термодинамическими степенями свободы или вариантностью системы (обычно температура и давление).
Состояние сплава зависит от внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) параметров. Это состояние характеризуется числом образовавшихся фаз, их составом (концентрацией) и отношением масс (массовой долей фаз). Закономерности изменения числа фаз в гетерогенных системах (с числом фаз ≥ 2) определяются правилом фаз Гиббса. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз. Оно выражается уравнением
С = К – Ф + 2, (1)
где С – число степеней свободы (или вариантность); К – число компонентов, образующих систему; 2 – число внешних параметров (температура и давление); Ф – число фаз, находящихся в равновесии. Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают число независимых внутренних (концентрация) и внешних (температура, давление) параметров, значение которых можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
Если число степеней свободы С = 0, то это означает, что для сохранения фазового равновесия (Ф=const) необходимо, чтобы все параметры оставались постоянными, т. е. концентрация n = const, температура T= const и давление P = const .
Если же число степеней свободы С = 1, то это означает, что для сохранения фазового равновесия (Ф = const) необходимо, чтобы только один из параметров изменялся в некоторых пределах, а два других оставались постоянными. Если принять, что все фазовые превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном давлении (P = const), то число внешних факторов будет равно 1 (температура), и правило фаз примет вид
С = К – Ф + 1. (2)
Правило фаз позволяет проверять правильность построения кривых охлаждения и диаграмм состояния на тех отрезках и в тех областях, где число фаз Ф ≥ 2.
Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах и количественное соотношения фаз, пользуются правилом отрезков, которое заключается в следующем. Через конфигуративную точку, т.е. точку, характеризующую состояние сплава, проводят коноду – горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Длины отрезков коноды между конфигуративной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.