Металлы в твердом состоянии могут ограниченно растворять другие металлы и неметаллы. С изменением давления и температуры растворимость изменяется, что приводит к выделению или растворению избыточных фаз. Если сплав находится в нестабильном состоянии, эти процессы могут происходить и без изменения внешних условий. Структурные изменения, обусловленные ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, широко используют в технике при термической обработке.
Рассмотрим систему, компоненты которой ограниченно растворяются один в другом в твердом состоянии. В этом случае поле диаграммы ниже линии солидуса разделено на области существования сплавов в однофазном и двухфазном состояниях (рис. 1, в).
Линии ГВ и ЕД называют линиями ограниченной растворимости или линиями насыщения. Линия ГВ характеризует растворимость компонента Б в компоненте А. Твердый раствор Б в А обозначен как а-фаза. Другая фаза может быть компонентом Б, твердым раствором А в Б, промежуточной фазой постоянного или переменного состава. В приведенной системе β-фаза является твердым раствором и линия ЕД характеризует растворимость компонента А в этой фазе.
На рис. 1, а, б показано влияние состава на термодинамические потенциалы α- и β-фаз при разных температурах. При температуре Та, например, сплав I находится в однофазном состоянии α-раствора, что обеспечивает минимум термодинамического потенциала (рис. 1, а). При охлаждении до температуры Тб фазовое состояние не меняется, но α-раствор становится насыщенным компонентом Б. Касательная кривой изменения термодинамического потенциала α-фазы при данном составе сплава касается и кривой β-фазы.
При переохлаждениях до температур ниже Тб раствор пересыщается компонентом Б. Степень пересыщения можно определить как разность концентраций компонента Б в исходном и насыщенном растворах. При температуре Тв, например, степень пересыщения ΔС = Св — Сг. Поскольку термодинамический потенциал пересыщенного раствора (Z’в1, рис. 1, б) выше, чем двухфазной смеси α + β (Zв’), однофазное состояние сплава становится метастабильным. Разность потенциалов определяет термодинамический стимул процесса выделения избыточной фазы β из пересыщенного раствора α. Зародыши новой фазы, как и при полиморфном превращении, возникают обычно гетерогенным путем на имеющихся в исходном растворе дефектах (на границах зерен и субзерен, дислокациях, включениях примесей, порах и трещинках). Необходимое для этого переохлаждение (пересыщение) зависит и от различия удельных объемов образующейся и исходной фаз, поскольку с ним связана величина энергии деформации.
Если зародыши β-фазы в рассматриваемом сплаве, (рис. 1, в) возникают при температуре Тв, состав их должен находиться правее Сд. Необходимая для их образования флуктуация состава создается легче в обогащенных компонентом Б участках. В неоднородном растворе β-фаза возникает прежде в участках, где благодаря ликвации содержится больше компонента Б. По мере роста кристаллов β-фазы влияние поверхностного натяжения ослабляется и состав кристаллов приближается к стабильному Сд.
