Залежність фазового стану сплавів від їхнього складу і температури встановлюють експериментально за допомогою термічного аналізу — визначення критичних точок перетворень за кривими нагрівання (охолодження). У деяких випадках для визначення критичних точок крім термічного аналізу застосовують інші методи дослідження (металографічний, рентгеноструктурний та ін.). За дослідними даними будують так звані діаграми стану, які відображують зв'язок між станом сплавів, їхнім складом і температурою, а також фазові перетворення, що відбуваються в сплавах під час нагрівання й охолодження.
Діаграма стану сплаву першого типу. Ця діаграма характеризує тверднення сплавів, компоненти яких у рідкому стані повністю необмежено розчиняються один в одному, а в твердому стані зовсім не розчиняються і утворюють механічну суміш кристалів компонентів (наприклад, свинець — стибій (РЬ — Sb), олово — цинк (Sn — Zn)).
Для побудови діаграми сплаву РЬ — Sb спочатку побудуємо в масштабі графіки охолодження цих чистих металів (див. рис. 2.16, а, д) і кількох їхніх сплавів різної концентрації (5 % Sb — 95 % РЬ, 13 % Sb — 87 % РЬ, 40 % Sb — 60 % РЬ), тоді одержимо криві охолодження (рис. 2.16). Охолодження має бути дуже повільним і рівномірним. Криві охолодження (рис. 2.16, б, г) показують, що сплави, на відміну від чистих металів, мають по дві критичні точки: точку початку тверднення сплаву (кристалізації сплаву) і точку кінця тверднення. При цьому температура початку тверднення сплавів різної концентрації змінюється, а температура кінця тверднення сплавів постійної концентрації становить 246 °С.
Рис. Криві охолодження сплавів свинцю і стибію
Її називають критичною точкою кінця тверднення для сплаву РЬ — Sb. На кривій охолодження (рис. в) матимемо лише одну критичну точку — за температури 246 °С.
При з'єднанні точок початку і кінця тверднення кривих охолодження одержимо діаграму стану сплавів свинцю і стибію (рис. ).
Рис. Діаграма стану сплавів свинець — стихій
Для побудови діаграми (РЬ — Sb) по осі абсцис відкладаємо у певному масштабі концентрацію сплаву, а по осі ординат — температуру. Сполучивши точки критичних температур, одержуємо дві лінії: АСВ — лінія ліквідусу (від лат. liguidus — рідкий). Вище від цієї лінії сплави свинець — стибій перебувають у рідкому стані. Лінію DCE, по якій тверднення сплаву закінчується, називають лінією солідуса (від лат. solidus — твердий). Лівія ліквідусу показує температуру початку кристалізації сплаву (до відповідної концентрації), а солідуса — закінчення кристалізації. Нижче від лінії солідуса сплав перебуває в твердому стані. Між лініями ліквідусу і солідуса сплав перебуває в твердорідкому стані.
По лінії АС із сплавів, що містять менш як 13 % стибію, починає кристалізуватися чистий свинець, а по лінії СВ із сплавів, що містять понад 13 % стибію, — чистий стибій.
У точці С сплаву, який містить 13 % Sb і 87 % РЬ, одночасно кристалізуються свинець і стибій. Такий сплав називають евтектичним. Цей сплав матиме лише одну критичну точку (початок і закінчення кристалізації відбувається за температур, які знаходяться зліва від точки С, називають доевтектичними, а від точки С справа — заевтектичними.
Рис. Мікроструктура сплавів системи свинець — стихій
Із діаграми стану видно, що сплави різної концентрації мають різну структуру, а отже, й різні властивості. Вище від лінії АСВ сплави перебуватимуть у рідкому стані. На ділянці ACD буде рідкий сплав із кристалами свинцю, а на ділянці ВСЕ — із кристалами стибію. Нижче лінії від DC сплав буде в твердому стані з кристалів свинцю + евтектика; нижче від лінії СЕ — у твердому стані з кристалів стибію + евтектика.
Мікроструктуру доевтектичного сплаву свинець — стибій: РЬ 96 % і Sb 4 % (кристали РЬ — чорні плями + евтектика — біла сітка) показано на рис. , а; евтектичного сплаву: РЬ 87 % і Sb 13 % (механічна суміш кристалів) — на рис б; заевтектичного сплаву: РЬ 70 % і Sb 30 % (кристали стибію + евтектика) — на рис. в.
Діаграма стану дає можливість визначити стан сплаву за будьякої температури і заданої концентрації.
Діаграма стану сплаву другого типу. Ця діаграма характеризує тверднення сплавів, компоненти яких необмежено розчиняються як у рідкому, так і в твердому станах.
Основною умовою необмеженої розчинності є наявність однакових за формою ґраток і невеликої різниці в атомних розмірах ґраток компонентів.
За діаграмою стану другого типу тверднуть сплави мідь — нікель, залізо — нікель, кобальт — нікель і золото — срібло.
Діаграму стану сплавів Cu — Ni зображено на рис. Температура плавлення чистої міді 1083 °С, а нікелю — 1455 °С. Лінія АСВ діаграми — лінія ліквідусу (див. рис. ). Вище від цієї лінії сплави перебувають у рідкому стані, а нижче від лінії ADB (лінії солідуса) — у твердому стані — однорідна структура твердого розчину. Між лініями ліквідусу і солідуса сплави перебувають частково у вигляді твердих кристалів і частково у вигляді рідкого сплаву (в рідині плаватимуть кристали).
Під час охолодження сплаву він кристалізується (в точці А — початок, у точці В — кінець кристалізації). У практичних умовах виявлено: якщо сплави охолоджуються швидко, то склад кристалів не встигає 
Вирівнюватися; різні місця кристала мають неоднаковий склад (внутрішньокристалічна ліквація). Встановлено, що чим більший інтервал між лініями ліквідусу і солідуса сплаву, тим більша ліквація. Ліквацію можна ліквідувати відпалюванням за температури 0,8...0,9 від температури плавлення.
Сплав другого типу від сплаву першого відрізняється тим, що не має евтектики, тобто компоненти тверднуть не за сталої температури по лінії DCE (див. рис. ), а в інтервалі температур по лінії D Між точками АВ (див. рис ).
Рис. Діаграма стану сплаву третього типу системи РЬ – Sn
Діаграма стану сплаву третього типу. Ця діаграма характеризує сплави, компоненти яких повністю розчиняються у рідкому стані і обмежено — у твердому. До таких сплавів належать, наприклад, мідь — срібло, олово — свинець, алюміній — силіцій.
Діаграму стану сплаву третього типу системи РЬ — Sn (свинець — олово) зображено на рис. Вона показує, що сплави третього типу, як і сплави першого, утворюють евтектику.
Рідкий сплав знаходиться вище від лінії ліквідусу (АСВ), а твердий — нижче від лінії солідуса (ADCEB). На ділянці ADC — дві фази: рідкий сплав + кристали твердого розчину Sn (умовно позначимо їх літерою а); на ділянці СВЕ — дві фази: рідкий сплав + кристали твердого розчину РЬ — Sn (умовно позначимо їх літерою β). На ділянці ADE — твердий сплав, який є кристалами а; на ділянці BEN — твердий сплав, що складається з кристалів β. Евтектика сплаву (62 % олова і 38 % свинцю) має найнижчу температуру кінця плавлення (183 °С).
Із діаграми видно, що найбільша розчинність олова у свинці за евтектичної температури (183 °С) становить 20 %, а свинцю в олові — З %. З підвищенням або зі зниженням температури розчинність олова в свинці, а також свинцю в олові зменшується до 0 %.
При охолодженні сплавів первинна кристалізація починається по лінії ліквідусу (АСВ), а закінчується по лінії солідуса (ADEB).
По лініях DF і ΕΝ відбуваються процеси вторинної кристалізації. Кристали, які при цьому виділяються, називають вторинними (АВт і β вт).
Діаграма стану сплаву четвертого типу. Ця діаграма характеризує сплави, в яких компоненти в рідкому стані мають необмежену розчинність, а при затвердненні утворюють стійкі хімічні сполуки і механічні суміші. Це такі сплави: магній — кальцій, магній — олово, манган — силіцій.
Діаграму стану сплаву Са — Mg зображено на рис. 2.21. Ця система характеризує хімічну сполуку Ca3Mg4, де у створенні структури сплаву беруть участь не два, а три компоненти — Са — Ca3Mg4 — Mg, а діаграма фактично складається з двох діаграм першого типу.
На цій діаграмі утворюються дві евтектики: перша при 22 % магнію по лінії ВВ'; друга при 82 % магнію по лінії DD'. Перша евтектика є механічною сумішшю кристалів Са і хімічної сполуки Ca3Mg4; друга евтектика — механічною сумішшю кристалів хімічної сполуки Са3 Mg4 і Mg.
Розглядаючи діаграму (див. рис. 2.21), бачимо, що температура початку первинної кристалізації сплавів різної концентрації змінюється в широких межах: сплав з малим вмістом починає тверднути за температури близько 800 °С, а сплав з 20 % магнію — при 500 °С. Найнижчу температуру початку (і кінця) кристалізації має сплав 22 % магнію, тобто евтектичний сплав.
У сплавах, які містять від 0 до 50 % магнію, процес кристалізації закінчується при 450 °С, а в сплавах з більшим вмістом магнію — при 516 °С. Ця діаграма побудована, як і всі інші, на підставі графіків охолодження різної концентрації.
Рис. Діаграма стану сплаву четвертого типу системи Са — Mg
