ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ, 

ДИАГРАММЫ  СОСТАВ —ТЕМПЕРАТУРА

ГЛАВНАЯ

1. Измеряют такие свойства, которые меняются дискретно при фазовых превращениях в твердом состоянии или при переходах из жидкого в твердое состояние.

2. Применяют главным образом термический анализ. Изучают кривые охлаждения (или нагрева) металла или сплава в функции температуры. При превращении (изменении фазового состава) термические эффекты отмечаются по площадкам и точкам перегиба на диаграмме температура — время. 

Кривые охлаждения (нагрева) выглядят по-разному вследствие термического гистерезиса ( См.рисунки ).

рис. Кривая охлаждения чистого железа

Перенос точек перегиба кривых T—t, полученных с помощью термического анализа, на диаграмму температура — концентрация (пример дан для сплавов с неограниченной растворимостью) :

1,4 — температура затвердевания чистых металлов А и В; 2, 3 — сплавы системы А и В

3. Название линий на диаграмме состав— температура.

Кривая ликвидуса — граница между гомогенной областью жидкого (расплавленного) состояния и гетерогенной двухфазной областью (жидкое+твердое состояние) .

 Можно определить температурную зависимость соотношения между смесью фаз и жидкостью, находящимися в равновесии, а также состав фаз.

Кривая солидуса — граница между двухфазной (жидкая + твердая) областью и твердой фазой. Можно определить температурную зависимость соотношения между жидкостью и твердой фазой, находящимися в равновесии, а также состав фаз (рис. 4 и 5).

рис.4 Состав фаз в зависимости от температуры:

1 — состав расплава при T_1; 2 — состав затвердевших кристаллов при T_1; 3 —состав жидкокристаллического сплава Ρ приT₁

В равновесии находятся три фазы (F= 0). Эвтектику характеризуют следующие параметры:

Рис. 6. / — гомогенный расплав; // — A-кристаллы и расплав; /// — B-кристаллы и расплав; IV — А -кристаллы и эвтектика; V — B-кристаллы и эвтектика; 1 — доэвтектические сплавы; 2 — заэвтектические сплавы; Ε — эвтектика

а) система (рис. 7);

б) эвтектическая точка; в системе один компонент понижает температуру плавления другого, тогда Т_{в —} минимальная температура и есть эвтектическая точка;

в) эвтектическая реакция; Т, р=const;

Двойная диаграмма состояния системы для случая неограниченной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях (рис. 8).

 Рис. 8. / — гомогенный расплав (F=2; K=2; Р=1), II—расплав и твердый раствор (f=I; К=2;Р=2); /// — твердая фаза; твердый раствор замещения (F=2)

Двойные диаграммы состояния системы для случая неограниченной растворимости компонентов в жидком состоянии и ограниченной их растворимости в твердом состоянии. Подразделяются на диаграммы с эвтектикой (рис. 9) и перитектикой (рис. 10); соответствующие структурные диаграммы—рис. 11 и 12.

Рис. 9. Двойная диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектическим превращением:

/ — расплав; // — расплав+a; /// — расплав+β; IV— α-твердый раствор; V—β-твердый раствор; VI — а и ρ твердые растворы

Рис. 10. Двойная диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и перитектическим превращением. Обозначения те же, что и на рис. 1.46

Рис. 11. Структурная диаграмма системы, приведенной на рис. 19:

1 — выделения β-фазы; 2 — выделения α-фазы

Рис. 12. Структурная диаграмма системы, приведенной на рис. 1.47:

1, 2 — то же, что и на рис. 11

Твердые растворы на базе решетки Α-компонента обозначаются α-твердыми растворами, на базе решетки В-компонента — β-твердыми растворами. Они могут быть твердыми растворами внедрения или замещения.

Эвтектическая реакция Т, p=const; SE α+β.

Перитектическая реакция Τ, ρ=const; S+βE α.

Двойная диаграмма состояния системы для случая образования интерметаллических фаз. В общем виде интерметаллическая фаза обозначается как АmВn (см. 1.2)—рис. 13.

Рис. 13. Кристаллическая решетка интерметаллического соединения Мg2Рb (решетка типа CaF₂ )

Образование интерметаллических фаз возможно:

а) при кристаллизации из расплава; решетки компонентов А и В определяют возможность лишь ограниченной растворимости; конгруэнтно плавящиеся сплавы с температурным минимумом на линии ликвидуса;

б) в результате перитектического превращения как следствие реакции между двумя расплавами; неконгруэнтно плавящиеся сплавы (так называемый закрытый максимум).

Интерметаллическая фаза ведет себя при затвердевании как чистое вещество (рис. 14 и 15).

Двойная диаграмма состояния системы для случая превращения в твердом состоянии. В системах, в которых образуются непрерывные твердые растворы, могут встречаться следующие случаи превращения в твердом состоянии:

Рис. 14

/ — расплав; // — расплав+a-твердый раствор; III — расплав+β-твердый раствор; IV — расплав+ АтBп; V-a-твердый раствор; VI—β-твердый раствор; VII — α-твердый раствор+A_mВ_n; VIII — β-твердый раствор+AmВп; IX — АтВп

Рис. 15. Структурная диаграмма системы, приведенной на рис. 14:

1,4 — выделения интерметаллического соединения А_тВ_п; 2 — выделения α-фазы; З — выделения β-фазы; 

V — интерметаллическое соединение АтВп; Ε — эвтектика

а) упорядочение по типу сверхструктуры (см. 1.2) — рис. 16. Неупорядоченный α-твердый раствор переходит в упорядоченный α'-твердый раствор. Регулярное упорядочение атомов А и В по определенным узлам решетки.

Рис. 16

 Структуру упорядоченной фазы можно отличить от неупорядоченного твердого раствора только с помощью рентгеноструктурного анализа;

б) образование интерметаллического соединения — рис. 17

 из гомогенного α-твердого раствора выделяется интерметаллическое соединение, отличающееся от упорядоченной фазы. В процессе охлаждения α-твердого раствора возникает новая фаза с другой решеткой, в которой могут растворяться компоненты А и В. Твердый раствор на базе интерметаллического соединения — σ-фаза.

в) концентрационное расслоение (разрыв в растворимости в твердом состоянии) — рис. 17

 При охлаждении за счет концентрационного расслоения α-твердого раствора возникают два твердых раствора (α₁ и α₂) с одинаковыми кристаллическими решетками, но различным составом. α₁-твердый раствор богаче атомами А, а α₂-твердый раствор богаче атомами В

7

Еще в древности люди применяли канаты, сплетенные из металлической проволоки, но то, что мы сегодня называем проволочным канатом, или тросом, появилось гораздо позднее.

В начале XVIII в. на рудниках в Гарце возникли технические трудности. Глубина шахт достигла 400 м, и из-за возросшего веса обычных железных цепей, применяемых в подземном устройстве, участились аварии.Цепи испытывали слишком большую нагрузку и рвались. 

Эту проблему пытался решить, но безуспешно,знаменитый математик и философ Вильгельм Лейбниц (1646—1716). 

Он производил опыты с цепями, сужающимися книзу, и с бесконечными (т. е. замкнутыми) цепями; собственный вес последних можно отчасти компенсировать соответствующими противовесами. 

Старший горный советник Вильгельм Альберт (1787—1846) наблюдал сочленения, обнаруживая мелкозернистый излом, как у стали. за поведением бесконечной цепи в шахте глубиной 330 горных саженей (около 630 м). 

После 20 недель работы цепь неожиданно распалась сразу на 30 кусков. 

Многие звенья сломались по местам сочленения,обнаруживая мелкозернистый излом,как у стали.

Оказалось, что любое звено можно разбить не очень сильным ударом молота (весом 4,5 кг) по его головке. Боковые же участки звеньев полностью сохранили прежние мягкость и гибкость, которыми обладало железо, тщательно отобранное для изготовления цепи.

И здесь Альберт, юрист по образованию, проявил незаурядную техническую интуицию. 

Он  высказал предположение, что изгиб в сочленении, возникающий под действием груза, оказывает на материал такое же влияние, как удары молота при холодной ковке. 

В сжатых местах железо упрочняется,становится твердым, как пружинная сталь, и хрупким.

Сначала к предположению Альберта отнеслись скептически, тогда он сконструировал испытательную установку, провел на ней длительные опыты, и все сомнения отпали.

Эксперименты с цепями не дали утешительных результатов, и Альберт пришел к заключению, что для подъемной машины необходима не цепь а канат, который не разделяется на звенья и не содержит сварных соединений (каждое звено цепи приходилось сваривать). Это позволило бы полностью использовать такое важное свойство железа, как прочность на растяжение.

По предложению Альберта, был изготовлен канат из трех пучков по три проволоки диаметром около 3,5 мм каждая. 

Этот канат использовали в подъемной машине (сблоком диаметром около 5м) на той же шахте, и после 5000 циклов подъема на нем не было обнаружено ни каких дефектов.

Дальнейшие испытания прошли так же успешно. 

С того времени проволочные канаты стали применять для шахтных подъемников во всем мире.

Помимо изобретения проволочного каната, заслуга Альберта состоит и в том, что он одним из первых провел усталостные испытания и на практике использовал их результаты.

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Знания даны для всех !  С^© А.Гальперин