7.5 Диаграмма монотектического типа

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии, монотектическим и эвтектическим равновесиями, представлена на рисунке 3.5.1.

Выше линии nkm (бинодали) компоненты А и В неограниченно растворимы один в другом, т.е. образуют ненасыщенный жидкий раствор. Область ограниченной растворимости, область расслоения в жидкости отделена на диаграмме пунктирной линией. Ниже линии nkm расположена двухфазная область жидких растворов L₁ и L₂ разных составов, насыщенных один относительно другого. В зависимости от плотности компонентов и, следовательно, жидких растворов L₁ и L₂ расслоение в двухфазной области может проявляться по-разному. При небольшой разнице в плотности образуется эмульсия. Если разница в плотности большая, то может наблюдаться ликвация по плотности. т.е. образование жидких слоев разного состава. Горизонтальная линия nmo является линией монотектического равновесия. Особенность данного равновесия заключается в том, что жидкий раствор состава точки m (L₂) находится в равновесии с кристаллам компонента B_o и жидкостью состава точки n (L₁), т.е. L(m) « L(n) + B_o, или (L₂ « L₁ + B). Монотектическое превращение, также как и эвтектическое, происходит при постоянной температуре, т.к. С = 2 – 3 + 1 = 0.

Монотектическая реакция при охлаждении сплава составом точки m L_m®L_n+B – завершается исчезновением одной жидкости L₁ состава точки m c образованием другой жидкости L₂ состава точки n и кристаллов твердой фазы, компонента В.

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплаве (рисунок 3.5.1). Выше линии расслоения все сплавы диаграммы находятся в состоянии однородного жидкого раствора.

Рисунок 3.5.1. Диаграмма состояния системы с нонвариантным монотектическим равновесием. Кривая охлаждения и структура сплава.

При охлаждении в интервале температур от точки 1 до точки 2 происходит расслоение жидкого раствора. Жидкость L₁ меняет состав по линии 1`n ;жидкость L₂ по линии 1m. Монотектическое превращение L_m®L_n+B происходит при постоянной температуре в точке 2. Последующее понижение температуры от точки 2 до точки 3 приводит к дополнительному выделению кристаллов В из жидкости: L_n-e®B. Кристаллизация сплава заканчивается при температуре точки 3 распадом жидкости по эвтектической реакции: L_e®A+B. Сплав при комнатной температуре содержит две структурные составляющие: кристаллы компонента В, образовавшиеся при и после монотектической реакции, и эвтектические кристаллы (А+В)_э.

Типичной диаграммой с наличием ограниченной растворимости в жидком состоянии является система Cu-Pb (рисунок 3.5.2, а). В этой системе жидкость L₁ при температуре 954 ºС содержит 64 % Cu и 36 % Pb, а L₂ – 92,5% Pb, т.е. почти чистый свинец.

а	б
в	г
Рисунок 3.5.2. Диаграмма состояния системы Cu-Pb (а) и структура сплава Cu - 30%Pb (б) х100, форма кристаллов на границе с эвтектикой (в) и структура эвтектики (г) х1000.

При 954 ºС жидкость, обогащенная медью (L₁ = 64 % Cu) выделяет кристаллы меди, обогащая остающуюся часть жидкости почти до чистого свинца (92,5 % Pb), которая обозначена L₂. Ниже линии монотектического превращения сплав будет состоять из твердой меди и несколько обогащенного медью жидкого свинца. По мере охлаждения от 954 ºС до 326 ºС жидкость L₂ очищается от меди путем выделения дополнительного ее количества в связи с уменьшением растворимости до 99,94 % Pb. При 326 ºС затвердевает почти чистый свинец (эвтектика с содержанием меди 0,06 %). Все сплавы диаграммы при комнатной температуре содержат в структуре кристаллы меди и эвтектические включения (рисунки 3.5.2, в и г). Мелкие включения представляют собой вырожденную эвтектику в виде тонких прожилок почти чистого свинца (рисунок 3.5.2, б).

При кристаллизации таких сплавов часто образуется сегрегация в слитках, появившаяся в результате разницы удельных весов двух фаз. Для уменьшения сегрегации, увеличения однородности слитков применяют ускоренное охлаждение, механическое и электромагнитное перемешивание расплава. Очень эффективным оказывается обработка сплавов при кристаллизации ультразвуковыми колебаниями.