实验一 金属二元相图绘制
金属二元二元相图
100%
5.1.3. 相图的建立
5.1. 基本概念
5.1.3 相图的建立 可以从理论和实验两条途径获得相图 实验：测临界点 理论：热力学函数计算
测定临界点的方法：热分析、X射线、电阻法、 金相分析法、热膨胀、磁性方法等 原理：材料在到达临界点时，相关的性能或参数 有一个突变，通过测突变点来确定临界点。
5.3 共晶相图
2. 共晶成分（ 61.9wt.% Sn） 在T=183oC时发生共晶转变 LE M + b N
合金中各相的相对百 分数：
% =
EN = 45.4% MN
b% =
ME = 54.6% MN
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
L
L
b
b
共晶组织中的II、bII，不容易在金相中被辨认
5.2
匀晶相图
5.2.3 非平衡匀晶转变
总的特点：成分不均匀 固相线偏离 易形成枝晶偏析
5.2 .3 非平衡转变
5.2
匀晶相图
1260
1240 1220 1205
固相线偏离
5.2 .3 非平衡转变
5.2
匀晶相图
先凝固的部分富Ni，不易侵蚀，呈现亮白色，成为枝干. 后凝固的部分富Cu，易被侵蚀，呈现暗黑色，分布于枝间.
第五章－I
二元相图
Binary Phase Diagram
T
米
水
基本概念－ 相律、成分表示方法、相图测定、杠杆定理
匀晶
形成化合物的相图 共晶型
二 元 相 图
典型的 二元相图
共晶 包晶
包晶型
具有固态相变 两相平衡转变
(整理)如何测绘二元合金相图
二组分固---液相图的绘制一、实验目的1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。
2.了解热分析法测量技术。
3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。
二、预习要求了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。
三、实验原理测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。
当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。
利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。
二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。
图1 根据步冷曲线绘制相图拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低 共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。
用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。
此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。
见图2。
遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。
图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。
当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。
若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。
当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。
二元合金相图的绘制与应用
实验 二元合金相图的绘制与应用一、目的要求1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法3、掌握微电脑控制器的使用方法4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法二、基本原理相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。
热分析方法与步冷曲线热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。
将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。
若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。
若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。
测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。
这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示：Bi-Cd 合金冷却曲线曲线1、5是纯物质的步冷曲线。
当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-Ø+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下T /℃t降。
曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。
与纯物质的步冷曲线不同。
系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。
金属学 二元相图,铁碳相图
预测材料的组织和性能
第一节 相图知识
二、相图与冷却曲线的关系：
成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果 系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将 不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时 的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。
第二节
二元匀晶相图与固溶体的凝固
第五章 二元相图
相图知识
二元匀晶相图与固溶体的凝固
二元共晶相图
二元包晶相图 复杂二元相图的分析方法 铁碳平衡相图
第一节 相图知识
一、相与相图
相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀 组成部分，称之为相。 相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组 成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变 化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如 物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
五、固溶体中溶质的分布
由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同，并 且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的， 当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。下面仅就几种特 例讨论。 如图所示相图的一部分，在温度t时，平衡 的液—固相成分的比，称为平衡分配系数。
第一节 相图知识
一、相与相图
二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含 量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示， 通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横座标用线 段表示成分，纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下 存在的相来分隔。(如图)
相图用途：
1. 由材料的成分和温度预知平衡相； 2. 材料的成分一定而温度发生变化 时其他平衡相变化的规律； 3. 估算平衡相的数量。
实验指导4-二元金属相图绘制
实验指导4-二元金属相图绘制(1)由于金属相图是多相体系处于相平衡状态时温度对组成作图所得得图形,因此被测体系必须时时处于或非常接近与相平衡状态。
所以体系冷却速度必须足够慢，可通过程序控温器或用一个由调压器控制的立式冷却保温电炉，减缓冷却速度，满足实验要求。
冷却速度太慢，将延长实验时间，实验中将适当掌握。
但切忌在一个步冷曲线的测试过程中不断改变样品的测试温度。
（2）样品的组成在测试过程中必须保持不变，除了样品本身必须保持必要的纯度外，在测试过程中必须保持样品在管中的均匀性。
另外必须避免温度过高而使样品发生氧化变质，否则体系的组成将发生变化，从而影响实验结果，加热温度过低将测不到所需的相变点，因此一般在样品全部熔化后再升温50℃左右未适宜。
样品表面加少量石墨粉以隔绝空气防止样品氧化也是普遍采用的措施。
（3）绘制固液二组分相图的方法通常有溶解度法和热分析法。
溶解度法是指在确定的温度下，直接测定固液两相平衡时溶液的浓度，然后根据测得的温度和相应的溶解度数据绘制相图，这种方法使用于常温下易测定组成的体系，如水-盐二组分体系等。
热分析法适用于常温下不便直接测定固液平衡时溶液组成的体系(如合金和有机化合物凝聚体系),通常利用相变时的热效应来测定组成以确定体系的温度,然后根据选定的一系列不同组成的二组分体系所测定的温度绘制相图.此种方法简单、易于推广，对于一些二组分金属体系，若挥发的蒸汽对人体健康有害，则可采用热分析法的另一种差热分析（DTA）或差示扫描（DSC）法绘制相图。
7 .提问与思考(1) 对于不同组成混合物的步冷曲线，其转折点与水平段有什么不同?(2) 步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔混合物及合金的转折点各有几个?曲线形状有何不同?为什么?（3）试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的异同点。
物理化学实验报告——二元合金相图的绘制
物理化学实验报告班级：姓名：学号：实验日期：2019年5月18日实验名称：二元合金相图的绘制一、实验目的（一）学习热分析法绘制相图的基本原理（二）加深对相变过程的认识和理解二、实验原理热分析法是一种常用的绘制相图方法。
由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出，因此将系统均匀加热或冷却时，若不发生相变，则温度T随时间t变化的T-t 曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时，其T-t曲线就会出现转折点或平台，其温度随时间的变化率会发生突跃。
把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。
步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。
根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。
图2.9.1(b)就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。
所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶（即彼此不生成固溶体），这两种物质也不生成化合物。
Pb-Sn二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。
对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段。
二组分液态混合物系的凝固过程并不是在一个温度点上完成的。
在凝固过程中，随着某个纯固体组分的析出，溶液的组成会不断发生变化，所以它的凝固点（即二相平衡温度）也会发生不断变化。
与此同时，由于凝固过程是放热的，即系统在对外放热的同时也会得到部分热量的补充，所以其温度降低速度会明显放慢，其步冷曲线上会出现一个拐点。
步冷曲线上的拐点与相图中的点有一一对应的关系。
在实验过程中需要注意以下几点：(1)因为待绘制的相图是平衡状态图，故实验过程中被测系统需时时处于或接近于平衡状态。
所以在系统冷却时，冷却速度应足够缓慢。
冷却过程中应尽量保持环境状况前后一致，不要搅拌，也不要晃动温度探头或样品管。
(2)实验过程中，待测样品的实际组成应与标签一致。
如果实验过程中样品未混合均匀或部分样品发生了氧化，则实验结果就误差越大。
(3)测得的温度值必须能真正反映系统的温度。
二元合金相图的绘制实验报告
实验九二元合金相图的绘制【摘要】本文的目的是使我们加深对相变化过程的认识和理解，学习和掌握绘制相图的方法。
采用法热分析法绘制步冷曲线，从而绘制铋跟铬共熔体的简单低共熔相图；测定了铋跟铬共熔体系中的低共熔点时的成分组成及低共熔温度。
实验结果表明，铋跟铬共熔体系中的低共熔点时，铋的含量为56％，低共熔温度为148.6℃。
结果说明，实验方法正确，结果较为理想，但仍存在一定的误差。
【前言】相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度—组成图来描述。
热分析法是一种常用的绘制相图方法。
由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出,因此将系统均匀加热或冷却时,若不发生相变,则温度T随时间t变化的T-t曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时,其T-t曲线就会出现转折点或平台,其温度随时间的变化率会发生突跃。
把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。
步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。
根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。
下图就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。
所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶(即彼此不生成固溶体),这两种物质也不生成化合物。
铋-铬二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。
对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段，这是由于在定压力下，根据相律系统的自由度f与组分数C、相数P的关系以表示为：f=C−P+1故一定压力下当纯物质处于固液两相平衡时，C=1，P=2，自由度f=0,所以温度恒定不变，其步冷曲线上会出现一个平台((即水平段)。
上图中的曲线0.0就是x B=0.0时即纯A的步冷曲线；曲线1.0是x B=1.0时即纯B的步冷曲线。
在开始凝固之前和完全凝固以后，系统中只有一种纯液体或只有一种纯固体。
二元合金相图(很好很强大)
(ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是
一次相为 ，二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ,共晶体 (+)都是组
织组成物。 相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
Fe-Fe3C相图
⑷ 三相区的确定：二 元相图中的水平线 是三相区，其三个 相由与该三相区点 接触的三个单相区 的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 共晶反应 包晶反应 共析反应
反应式
说明
L⇄ +
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。
恒温下由一个液相包着
L + ⇄ 一个固相生成另一个新
铁碳合金相图
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应 的母相是固相， 而不是液相。
另外，由于固态 转变过冷度大， 因而共析组织比 共晶组织细。
BiSn二元金属相图的绘制（热电势法）实验报告
Sn—Bi二元金属相图的绘制（热电势法）一、实验目的1、用热电偶—电位差计测定Bi—Sn体系的步冷曲线，绘制相图；2、掌握热电势法测定金属相图的方法；3、掌握热电偶温度计的使用，学习双元相图的绘制；二、实验原理研究多相体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化的规律，并用图形来表示体系状态的变化，这种图形就称为相图或称为状态图。
用热分析法可绘制相图，测绘一系列不同组成的金属混合物的步冷线，然后把各步冷曲线上物态变化的温度绘在温度--组成图上，即把图中各步冷曲线的转折点和水平段所对应的温度用。
表示在温度--组成图中，即得到该体系的相图。
液相完全互溶的二组分体系，在凝固时有的能完全互溶成为固溶体，有的仅部分互溶，如本实验的Bi--Sn体系。
本实验用热电偶作为感温元件，自动平衡电位差计测量各样品冷却过程中的热电势，作出电位—时间曲线(步冷曲线)，再由热电偶的工作曲线找出相变温度，从而作出Bi-Sn体系的相图。
三、实验仪器和试剂坩埚电炉(含控温仪);自动平衡电位差计;冷却保温装置;样品管;杜瓦瓶;镍铬---镍铝(或含其他材料);热电偶.锡(AR)232;铋(AR)271四、实验步骤1、准备工作在杜瓦瓶中装入室温水，按图连接路线并检查线路。
热电偶调零:在测温热电偶为室温温度时开启记录仪开关，调量程为10mV，走纸温度为0，调节零旋纽使记录笔位于记录纸左边零线处。
这时位置所指温度热电势为0，代表温度为室温。
2、测量（1）加热试样:置纯Sn样品坩埚于管式电炉中,置电热偶温度计于坩埚中细玻璃管内,并插入底部.调调压器使加热电压为150mV,加热至坩埚中细玻璃管能动则说明试样已熔化，停止加热。
（2）测量步冷曲线当发现记录笔开始向左移动(降温)时，放下记录笔，调走纸速度为4mm/min，开始测量。
当平台出现后一会抬起记录笔并调节走纸速度为0。
同上步骤，依次测量含Bi 30%，58% 的混合物。
五、实验数据记录及处理1.测纯Sn的各样品电势变化各样品的步冷曲线如下： 纯Sn ：0246810123.54.04.55.05.56.0电势（m v ）时间（min ）30%Bi ：58%Bi ：5101520251.52.02.53.03.54.04.55.05.5电势（m v ）时间(min)5101520251.52.02.53.03.54.04.55.0电势（m v ）时间（min ）量程为10mV ，加热电压为150mV 时热电偶的工作曲线为：2、测纯Bi的各样品电势变化各样品的步冷曲线如下： 1.纯Bi ：-112345678101112131415电势（m v ）时间(min)2、58%Bi ：-551015202530354045678910电势（m v ）时间(min)3、80%Bi ：-551015202530352468101214电势（m v ）时间(min)量程为20mV由以上两组样品的相变温度的 Sn —Bi 二元金属的相图如下：Bis n温度（℃）组分（%）由图可知：合金的最低共熔温度是145℃，即含58% Bi 时，此点为三相点。
金属相图的绘制
实验一金属相图的绘制一、实验目的：1.学会用热分析法测绘Pb-Sn二组分金属相图。
2.掌握热分析法的测量技术。
二、实验原理：相图是用以研究多相体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化的图形。
对于二组分体系，体系的自由度最多等于3，即体系的状态可以由温度、压力和组成所决定。
若将压力确定，则体系的自由度为2，此时的体系状态可以由温度及组成确定，此时的相图即温度—组成图。
热分析法是绘制相图最常用的基本方法之一。
其基本原理是，当体系缓慢而均匀地冷却时，如果体系内不发生相变化，则温度将随时间而均匀地改变，当体系内有相的变化发生时，由于相变潜热的出现，所以，温度—时间图上就会出现转折点（表示温度随时间的变化率发生了变化）或水平段（温度不随时间而变化）。
通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间记录一次温度，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制步冷曲线。
如图，当体系均匀冷却时，如果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化是均匀的，冷却也较快（如图中ab线段）。
若在冷却过程中发生了相变化，由于在相变过程中伴随有热效应，所以体系随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线出现转折点（如图中b点）。
当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），由于此时熔液的组成已达到最低共熔混合物的组成，故有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，因此步冷曲线出现平台（如图中cd段）。
当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中de段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系来说，可以根据它的步冷曲线，判断有固体析出时的温度和最低共熔点的温度，如果作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出对应各转折点，即能画出二组分体系的温度——组成图。
三、仪器与试剂：金属相图专用加热装置JX-3D型金属相图控制器（含热电偶）计算机及其它附件锡铅四、实验步骤：1.检查各接口连接是否正确，然后接通电源开关。
步冷曲线法绘制二元合金相图 共18页
步冷曲线法绘制二元合金相图
实验目的 实验原理 仪器和试剂 实验步骤 数据处理 思考题
实验目的
1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，绘制 Pb—Sn二元合金相图。
2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测 量温度的原理和方法。
实验原理
1. 相图
相图是多相体系处于相平衡状态时体系 的某些物理性质（如温度或压力）对体系的 组成作图所得的图形，因图中能反映出相图 平衡情况（相的数目及性质等），故称为相 图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚 体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系 的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成 为横坐标，以温度为纵坐标作图。
(5) 用上述方法依次绘制锡、铅、61.9%、80%、40%、20% （Sn%）等样品的步冷曲线。记录试样的组成及转折点温度。
金属相图程序操作：
1．打开桌面上的快捷方式，输入姓名和学 号，进入程序。
2．设置——串行口（选择1/3）。 3．数据通讯——清屏——开始实验——输
入样品名称和成分——确认。 4．停止实验——文件——保存到数据库。
注意事项
(1) 用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度 过高样品易氧化变质; 温度过低或加热时间不够则 样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。
(2)搅拌时要注意勿使热端离开样品，金属熔化后 常使样品管盖浮起，这些因素都会导致测温点变 动，必须消除。
(3) 在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热 炉内预热，以便节约时间，合金有两个转折点， 必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则 须重新测定。
图1.2数字温控仪前面板示意图 1. 电源开关. 2. 定时设置增、减按钮—从0-99之间设置. 3. 工作/置数转换按钮—切换加热、设定温度的状态.
金属二元二元相图
xA =
100%
xB =
100%
5.1.3. 相图的建立
5.1. 基本概念
5.1.3 相图的建立 可以从理论和实验两条途径获得相图 实验：测临界点 理论：热力学函数计算
测定临界点的方法：热分析、X射线、电阻法、 金相分析法、热膨胀、磁性方法等 原理：材料在到达临界点时，相关的性能或参数 有一个突变，通过测突变点来确定临界点。
第五章－I
二元相图
Binary Phase Diagram
T
米
水
基本概念－ 相律、成分表示方法、相图测定、杠杆定理
匀晶
形成化合物的相图 共晶型
二 元 相 图
典型的 二元相图
共晶 包晶
包晶型
具有固态相变 两相平衡转变
其它类型的 二元相图
相图的热力学基础－ G-X曲线、公切线法则、 G-x曲线推测相图、相图的几何规律 根据相图判断性能、实例分析, Fe-C相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
3. 亚共晶材料
液相中先生成 平衡反应后继续 冷却时析出bII 4. 过共晶材料 液相中先生成b 平衡反应后继续 冷却时析出II
L L L b bb
L L b L b bb
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
b. 伪共晶区的形状和位置
对称型 非对称型
非对称的原因
两相的熔点不同
伪共晶区偏向于高熔点组元，这是因为此时共晶点偏 向于低熔点组元，共晶成分和低熔点相接近，低熔点 相容易先生成。
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
物理化学实验讲义
实验一二组分金属相图的绘制一、实验目的1.用热分析法绘制二组分金属相图。
2.掌握数字控温仪和可控升降温电炉的基本原理和使用方法。
二、实验原理将纯Pb或纯Sn以及不同含量的Pb-Sn混合物熔化后，冷却的过程中温度-时间曲线（步冷曲线）斜率发生改变，表明有相变热放出。
根据相律F=C–P+2，压强一定，单组分发生相变时F=1–2+1=0，步冷曲线斜率发生改变处应为平台。
而双组分发生相变析出一种固体时，F=2–2+1=1；步冷曲线斜率发生改变处为转折，两种固体同时析出时，F=2–3+1=0，步冷曲线斜率发生改变处为平台。
因而，从步冷曲线上有无转折或平台就可知道系统在冷却过程中有无相变化。
测定一系列组成不同样品的步冷曲线，在其上面找出发生相变时的温度，就可绘出温度-组成图。
三、实验仪器和试剂1．KWL-09可控升降温电炉---金属固体的熔化与金属熔融液的冷却装置2．SWKY-ⅠA数字控温仪---金属固体的熔化温度控制与显示装置3．含Sn0%、20%、40%、61.9%、80%、100%的Pb-Sn六个样品管。
四、实验步骤（一）数字控温仪操作步骤1、接通电源2、按压“工作/置数”键，使“置数”灯亮。
（二）可控升降温电炉操作步骤1. 将数字控温仪与可控升降温电炉进行连接。
将―冷风量调节‖逆时针旋转到底；―加热量调节‖ 逆时针旋转到底。
将装有金属的样品管放到电炉样品管摆放区。
2. 将样品管插入控温区―7‖，温度传感器Ⅰ插入控温传感器插孔―6‖，温度传感器Ⅱ插入测试区炉膛内。
3. 按数字控温仪使用说明设置控制温度、定时。
4. 当温度显示I达到所设定的温度并稳定10分钟，把温度传感器Ⅱ放入样品管内，再稳定5分钟，待样品管内试剂完全熔化后，用钳子取出样品管连同温度传感器Ⅱ一起放入测试区炉膛内。
5. 采用自然降温法冷却样品，效果比较好。
6. 数字控温仪置于“置数”状态，设置控温仪的时间间隔（20秒）按设置的控温时间间隔记录温度，直到步冷曲线的平台（注意：含Sn20%、40%、80%的样品有拐点和平台各一个）以下20℃~30℃，结束一组实验，得出该配比样品的步冷曲线数据。
实验一用热分析法建立二元合金相图
扩散层中β、γ和ε相区的厚度z。
五、实验报告要求
1．设计一个表格，把T（渗碳温度）、t（渗碳时间）、 CS（表面碳浓度）、x1、x2、x3、及D填入表内。
2．用求得的D值和已知的t、Cs值求不同深度的碳浓度，
并建立渗层的C%-x曲线，所设x值不得少于8个。 3．分别画出500℃扩散10h和380℃扩散10h的铜-锌扩
散偶扩散层组织示意图，并注明各层各相的名称。
4．以距离Z为横坐标，以锌浓度Zn%为纵坐标，将实验 中测得的各相区的厚度标在横坐标上，根据Cu-Zn相 图确定500℃和380℃各相的最低含锌量和最高含锌量， 然后建立扩散层中锌浓度分布曲线，即Zn%-Z曲线。
二、实验原理
（一）碳在铁中扩散系数D的估算
C
Cs
1
erf
2
x Dt
用金相法通过测量渗层深度近似给出 不同位置x的碳浓度。 Cs有Fe—C相图确定或渗碳时的气氛碳势。 根据上式即可计算C在铁中的扩散系数D。
二、实验原理
（二）铜—锌扩散偶的扩散层组织
可借助Cu－Zn相图 分析扩散层组织 ， 注意二元合金扩散层 不会出现两相区
2.说明Pb—Sn二元合金的组织特征，绘出示意图，并 注明各组成物的名称。
3.分析Sn-Sb合金中含Sb80％成分合金的结晶过程及 结晶后所得的
100%Sn
四、实验步骤
1 分组，每组3人
2 熔化合金，至熔点以上100℃左右 3 冷却，测冷却曲线：每隔1min记录一次电位
差计的读数，在临界点附近，可以每隔半分 钟作一次记录。 4 作出冷却曲线，确定临界点 5 根据不同成分的临界点，作出相图
二元合金相图的建立
图3-2 (a)为工业用Cu一Ni合金相图。图中A点为纯铜的 熔点，B点为纯镍的熔点。A1B为液相线，液相线以上为液相 区，用L表示;A3B为固相线，固相线以下为固相区，用α表示; 液相线与固相线之间为两相区，用L+ α表示。
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3.1 二元合金相图
在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图3-8为 Pb-Sn共晶合金的显微组织，黑色的为 α相，白色的为β 相。
(3 ) III成分合金( wsn= 19%-61. 9%)。该成分段的合 金称为亚共晶合金。Pb-Sn亚共晶合金平衡结晶过程如图3-9 所示。
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3.1 二元合金相图
3.1.2共晶相图的建立
两组元在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且 发生共晶转变的相图，称为共晶相图。所谓共晶转变是指一定 成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分一定 的固相的转变。所生成的两相机械混合物称为共晶体。如PbSn , Pb-Sb , Al-Si , Ag-Cu等都属于共晶相图。
项目三 二元合金相图的建立
3.1 二元合金相图 3.2 铁碳二元合金相图
3.1二元合金相图
合金的结晶过程及所得的组织比纯金属复杂得多。合金中
组元种类及数量的变化，将引起合金组织与性能的变化。为了
掌握合金组织与性能之间的关系，必须了解合金的结晶过程，
了解合金中各组织的形成及变化规律。相图是研究这些问题的
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3.2 铁碳二元合金相图
3.2.1 铁碳合金的基本相
金属相图绘制
物理化学实验报告实验题目：金属相图绘制平均室温：℃平均气压：Kpa同组人：日期：12-11-20一、实验目的。
1. 学会用热分析法测绘Bi—Sn二组分金属相图。
2. 掌握热分析法的测量技术。
3. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。
4. 学会用Matlab处理数据及其绘制。
二、实验原理。
相图是用以研究体系的状态随浓度，温度，压力等变量的改变的图形。
可以表示出在指定条件下体系存在的相数和各相的组成.对蒸气压较小的二组分凝聚体系常已温度-组成图来描述.热分析是绘制相图常用的基本方法之一，这种方法是通过观察体系在冷却时温度随时间的变化关系，来判断有无相变的发生。
通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间记录一次温度，以温度（T）为纵坐标，时间（t）为横坐标，绘出步冷曲线的T--t图。
同理作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出个转折点即能画出二组分体系最简单的相图（温度—组成图）。
本实验用热电偶作为感温元件，自动平衡电位差计测量各样晶冷却过程中的热电势，作出电位—时间曲线(步冷曲线)，再由热电偶的工作曲线找出相变温度，从而作出Bi-Sn体系的相三、仪器与试剂。
坩埚钳1把立式冷却保温电炉1台镍铬—考铜热电偶1支样品管5支铋（C.P）锡（C.P）四、主要实验步骤。
1. 热电偶的校正关于热电偶的种类、制备和适用范围可参阅本实验附录1。
本实验只进行镍铬一考铜热电偶的校正。
将热电偶按图5－2安装好，接线时要注意毫伏的正负端是否连接正确，这可在热端与冷端间加一温差，从毫伏计指针的偏转（很小）方向来判断。
用台称称取铋、锡各100g、邻苯二甲酸酐15g，分别装于样品管中（在铋、锡样品上覆盖一层石墨粉，以防样品氧化）。
在装样品的同时，将热电偶热端的玻璃套管插入样品管中，然后逐个将样品放人冷却保温炉中加热熔化（或先在电炉中加热熔化，再移人保温炉中进行冷却）。
待样品熔化后，用热电偶的玻璃套管搅拌样品．使它各处的组成和温度均匀一致。
简单二元系统相图的绘制
实验一 简单二元系统相图的绘制一、目的与要求：1．用热分析法测绘P b -S n 二元金属相图。
2．了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方法。
二、原理：相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质（如温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的图形，图中能反映出相平衡的情况（相对数目及性质等），故称为相图。
二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质以及多相体系相平衡情况的变化，都要用到相图。
图1-1是一种类型的二元简单低共熔物相图，图中A 、B 表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T ，横轴是组分B 的百分含量B%，在acb 线的上方，体系只有一个相（液相）存在，在ecf 以下，体系有二个相（晶体A 和B ）存在，在ace 包围的面积中，一个固相（A ）和一个液相（A 在B 中的饱和熔化物）共存，在bef 所包围的面积中，也是一个固相（B ）和一个液相（B 和A 中的饱和熔化物）共存。
图中C 是ace 与bef 两个相区的交点，有三相（晶相A 、晶相B 、饱和熔化物）共存。
所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。
常用的方法就是热分析实验法。
热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度，将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间读体系温度一次，所以得历次温度值对时间作图，得一曲线，一般称为步冷曲线或冷却曲线。
在冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，因此步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子，若图1-2是图1-1中组成为P 的体系步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。
因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，求出各转折点，即能画出二元体系的最简单相图（对复杂的相图，还必须配合其它方法，方能画出）。
02第2章 金属的结晶与二元合金相图
工程材料及成形技术
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
工程材料及成形技术
高温下，晶界呈粘滞状态，在 外力作用下易产生滑动，因而 细晶粒无益。但晶粒太粗易产 生应力集中。因而高温下晶粒 过大、过小都不好。
工程材料及成形技术
的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。
雾 凇
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2.1 纯金属的结晶
液态金属在理论结晶温度 以下开始结晶的现象称过 冷。
理论结晶温度与实际结晶 温度的差T称过冷度 T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度有 关，冷速越大，过冷度越 大。
变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。 例如： 铝合金液体中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金； 都可使晶粒细化。
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2.1 纯金属的结晶
Al-Si合金组织
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未变质
变质
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正温度梯度
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平面长大视频
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2.1 纯金属的结晶
二元合金相图
Cu-Ni相图
相图的意义：分析合金组 织的重要参考资料；制定 热加工工艺的重要依据。
Cu-Sn相图
§相图的建立
相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。 一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。
热分析法
名称 晶格类型
熔点 合金1 合金2 合金3
…….. 合金9 合金10 合金11
A金属 bcc 高
实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却 速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的 温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶 核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一 次轴又会产生二次轴……，树枝间最后被填充。
• 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不 能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两 平衡相的相对质量，也可以计算其它类型二元 合金相图两相区中两平衡相的相对质量。
QL
Qa
匀晶相图合金的结晶过程
杠杆定律 Qa a% ab
QL L% bc
QL×ab= Qa × bc
QL
Qa
杠杆定律与力学比喻
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点， 而支点为合金的成分点。
【证明】
Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%， a相中Ni质量分数c%。
Q0 × b%=QL × a% + Qa × c% Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。
又因为
Q0=QL+Qa
所以 （QL+Qa ）× b% = QL × a% + Qa × c%
Qa ba ab QL cb bc
由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。
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实验三金属二元相图绘制
一、实验目的
（1）了解步冷曲线的测量原理和类型；
（2）用测定步冷曲线的方法绘制Bi-Sn二元合金相图。
（3）加深对物理化学的简单相图的分析和理解。
二、实验原理
1.相图
相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。
由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。
2.热分析法测绘步冷曲线
热分析法是绘制相图常用的基本方法。
其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。
记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图3-1）。
从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。
当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t 曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t 图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。
对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图3-1所示。
(a) (b) (c)
图3-1 冷却曲线形状
3.绘制二元合金相图
无论平台还是转折，都反映了相平衡时的温度，把各种不同组成的体系的步冷曲线的转折点（拐点）和平台，在温度-组成图上标志出来连成曲线就得到相图。
图3-2 根据步冷曲线绘制相图
严格地讲，Bi－Sn合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，只能得出一与Bi－Cd系统相仿的相图，所以，我们通过本实验得到的是Bi－Sn二元合金的简化相图如图3-2所示。
本实验是利用“热分析法”测定一系列不同组成的Bi-Sn混合物的步冷曲线，从而绘制出此二组分体系的金属相图。
利用程序升降温仪控制电炉的加热和降温，可以人为设定降温速率，通过热电偶采集温度数据使步冷曲线直接显示在微机屏幕上，同时在程序升降温控制仪上配有温度数值显示和定时报鸣时间，因此也可手工记录画出步冷曲线。
三、实验仪器与试剂
(1)金属相图实验炉KWL-08(南京桑力电子设备厂); SWKY-Ⅰ控温仪，带支硬质试管(内装有仪器玻璃套管)
(2)试剂有纯锡，纯秘，石墨粉。
四、实验步骤
1）配制样品。
用天平台秤分别配制含Bi20％、30％、38.1％、58%或80％的Bi-Sn混合物各60克，以及纯Bi、纯Sn各50克，将以上7个样品分别装入样品管中，再各加入少许石墨粉（减缓金属氧化），最后将带橡皮塞的玻璃套管插入样品管，注意使套管底部距样品管底部8～12mm距离。
样品成分见表3-1所示。
2）实验装置见图3-3。
2
1.电炉控制器
2.试样管
3.电炉
4.热电偶
图3-3 金属相图测定实验装置
3）采用“外控”方式进行控温
（1）阅读“WCY-SJ程序升降温控制仪”的使用方法。
将一样品放入电炉中，并将热电偶小心地插入盛样品的玻璃套管中。
将控制开关置于“外控”位置，“加热量调节”和“冷风量调节”旋钮逆时针旋到底。
(2)接通电源，控制器显示室温，调节“加热量调节”旋钮使电炉按所需的升温速度
进行升温，此时炉体上电压表指示电压值。
(3)当炉内温度(即显示温度)达到所需温度时，关闭“加热量调节”旋钮(电压表指
示“0")，停止加热。
但由于炉丝在断电后热惯性的作用(实验中一定要注意考虑热惯性
作用)，将会使炉温上冲100-160度(冬天低夏天高)，然后自动降温。
(4)设定鸣笛时间，一般60s叫一次，记录一次温度值，过转折点后(合金有两个转折点)再读4-5次即停止。
（5）、根据各样品步冷曲线确定的相变温度—“拐点”和“平阶”，画出如图1-2所示的相图。
五、实验记录及数据处理
1、详细记录你所记录的一个样品的温度变化过程，并作出其步冷曲线。
样品编号：
温度变化过程：
步冷曲线：
2、根据的温度－时间曲线（即步冷曲线），分析每个样品的转变温度，并将数据列入表3-2中。
3、以横坐标表示组成，纵坐标表示温度，根据样品转变温度数据记录作出Sn—Bi相图，并确定共晶点温度。
五思考题
（1）为什么在同样的降温条件下，不同组成的步冷曲线上的转拆点明显程度不一样?
（2）试用相律分析最低共熔点及液相线的自由度。