金属相图

实验五 金属相图

1. 摘要

最早研究Pb-Sn 熔点与组成关系是在19世纪20年代，在这类体系中所发现的 最低共熔组成被误认为是PbSn 3的化合物。直至在Gibbs 推导出相律（1973~1976年间），继1886年Lechatelier Heney L 发现能够正确测量高温的铂-铂铑热电偶以后，奠定了热分析方法的基础。现在，一般采用自动平衡记录仪或者电位差计测量温差电势，通过测定不同金属组成的合金熔融液的步冷曲线（简单热分析方法）绘制简单低共熔体系相图。相律：

关键词：低共熔点 三相线 相区 固熔体 2． 仪器与试剂

暗丝管加热电炉 1只 调压变压器 1只 硬质玻璃样品管 6只 镍铬-镍硅热电偶（铠装） 2支 单笔自动平衡记录仪（或UJ-25型电位差计） 1台 冰水浴 铅（C.P ） 锡（C.P ） 铋（C.P ）

（1）配制钝铅、纯锡以及含锡分别为20%、40%、61.9%、80%的样品管（各 管总量100克）

（2

3．预习提问

（1）什么叫步冷曲线，纯物和混合物的步冷曲线有何不同？

（2）测定步冷曲线时应自何时开始记录数据或走纸为适宜？如何防止发生过冷现象？如有过冷发生，则相应相变点温度如何推求？

（3）如何由步冷曲线绘制相图？出现固熔体的步冷曲线有何特征？

（4）试述热电偶温度计的简单工作原理。如何进行校正？

（5）试述自动平衡记录仪的简单原理、使用及接线？

4．操作

5．数据和图象

（1）文献数据

最低共熔点：组成：61.9% 温度：456.9K（据H.穆拉契编著,原重工业部专家工作室译《有色冶金手册》P111）

要求：所测最低共熔温度在455~459K，低共熔组成在61~63%

（2）步冷曲线与金属相图

（3）表格

表2.5.1 体系步冷转折温度

6．.点评

(2)器材选配与操作技能

由于立式冷却保温电炉不能人为地控制样品与冷却电炉的温差，

使得高温段如纯 铅的平台难以测准，甚至拐点不明显，所以在实验的改进是利用自动控温回转管式电炉（RJK 系列管式电阻炉和DRZ -4型电炉温度控制器，见装置图2.5.1），可以获得在较短时间内成功绘制较佳相图的效果。

（3）实验可用热电偶配电位差计随时间而读mV 值，也可使用数字电压表直读或采用自动平衡记录仪。

(4)为了提高热电偶测温的精度，可以采用多支热电偶串联 起来组成热电堆(图2.5.2)的方法，热电势为各支热电偶温差 电势之加和，从而大大提高测量灵敏度（可达0.0001K ）。

(5)Pb-Sn 、Bi-Sn 属于液相部分互溶体系，Bi-Cd 则属于液

相完全互溶，固相完全不互溶的体系。如果再增加含锡10%、

20%及40%等样品进行测试。添置一台温度自动控制器及其控温热电偶，并借助于

(1)实验关键 ①冷却速度

相图是多相体系处于相平衡状态下温度对于组成的坐标图。所以应使体系保持5~7K/分的均匀速度冷却，冷却速度的快慢不仅取决于体系和环境温度及体系本身的相变情况，还与保温炉的热容和散热情况有关。散热太慢属于实验时间不必要的延长。所以要结合实际情况摸索调压变压器的控制条件。 ②用热电偶测温的重现性

由于烧制热电偶时成分质量难保一致，制造工艺的质量也难保一致，所以，各支热电偶的热电势不尽相同，彼此约有几十至200微伏的差别，需对每支热电偶的热电势均力敌进行校正，以便确定各自对应的温差；其次，对于同一支热电偶欲测同一样品，如属新鲜配制的合金，当其均匀性不好时，重现性自然较差，这就要求在加热到最高相变点温度以上时充分搅拌均匀；第三，插入热电偶的位置也影响到测定结果，热电偶要保证插在金属熔体的中部位置，否则，因受环境影响，步冷曲线的平台将不明显。

③样品须保证必要的纯度

在测试过程中须保持样品在管中的均匀性。另外须避免温度过高导致样品发生氧化变质。通常在样品全部熔化后再升温50K 左右较为适宜，注意电炉升温的惯性需提前降电压。样品加少量石墨粉隔绝空气防止氧化也是普遍采用的措施。 ④样品量

采用本实验电炉加热，样品量不宜少于10克以保证有足够的相变热能显示转折点。 ⑤为避免玻璃管遇高温易破裂，使用金属管例如不锈钢管较好。 图2.5.3 热电堆

塔曼三角形法便可获得较完善的相图。

7．解题研习

(1)升温曲线是否也可作相图？

可以，但在实验过程中需有均匀的升温速率，这样，实验设备和控制条件要求较高，因此，一般均用步冷曲线的方法来绘制固-液体系的相图。

(2)作相图还有哪些方法？

相图系表示体系的组成、温度、压力之间的关系。对于不同对象可以采用不同的测定方法。除步冷曲线这样的热分析方法外，对于水盐体系采用测不同温度下的溶解度，对于气、液平衡可以采用蒸馏法测沸点和平衡两相的组成，等等。

(3)何以见得Pb-Sn相图存在固溶体区（Sn-Bi同样）？

①样品冷却至低共熔温度时，曲线不发生转折也不出现平台线，判断进入

了固熔体区。

②准确量出有低共熔平台的样品系列之各平台长度，按拉曼三角形绘制相图，便可从二条直线外推得到固熔体与低落共熔温度线的交点。

（4）生成固熔体α和β的Pb-Sn体系相图，Sn的熔点为505K，Pb的熔点为600K。低共熔点是456K，含Sn(质量)62%组成。在不同温度下固熔体的组成如下：

试作出相图并进行如下分析。

假定液相线和固相线均为直线，对一含有37%（质量）锡的合金，求：

①从熔体中首先析出的温度；

②首先析出的固体组成；

③在476K时，合金体系中固态所占比例；

④在高于低共熔温度20K时，合金中低

共熔混合物所占的比例；

⑤在423K时，合金中α固熔体所占比例。

解①作图2.5.4。 a点：

（600-456）:0.62=(600 -T a):0.37, T a

② a点组成：X a =0.19⨯

=0.114=11.4%(含Sn)

③ b点组成：X b=0.19⨯(600-476)/(600-456)=0.164

c点组成：X c=0.62⨯(600-476)/(600-456)=0.533

固态（Pb）所占比例：(0.533-0.37)/(0.533-0.164)=44.2%（质量）

④初达三相线时低共熔混合物（l）所占比例：

(0.37-0.19)/(0.62-0.19)=41.9%（质量）

⑤在423K时，含α固熔体:（0.99-0.37）/(0.99-0.12)=71.3%(质量)

固相完全不互溶可找Bi-Cd等及盐－水类相图。

（5）相平衡图根据其分类应用了哪几类坐标系？