5 二组分金属相图的绘制

实验五二组分金属相图的绘制

【目的要求】

1. 学会用热分析法测绘Sn-Bi二组分金属相图。

2. 了解纯物质和混合物步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

3. 学会金属相图实验数据的采集，步冷曲线的绘制、相图曲线的绘制。

【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两种金属混合物熔融后，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称为步冷曲线。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平滑的步冷曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。利用步冷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步冷曲线及相图如图2-5-1所示。

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，却会使转折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2-5-2。遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。

图1 根据步冷曲线绘制相图图2 有过冷现象时的步冷曲线

【仪器试剂】

电脑1台；立式加热炉1台；保温炉1台；调压器1台；镍铬-镍硅热电偶1副；不锈钢样品管6个。

Sn(C.P.)；Bi(C.P.)；石蜡油；

【实验步骤】

1. 样品配制

用台称分别称取纯Sn、纯Bi各100g，另配制含锡20%、42%、60%、80%的铋锡混合物各100g，分别置于不锈钢样品管中，在样品中加入少量石蜡油。

2. 绘制步冷曲线

(1) 将热电偶及测量仪器如图3连接好。

(2) 将盛放样品的不锈钢管放入加热炉内加热(控制炉温不超过400℃)。待样品熔化后停

止加热。

1-加热炉；2-不锈钢样品管；3-套管；4-热电偶

图3

进行实验前，将仪器开启两分钟。设置好仪器的各种参数，具体的参数设置方法，请参照仪器的使用说明书。

按“打开串口”按纽，根据串口连接方式，选择适当的串口。如果选择正确，将会在软件左上方的文本框内显示仪器所测得当前的温度值。按下“坐标设定”按钮，设置图形框内所显示的温度的最小值，最大值、及时间长度。按下“开始实验”按钮，输入本次实验数据保存的文件名，而后开始进行记录实验数据。实验数据将以波形的形式显示在程序界面上。实验结束后，按下“实验结束”按钮，保存好本次的实验数据。本次试验的数据可通过“步冷曲线”按钮再次调入程序进行观看。

(3) 步冷曲线的绘制

进行多次实验后，便可以绘制步冷曲线。绘制曲线前，可按下“坐标设定”按钮设置好步冷曲线的温度范围及时间长度。按下“步冷曲线”按钮，根据实验要求将实验结果添加至图形上。多次重复这一过程，可将多条曲线添加至图形上。

3. 绘制相图曲线

从步冷曲线上读出拐点温度及水平温度。按下“相图绘制”按钮，分别输入“拐点温度”、“样品成分”，输入顺序请按照其中一种物质的百分比。为了保证相图的正确性，必须保证实验结果覆盖相图曲线的两段直线。

4. 程序按钮的含义说明

（1）“坐标设定”：

X轴表示时间坐标，Y轴表示温度坐标，单位为度；设定X的宽度，坐标为分钟；程序默认值分别为50分钟；温度为0到400度。实验开始前可以设定坐标范围。

（2）“开始实验”

在实验前，初步估计实验所需时间，实验所需最高温度，点击开始按键，程序弹出菜单，请输入实验结果的保存文件名；做实验时，可将温度及时间坐标范围选宽一点，以完整记录实验过程，如需具体观察某一段温度曲线，可在实验结束后，用以下方法实现：首先用“坐标设定”按钮设定图形的参数，用“添加数据文件”按钮将实验结果显示出来。

提示：如果实验时温度超过所设定的最高温度，实验数据仍然保存在结果文件中。（3）“实验结束”

观察到所需实验现象后，可点击实验结束按键，计算机自动保存实验结果，实验结果为一个“*.dat”的文件，其中的数据的数值为实际温度值乘以10。

（4）“退出实验”

点击退出实验，退出实验

5.“串口选择”

根据计算机和仪器连接所用的串口，选择串口1或2或3或4，当所选无效时，系统将给出如下提示：

6.点击画图区，则在左边的“位置温度”文字下面的内可出现鼠标所点击位置处的温度坐

标。

7. 图象放大

点击可将图象逐渐放大，便于观看曲线。

8. 图象缩小

点击可将图象逐渐缩小，直到将曲线恢复到默认大小。

9. 图象清空

点击可将所绘图形清空。

【注意事项】

开始实验前及绘制步冷曲线时可按下“坐标设定”键，进行图形参数设定。

用电炉加热样品时，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完全熔化，步冷曲线转折点测不出。

热电偶热端应插到样品中心部位，在套管内注入少量的石蜡油，将热电偶浸入油中，以改善其导热情况。搅拌时要注意勿使热端离开样品。

混合物的体系有两个转折点，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。

【数据处理】

1. 用已知纯Bi、纯Sn的熔点及水的沸点作横坐标，以纯物质步冷曲线中的平台温度为

纵坐标作图，画出热电偶的工作曲线。

2. 找出各步冷曲线中转折点和水平线段所对应的温度值。

3. 从热电偶的工作曲线上查出各转折点温度和水平线段所对应的温度，以温度为纵坐

标，以物质组成为横坐标，绘出Sn-Bi金属相图。

【思考题】

1. 对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？为什么？

2. 作相图还有哪些方法？

【讨论】

1. 本实验成败的关键是步冷曲线上转折点和水平线段是否明显。步冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则转折就不明显。故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6～8℃/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V左右）来减缓降温速率。

2. 本实验所用体系一般为Sn-Bi、Cd-Bi、Pb-Zn等低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。石蜡油的沸点较低（大约为300℃），故电炉加热样品时注意不宜升温过高，特别是样品近熔化时所加电压不宜过大，以防止石蜡油的挥发和炭化。

3. 固液系统的相图类型很多，二组分间可形成固溶体、化合物等，其相图可能会比较复杂。一个完整相图的绘制，除热分析法外，还需借用化学分析、金相显微镜、X射线衍射等方法共同解决。