二组分合金系统相图的绘制

综合测试实验
一、目的要求
1.用热分析步冷曲线法绘制铋-镉二组分金属相图
2.掌握热分析法的测量技术
二、基本原理
较为简单的二组分金属相图主要有三种：
一种是液相完全互溶，固相也完全互溶成固溶体的系统，最典型的为Cu-Ni 系统；一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统，最典型的是Bi-Cd系统；还有一种是液相完全互溶，固相是部分互溶的系统，如Pb-Sn系统，本实验研究的是Bi-Cd系统。

热分析中的步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一。

它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，热量的释放或吸收及热容的突变，得到金属或合金中相转变温度的方法。

本实验是先将金属或合金全部熔化，然后让其在一定的环境中冷却，并在电脑上自动画出温度随时间变化的关系曲线—步冷曲线（见图1）。

当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，则系统的温度随时间的变化是均匀的，冷却速率较快（如图1中ab线段）；若在冷却过程中发生了析出固体的相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统的冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折（如图1中b 点）。

当熔液继续冷却到某一点时（如图1中c点），系统以低共熔混合物固体析出，在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变，因此步冷曲线上出现水平线段（如图1中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图1中的线段）。

图1步冷曲线图2步冷曲线与相图
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。

根据一系列组成不同系统的步冷曲
线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度-组成图）。

不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图2所示。

用步冷曲线法绘制相图时，被测系统必须时时处于接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

三、仪器和试剂
1.仪器：
ZR-HX金属相图试验装置一套；电脑一台（四套公用）
2.试剂：
铋（分析纯、熔点为544.5 K）、镉（分析纯、熔点为594.1 K）
四、实验步骤
1.配制试样：
配制含铋质量分数分别为20%、40%、60%、80%的Bi-Cd合金150g，再称纯Bi、纯Cd各150 g，分别放入6个不锈钢试管中，上面滴入约1 mL的硅油。

在放入感温元件的细筒中也要滴入几滴硅油。

2.准备工作
（1）根据控制器所接位置，分别选择“A”或“B”加热器（可以根据情况只接一个加热器）
（2）检查主机、从机和中继器的电源线连接是否可靠
（3）检查各从机温度传感器与仪器连接是否可靠
（4）用通讯电缆将中继器“主机”接口与主机串行通口连接
（5）用通讯电缆将中继器“从机”接口分别与从机连接
（6）检查各线、缆连接无误后先后接通从机、中继器和主机电源
（7）待从机启动滚屏完成后，设置从机参数
a.目标温度（加热终止温度）应高于被加热样品的熔点温度
b.加热功率（%）根据不同的升温速率，设置不同的加热功率（%）（满功率为500 W）
c.保温功率（%）根据不同的降温速率，设置不同的保温功率（%）（小于或等于10%）
d.本机编号对应于中继器“从机”接口所标的通道编号
3.开始实验
当所有准备工作完成后，即可开始进行实验。

双击“多通道金属相图数据采集系统”图标，程序开始运行。

（1）参数设置
串口参数设置：
用以选择不同的串行端口和波特率（系统显示默认的通讯端口和波特率）。

（2）数据采集：
在“任务”菜单中选择“数据采集”，“运行指示”指示灯开始闪烁。

a.通道选择:
在“通道/加热”栏中选择需要采集数据的通道。

既可以选择单个通道，也可以选择多个通道。

当所选的通道被确认后，该通道的指示灯由灰变绿，“加热”复选框被激活，中继器相应的通道指示灯被点亮，开始计时并在“工作参数”栏相应通道的数据显示框内显示该通道采集的数据，同时在与该通道对应的坐标区内描点绘制曲线。

b.加热:
再选择“加热”选择框，该通道指示灯由绿变红。

从机接收到主机发送的指令后，便根据所设置的加热功率开始对样品加热。

c.停止加热:
当温度达到或超过所设置的目标温度后从机会自动转为保温状态，样品温度将根据设置的保温功率以一定的速率下降。

如果不设保温功率，则以自然散热的方式降温，也可以调整风扇旋钮加速降温。

d.只要“通道”选择框被选择，不论是否加热，所有数据都将被记录并描绘曲线。

e.其他通道的操作同上，只是当两个或两个以上的通道被选中时，中继器的通道指示灯将轮流闪烁。

(3）停止采集：
当数据采集完成后，再次点击“加热”选框，取消加热，然后再点击相应的通道选择框，取消通道选择。

当所有的选项都取消后，在“任务”菜单中选择“停止采集”。

系统提示设置样品参数。

将样品的组成和从曲线上读取的相变点温度，填入相应通道的“样品组成”数据栏和“相变点温度”数据栏。

（4）再次开始实验前，须按动从机“设置”键，确认从机所有设置，方可开始新一轮实验的数据采集任务。

4.文件操作
文件操作是对数据文件进行显示、保存、打印或转换成图像文件的操作。

（1）打开：
打开是指打开并读取已有的数据文件，然后在相应的通道坐标中描点绘制
成曲线。

可同时显示四组曲线。

（2）保存文件：
将采集的实验数据保存为文本文件。

（3）另存为：
另存为是将当前屏幕显示的坐标和曲线保存为图像文件。

（4）打印：
将坐标和曲线输出为纸质文件。

（5）刷新和清除：
除去坐标区多余的图、线，保持图线清晰。

（6）数据文件均以文本格式保存，用户可根据自己的喜好使用“记事本”或其他编辑器按照给定的格式对其进行编辑，故不另外定制编辑器。

注意在文件的结尾处必须键入“回车”键。

5.显示模式切换
通过显示模式切换，可将屏幕中某一通道的曲线单独显示，也可以将四个通道的曲线分为四个区域同时显示。

6.读取相变点温度
结合使用显示模式切换，通过移动“十字”光标，在曲线上读取样品的相变点温度，按给定的格式输入到对应通道的“相变点温度”数据栏中。

五、数据处理
1.从步冷曲线上查出各合金的转折温度，以横坐标表示质量百分数，纵坐标表示温度，绘出Bi-Cd二组分合金相图。

2.在作出的相图上，用相律分析低共熔混合物、熔点曲线及各区域内的相数和自由度数。

六、思考题
1.为什么冷却曲线上会出现转折点？纯金属、低共熔金属及合金的曲线形状为何不同？
2.解释步冷曲线上的过冷现象。

3.用加热曲线是否可以作相图？
附录一热电偶温度计
1.原理
将两种金属导线构成一闭合回路，如果两个接点的温度不同，就会产生一个电势差，称为温差电势。

如在回路中串接一个毫伏表，则可粗略显示该温差电势的量值。

这一对金属导线的组合就称为热电偶温度计，简称热电偶。

2.特点
（1）灵敏度高。

如常用的镍铬－镍硅热电偶的热电系数达40 μV/K，镍铬－考铜的热电系数高达70 μV/K。

用精密的电位差计测量，通常均可达到0.01℃的精度。

（2）重现性好。

热电偶制作条件的不同会引起温差电势的差异。

但一支热电偶制作后，经过精密的热处理，其温差电势－温度函数关系的重现性极好。

由固定点标定后，可在较长时间内使用。

（3）量程宽。

热电偶的量程仅受其材料适用范围的限制。

（4）非电量变换。

温度的自动记录、处理和控制在现代科学实验和工业生产中是非常重要的。

这首先要将温度这个非电参量变换为电参量，热电偶就是一种比较理想的温度－电变换器。