实验6_二组分合金相图

二组分合金相图

1引言

1.1实验目的

(1) 用热分析法(步冷曲线法)测绘Bi-Sn二组分金属相图。

(2) 掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法。

(3) 学会使用自动平衡记录仪。

1.2 实验原理

(1) 二组分合金相图

人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。二组分相

图已得到广泛的研究和应用。固－液相图多用于冶金、化工等部门。

较为简单的二组分金属相图主要有三种：

①液相完全互溶，凝固后，固相也能完全互溶成固溶体的系统，最典型的

为Cu-Ni系统；

②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；

③液相完全互溶，而固相部分也互溶的系统，如Pb-Sn系统。本实验研

究的Bi-Sn系统就是这一种。在低共熔温度下，Bi在固相Sn中最大溶解

度为21%（质量百分数）。

(2) 热分析法（步冷曲线法）

热分析法（步冷曲线法）是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及

合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，使得

温度-时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相转变温度。由热

分析法制相图，先做步冷曲线，然后根据步冷曲线作图。

通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷却，

通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。

以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（如图1.1所示），如果系统不发生

相变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）；若

冷却过程中发生了相变，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，系统冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折（如图

中b点）。当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时熔液系统以低共熔

混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变，因此

步冷曲线出现水平线段（如图中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下

降（如图中de线段）。

图1.1 步冷曲线

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可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1.2所示。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，无法测得固熔体相界数据，所以，我

们通过本实验得到的是Bi-Sn二元合金的简化相图。

图1.2 步冷曲线与相图

2 实验操作

2.1 实验用品、仪器

热电偶（铜-康铜）一支，立式电炉（500 W）2个，调压器2个，加热套管5个，

硬质玻璃试管5个，热电偶套管5只，沸点仪一套，自动平衡记录仪1台。

Sn(AR)，Bi(AR)，松香，液体石蜡

实验仪器图如图2.1

图2.1 步冷曲线测定装置图

2.2 实验条件

实验在温度17 °C，气压100.8 kPa下进行

2.3 实验操作

(1) 配置样品。分别配制含Bi质量分数为30%、57%、80%的Bi-Sn混合物各50g。

另外取纯Bi、纯Sn各50 g，分别装入5个硬质玻璃试管。管内加少量松香，

以防金属氧化。插入热电偶套管于样品中部，热电偶套管中加入少量液体石蜡

用于导热，防止热电偶的热滞后现象。

(2) 测量样品的步冷曲线。

本实验所用的两个电炉均用于加热，熔融的样品在空气中冷却并记录步冷曲线。

将制作好的样品放入立式小电炉内，接通电源，样品熔化后用热电偶套管将金

属样品搅拌均匀。调整好热电偶套管位置，打开记录仪开始记录步冷曲线。

加热下一个样品时应使用另外一个熔融电炉，两个电炉交替使用，待电炉温度

降到接近室温时才可再次使用，防止试管炸裂。

(3) 测量水的沸点。将热电偶热端插入沸点仪的气液喷口处，测水的沸点，作为标

定热电偶温度值的一个定点。沸点仪加热电压控制在30 V左右

2.4 注意事项

(1) 通过升温曲线判断样品是否熔化，全部熔化后即可停止加热，温度不宜升得过

高。

(2) 为了准确测定相变点，必须将热电偶放在熔融体中下部，同时搅拌均匀。

(3) 冷的样品不可放入热的炉子中，以防试管碎裂。

(4) 搅拌样品时，样品不要脱离电炉时间过长（也可在电炉中将样品搅拌均匀），防

止样品冷却凝固

(5) 注意桌面整洁，不要使电线或信号线与电炉接触。

3 结果与讨论

3.1 数据处理

测得纯Bi、含Bi 80%、57%、30%的Bi-Sn合金、纯Sn的步冷曲线，并测量水的

沸点，用Bi的熔点271 °C、Sn的熔点232 °C、水的沸点100 °C作为基准用线性

拟合的方法校正温度示数，得到合金相变点温度如下表

表3.1 合金相变点温度

Bi质量分数相变点温度(°C)

80% 223.57 138.96

57% 132.28

30% 178.47 131.35

0% 232.20

校正后水的沸点是99.95 °C

由合金相变点数据可知，Bi-Sn二组分合金的低共熔温度为132.28 °C，其对应的Bi

的质量分数为57%。

由文献[1]数据，固溶体相界线如表3.2

表3.2 Bi-Sn二组分固溶体相界线

根据测量的数据，并利用表3.2中固溶体相界线的数据，可以绘制出Bi-Sn二组分

合金相图如图3.1