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

T /℃ t

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）。当体系温度到达低共熔温度c’时，固体A、B与组成为E%的溶液三相平衡共存，根据相律，f=k-Ø+1=2-3+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现水平线段c’d’，直到液相完全凝固后，温度又继续下降。

曲线3是表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线，其图形与纯物质的步冷曲线相似，但在水平段对应的温度时，系统是三相平衡共存。

对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢、又无振动时，有过冷现象出现。液体的温度可下降至比正常凝固点更低温度才开始凝固，固相析出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图所示：

曲线Ⅱ就表示纯金属有过冷现象时的步冷曲线，b’为过冷温度，b’’为正常相变温度；而Ⅰ为无过冷现象时的步冷曲线。

用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的组成，在对应的纵坐标开始出现相变（即步冷曲线上的转折点或平台）的温度，把这些点连接起来即得相图。

从相图的定义可知，用热分析方法测绘相图要注意以下问题：

测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却时温度下降不能过快；如晶形转变时，相变热较小，此方法不宜采用；对样品的均匀性与纯度也要充分考虑，一定要防止样品的氧化和混有杂质，否则会变成另一多元体系（高温影响下特别容易出现此类现象）；为了保证样品均匀冷却，加热温度稍高一些为好；铂电阻放入样品中的部位与深度要适当；测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，其对精确测定也有较大影响，试验中必须注意，否则会出现较大的误差，使测量结果失真。

三、仪器与试剂

金属相图实验炉（800ｗ），炉体上有装有电压调节器

微电脑控制器; 宽肩硬质玻璃样品管或不锈钢样品管

铂电阻Ｐt100; 铂电阻套管不锈钢; 皮塞

锡,铋;铅在高温下挥发气体有毒,使工作人员头晕,建议采用锡铋合金.

四、实验步骤

1、配制样品

用电子天平配制不同质量分数的Sn-Bi混合物各100克，其中含Bi分别为0%,20%,38.1%,60%，80%,100%，分别装入不同硬质试管中，在表面加入少量

石墨粉，以防止金属在加热过程中接触空气而氧化。（在试管上部贴上不干胶标签,注明成分,比例及年月日。实践证明试样在高温下容易氧化和挥发,100ｇ的式样使用1-2年后其重量只有60ｇ左右,用该试样做出的曲线有时平台数字低的很多,有时甚至作不出平台,如果发现这些问题应该更换试样。平时工作中应避免式样长期处于高温状态。）

2、将仪器连接好，拨码开关设置为“000”，把铂电阻放在常温下,接通电源观察数码管显示温度是否高于室温2-3度，同时观察电压指示针是否指向零的位置（此时电压必须是零）。然后将仪器预热2分钟。

3、铂电阻插入铂电阻电阻套后放入试样管中,再把试样管放入实验炉中。

4、设置好微电脑控制器温度设置栏（拨码开关数值）中的温度。按动拨码开关设置所需的温度,按下复位键,如加热指示灯亮,转动炉体上调压黑色旋钮，在最高电压下加热,加热温度控制在以样品完全熔化后再升高50度为宜。拨码开关数值所对应最高温度的数值见附录。（在实验操作过程中不能用手拿出硬质试管来观察样品是否熔化）。升温时,铋锡合金最高温度320度,铅锡最高温度377度,如温度超过400度应立即抽出铂电阻,切断电源检查原因。

5、当温度升高至最高时,依靠炉体的自然散热来开始降温。此时将调压黑色旋钮向左旋转到底,避免漏电流的影响。连续按动定时键,数码管显示15ｓ，30ｓ，45ｓ，60ｓ。通常纯金属测定每30ｓ记录一次温度而混合物质则是每60ｓ记录一次温度,学生可以根据蜂鸣器的警笛声记下数码管的此时显示的温度值（降温速度控制在每分钟5-8度,如果降温速度太慢,可在炉口上加弹簧来增加散热面积,如果降温速度过快,可转动调压黑色旋钮,选择一个保温电压来使降温减慢）。温度降至转折点或平台以下,停止记录。降温过程中不准开风扇或急剧的空气对流。

计算机采样

把计算机装上相关软件硬件,用二线插头插入微电脑控制器示意图的微机插座中,再和微机连接。按照微机的主菜单步骤操作,即可在屏幕上自动绘出步冷曲线,计算机采样15秒采集一次。并可存储打印。

然后用二线插头插入微电脑控制器示意图的记录仪插座中,再与记录仪连接,记录仪自动绘出步冷曲线。

五、实验注意事项

1、实验加热时要一次快速升温到位，在最高电压下加热。当温度超过设置温度时加热电压为零，此时把黑色旋钮向左旋转归零。

2、本实验在室温15-30。C内做最好。转折点（拐点）和平台是矛盾的，体系的冷却不能太快，一般控制在5～7。C/min，才能得到较好的效果。

3、不能在一个步冷曲线的测试中不断改变冷却速度（环境温度），否则达不到均匀冷却而直接影响实验结果。

4、合金有两个转折点或平台，必须待到第二个转折点或平台测完后方可停止