二元合金相图的绘制

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：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- ?+1 = 1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现be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'寸,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）。

物理化学实验报告班级：姓名：学号：实验日期：2019年5月18日实验名称：二元合金相图的绘制一、实验目的（一）学习热分析法绘制相图的基本原理（二）加深对相变过程的认识和理解二、实验原理热分析法是一种常用的绘制相图方法。

由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出，因此将系统均匀加热或冷却时，若不发生相变，则温度T随时间t变化的T-t 曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时，其T-t曲线就会出现转折点或平台，其温度随时间的变化率会发生突跃。

把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。

步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。

根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。

图2.9.1(b)就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。

所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶（即彼此不生成固溶体），这两种物质也不生成化合物。

Pb-Sn二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。

对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段。

二组分液态混合物系的凝固过程并不是在一个温度点上完成的。

在凝固过程中，随着某个纯固体组分的析出，溶液的组成会不断发生变化，所以它的凝固点（即二相平衡温度）也会发生不断变化。

与此同时，由于凝固过程是放热的，即系统在对外放热的同时也会得到部分热量的补充，所以其温度降低速度会明显放慢，其步冷曲线上会出现一个拐点。

步冷曲线上的拐点与相图中的点有一一对应的关系。

在实验过程中需要注意以下几点：(1)因为待绘制的相图是平衡状态图，故实验过程中被测系统需时时处于或接近于平衡状态。

所以在系统冷却时，冷却速度应足够缓慢。

冷却过程中应尽量保持环境状况前后一致，不要搅拌，也不要晃动温度探头或样品管。

(2)实验过程中，待测样品的实际组成应与标签一致。

如果实验过程中样品未混合均匀或部分样品发生了氧化，则实验结果就误差越大。

(3)测得的温度值必须能真正反映系统的温度。

第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。

合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。

合金相图正是研究这些规律的有效工具。

一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。

其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。

组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

二元以上的合金称多元合金。

合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。

利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。

掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。

在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。

本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。

2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。

液态物质为液相，固态物质为固相。

相与相之间的转变称为相变。

在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。

由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。

组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。

由不同组织构成的材料具有不同的性能。

实验指导书实验二二元合金相图的绘制一、实验目的1. 学会用热分析法测绘Sn-Bi二元合金相图；2. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法；3. 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状的异同，学习相变点的温度的确定方法。

二、实验设备及材料1.仪器设备（1）立式加热炉1台（2）冷却保温炉1台（3）长图自动平衡记录仪（4）电压调压器1台（5）镍铬-镍硅热电偶1副（6）样品坩埚2个（7）硬质玻璃样品管2只（8）烧杯(250mL) 2个（9）0.1g精度电子天平1台。

2. 药品（1）Sn（化学纯）（2）Bi（化学纯）（3）石腊油（4）石墨粉三、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合金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叫步冷曲线。

当熔融体在均匀冷却过程中无相变时其温度将连续均匀下降，得到一光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系放出相变潜热与自然冷却时体系散发掉的热量相抵偿，冷却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合金的相变温度。

利用冷却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冷却曲线具有图4-1所示的形状。

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折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。

见图4-2。

遇此情况可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。

四、实验步骤1.热电偶的制备取60cm长的镍铬丝和镍硅丝各一段，将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好，将其一端与镍硅丝的一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm)，将扭合头稍稍加热立即沾以硼砂粉，并用小火熔化，然后放在高温焰上小心烧结，直到扭头熔成一光滑的小珠，冷却后将硼砂玻璃层除去。