物化实验二组份合金体系相图的绘制实验报告

二组份合金体系相图的绘制

一、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．了解固液相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。

3．掌握SWKY数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。

二、实验原理

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，凝固后，固相也能完全互溶成固熔体的系统，最典型的为Cu—Ni系统；另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，而固相是部分互溶的系统，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)。

热分析法(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，潜热的释出或吸收及热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。

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，画出冷却温度随时间变化的步冷曲线(见图1)。

图1步冷曲线

图2步冷曲线与相图

当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，则系统的冷却温度随时间的变化是均匀的，冷却速率较快(如图中ab线段)；如果在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，系统的冷却速率减慢，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．因此步冷曲线上出现水平线段(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)。

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，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6—2所示。

用热分析法(步冷曲线法)绘制相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

三、实验仪器

SWKY数字控温仪1台

KWL-08可控升降温电炉 1 台

护膛保护筒 1 台

硬质试管6个

纯锡（A. R.）

纯铋（A. R.）

液体石蜡

四、实验步骤

1．配制质量百分比为0%，25%，50%，75%，100%的锡，铋混合物各100克，分别装入硬质试管中，再加入少许蜡油（约3克），以防金属加热过程中接触

空气而氧化。

2．将SWKY数字控温仪与KWY-08可控降温电炉连接好，接通电源。将电炉置于外控状态。

3．将传感器置于保护筒内，将SWKY“置数”设定T为了290度，然后设SWKY “工作”，“加热量调查节”至最大。

4．加热至290度，使样品熔化，保持2-3分，传感器至硬质管中，SWKY为“置数”，停止加热，冷风调节至6V左右，60S记录一次，至温度降至100度。5．根据所测数据，绘出相应的步冷曲线。

注意事项

1．加热时，将传感器置于炉膛内，冷却时，将传感器放入玻璃试管中，以防温度过高。

2．设定温度不能过高，一般不超过金属熔点30-50度，以防止石蜡油炭化，而使金属氧化。

3．冷却速度不宜过快，以防曲线转折点不明显。

4．本实验可配置软件，与电脑连用，实现步冷曲线电脑自动绘图。

5．本实验是以铋，锡为例的实验，本实验同样适用于其它金属作样品时的实验。

五、数据处理

1．步冷曲线的绘制：

下表：二组分金属体系温度随时间的变化关系

步冷曲线的制作：

当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（A~B段）。若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（B~C段）。当融熔液继续冷却到某一点时，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图C~D段）。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（D~E段）。

六、问题讨论：

1. 步冷曲线各段的斜率以及水平段的长短与哪些因素有关？

2. 根据实验结果讨论各步冷曲线的降温速率控制是否得当。