05固液相图

实验五二元合金相图
一、目的要求
1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。

2.了解热分析法的测量技术。

二、预习要求
1.掌握热分析法测量绘制相图的基本原理。

2.熟悉实验仪器的性能及使用方法，了解影响实验测定的各种因素。

3.理解步冷曲线的物理意义，掌握如何由实验数据绘制相图的方法。

三、基本原理
相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。

二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。

由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。

图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。

图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。

在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace 所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf 所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。

测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。

常用的实验方法是热分析法。

热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。

将体系加热熔融成一均匀液相，
然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。

冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。

若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。

因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。

图4.1 A-B 体系相图 图4.2 步冷曲线
从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下：
⑴ 被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。

因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。

若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。

⑵ 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时的组成值一致。

如果测定过程中样品各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。

⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。

因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，
测温探头必须深入到被测体系温
度A B
的足够深度处。

本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY数字控温仪，通过KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。

四、仪器和药品
1.仪器
SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台；样品管一只。

2.药品
铅(CP)；锡(CP)。

五、实验步骤
1.如图4.3实验装置所示连接实验仪器。

图4.3 步冷曲线测量实验装置示意图
2.测定被研究体系的步冷曲线
⑴配制样品
用感量为0.1克的台称分别配制含锡量为20％、40％、61.9％、80%的铅—锡混合物各100克，另外称纯铅100克，纯锡80克，分别放在6个硬质破璃样品管中。

⑵依次测锡、铅以及含锡61.9％、80％、40％、20％等样品的步冷曲线。

将样品管放在加热电炉中，让样品熔化(在样品上方覆盖一层石墨粉，以防止样品氧化)，加热方法见KWL-08可控升降温电炉使用方法和SWKY数字控温仪操作步骤。

样品的温度
不宜升得太高，一般在样品全部熔化后，再升高30℃左右即可(如升得太高，样品易氧化变质，而且将增加冷却时间；如太低，则不能明显地测得转折点)。

将KWL-08可控升降温电炉的冷风量调节逆时针旋转到底（最小），加热量调节顺时针旋转到底（最大），“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源“开”“关”置于“开”。

采用SWKY数字控温仪控温时，由于玻璃试样料管内温度较炉膛内温度的滞后性，故当设置完成进行加热时，必须将温度传感器置于炉膛内。

系统需降温时，再将温度传感器置于玻璃试样料管内（注意：当温度离设置温度30℃左右时，将加热量调节逆时针旋转减少加热电压，降低加热速度）。

样品全部熔化后，电源“开”“关”置于“关”，让其缓慢冷却，每隔30秒钟或一分钟记录一次温度，直到步冷曲线的水平部分以下为止。

六、实验注意事项
1.实验中要注意控制升温熔化和降温冷却的速度。

2.每次实验要保证样品完全熔化，熔化完以后还要使温度升高30℃左右。

3.冷却时间要充分，直到温度下降到步冷曲线水平部分以下为止。

4.实验中保证样品不被影响物污染。

七、数据处理
1.作各样品在冷却时，温度读数随时间的步冷曲线。

2.查表确定纯铅和纯锡的熔点。

3.列表表明各样品的组成以及它们在步冷曲线上所有的转折点的温度，并以此作出Pb—Sn相图。

八、思考题
1.何为热分析法？用热分析法测绘相图时，应注意哪些问题？
2.用相律分析在各条步冷曲线上出现平台的原因。

3.为什么在总质量相同但组成不同的熔融液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？
附1 KWL-08可控升降温电炉的使用方法采用“外控”系统控温的使用方法。

用“内控”虽可实现对炉温的控制，但易产生较大的温度过冲。

采用外控（即用控温仪）实现自动控温就较理想。

一般采用SWKY数字控温仪与之配套使用。

1.按SWKY数字控温仪使用方法将控温仪表与KWL-08可控升降温电炉进行连接。

同时，将冷风量调节逆时针旋转到底（最小），加热量调节顺时针旋转到底（最大），“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源“开”“关”置于“开”。

2.采用SWKY数字控温仪控温时，由于玻璃试样料管内温度较炉膛内温度的滞后性，故当设置完成进行加热时，必须将温度传感器置于炉膛内。

系统需降温时，再将温度传感器置于玻璃试样料管内。

3.在对KWL-08电炉进行降温操作过程中，若需提高降温速度，可直接将电炉面板控制开关置于“内控”位置进行内控降温，亦可按SWKY数字控温仪的“工作/置数”按钮，将之处于置数状态（即SWKY数字控温仪不对电炉起作用）。

调节电炉“冷风量调节”按钮，将冷风机电压调节到6～8V，这时一般可降温达7～8℃分钟。

当炉温接近室温时，降温效果不明显。

附2 SWKY数字控温仪的操作步骤
1.将传感器（Pt100）、加热器分别与后盖板的“传感器插座”、“加热器电源”对应连接。

2.将～220V电源线接入后盖板上的电源插座。

3.按技术要求的插入深度，将传感器插入到被测物中。

一般插入深度≥50mm。

4.打开电源开关，显示初始状态，如：
其中，实时温度显示一般为室温，320.2℃为系统初始设置温度。

“置数”指示灯亮。

5.设置控制温度，按“工作/置数”钮，置数灯亮。

依次按“X100”、“X10”、“X1”、“X0.1”设置“设定温度”的百、拾、个及小数位的数字，每按动一次，显示数码按0-9依次上翻，
至调整到所需“设定温度”的数值。

设置完毕，再按“工作/置数”钮，转换到工作状态,工作指示灯亮。

注意：置数工作状态时，仪器不对加热器进行控制。

SWKY数字控温仪前面板
6.若需隔一段时间观测记录，可按“工作/置数”钮，置数灯亮，按定时上翻、下翻键调节所需间隔的定时时间，有效调节范围：10-99s。

时间倒数至零，蜂鸣器鸣响，鸣响时间为5s。

若无需定时提醒功能，将时间调至00-09s。

时间设置完毕，再按“工作/置数”钮，切换到工作状态,“工作”指示灯亮。

7.使用结束后，切断电源。