金属相图(Pb-Sn体系)
金属相图
实验五 金属相图1. 摘要最早研究Pb-Sn 熔点与组成关系是在19世纪20年代，在这类体系中所发现的 最低共熔组成被误认为是PbSn 3的化合物。
直至在Gibbs 推导出相律（1973~1976年间），继1886年Lechatelier Heney L 发现能够正确测量高温的铂-铂铑热电偶以后，奠定了热分析方法的基础。
现在，一般采用自动平衡记录仪或者电位差计测量温差电势，通过测定不同金属组成的合金熔融液的步冷曲线（简单热分析方法）绘制简单低共熔体系相图。
相律：关键词：低共熔点 三相线 相区 固熔体 2． 仪器与试剂暗丝管加热电炉 1只 调压变压器 1只 硬质玻璃样品管 6只 镍铬-镍硅热电偶（铠装） 2支 单笔自动平衡记录仪（或UJ-25型电位差计） 1台 冰水浴 铅（C.P ） 锡（C.P ） 铋（C.P ）（1）配制钝铅、纯锡以及含锡分别为20%、40%、61.9%、80%的样品管（各 管总量100克）（23．预习提问（1）什么叫步冷曲线，纯物和混合物的步冷曲线有何不同？（2）测定步冷曲线时应自何时开始记录数据或走纸为适宜？如何防止发生过冷现象？如有过冷发生，则相应相变点温度如何推求？（3）如何由步冷曲线绘制相图？出现固熔体的步冷曲线有何特征？（4）试述热电偶温度计的简单工作原理。
如何进行校正？（5）试述自动平衡记录仪的简单原理、使用及接线？4．操作5．数据和图象（1）文献数据最低共熔点：组成：61.9% 温度：456.9K（据H.穆拉契编著,原重工业部专家工作室译《有色冶金手册》P111）要求：所测最低共熔温度在455~459K，低共熔组成在61~63%（2）步冷曲线与金属相图（3）表格表2.5.1 体系步冷转折温度6．.点评(2)器材选配与操作技能由于立式冷却保温电炉不能人为地控制样品与冷却电炉的温差，使得高温段如纯 铅的平台难以测准，甚至拐点不明显，所以在实验的改进是利用自动控温回转管式电炉（RJK 系列管式电阻炉和DRZ -4型电炉温度控制器，见装置图2.5.1），可以获得在较短时间内成功绘制较佳相图的效果。
二元合金相图
二元合金相图一、实验目的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、实验原理相图是多相（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，途中能反映出相平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。
二元或多元体系的想吐常以组成为自变量，其物理性质则大多去温度。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，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，都要用到相图。
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，并每隔一定时间度体系温度一次，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。
从相图的定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下：（1）、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，以保证上述条件近与实现。
若体系中的几个相都是固相，这条件通常非常难以实现（因固相与固相间相互转化时的相变热较小），此时测绘相图，常用其他方法（如差热分析法）。
（2）、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。
（3）、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足够深处。
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。
三、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；锡。
四、实验步骤1、连接SWKY数字控温仪与KWL-08可控升降温电炉。
将KWL-08可控升降温电炉冷风量调节逆时针旋转到底，加热量调节顺时针旋转到底，接通电源，“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源开关“开”、“关”置于“开”。
金属相图PbSn体系
药品仪器
1. 金属相图实验炉 ； 2. 镍铬—镍硅热电偶； 3. 邻苯二甲酸酐（AR）； 4. 石墨； 5. 锡粉（AR），铅粉（AR）； 6. 等等。
Department of Chemistry
实验步骤
准备样品 (按比例)
加石墨覆盖 加热
观察升温情况 及时停止加热
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注意事项：
1.Pb-Sn混合物的液相必须均匀互溶(达 最高温度时，搅拌样品)；
2.样品的降温速率必须缓慢； 3.操作过程中，要防止样品被氧化及混
入杂质； 4.热电偶要插到玻璃套的底部，以及热
电偶两极不能相碰。
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实验数据记录
实验日期：
；室温： ℃；气压：
kPa
锡的百 分含量
0% (纯铅）
20%
转折点
(t℃)
水平段
(t℃)
30% 61.9%
80%
(低共熔物)
100% (纯锡)
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数据处理
1.温度换算（℃ Ｋ）； 2.作出Pb-Sn相图； 3.与文献值比较。
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混合物步冷曲线如②、④所示，如②起 始温度下降很快(如a/b/段)，冷却到b/点时， 开始有固体Ａ析出，这时体系呈两相，因为 液相的成分不断改变，所以其平衡温度也不 断改变。由于凝固热的不断放出，其温度下 降较慢，曲线的斜率较小(b/c/段)。到了低 共熔点c/后，体系出现三相平衡L=A(s)+B (s)，温度不再改变，步冷曲线又出现水平 段，直到液相完全凝固后，温度又开始下降。
金相实验报告——Pb-Sn二元相图测定及其组织分析
西安交通大学实验报告
课程：金相技术与材料组织显示分析实验日期：年月日专业班级：组别交报告日期：年月日姓名：学号: 报告退发：（订正、重做）同组者：教师审批签字：
实验名称：Pb-Sn二元相图测定及其组织分析
实验目的：
1．掌握用热分析法测定材料的临界点的方法；
2．学习根据临界点建立二元合金相图；
3. 自制二元合金金相样品，并分析组织；
实验概述：
相图中临界点测定方法有很多种，有热分析法、热膨胀法、电阻测定法、显微分析法、磁性测定法等等。
把熔化的合金自高温缓慢冷却，在冷却过程中每隔相等的时间进行测量，记录一次温度，由此得到某一成分下合金的冷却曲线。
金属或合金无相变发生时，温度随时间均匀的降低，一旦发生了某种转变，水平台阶或者转折点的温度就是相变开始或终了的温度。
利用热分析法测定Pb-Sn合金转变点，是通过一定数量不同合金成分步冷曲线综合得到的。
简述热分析法测定二元相图的方法：
测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作步冷曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。
实验结果分析：
合金成分是亚共晶状态，在由液态缓慢冷却时，先析出初生α相，由于合金成分离共晶点很近，初生α相的量非常少，故沿晶界非连续分布，到达共晶点温度时，剩余液相按共晶成分恒温析出至完全，最后冷却到室温，组织没有发生变化。
金属共晶相图
5.3.2 二元共晶相图①共晶相图：当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。
如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。
Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图5.26, 下面以它为例进行讲解。
首先分析相图中的点,线和相区。
图5.26 铅锡相图一、相图分析1、点： tA ，tB点分别是纯组元铅与锡的熔点，为327.5o C和231.9o C。
M点：为锡在铅中的最大溶解度点。
N点：为铅在锡中的最大溶解度点。
E点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变LE →αM+βN共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。
F点：为室温时锡在铅中的溶解度。
G点：为室温时铅在锡中的溶解度。
2、tA EtB线：为液相线，其中tAE线：为冷却时L→α的开始温度线，EtB线：为冷却时L→β的开始温度线。
tA MENtB线：为固相线，其中tAM线：为冷却时L→α的终止温度线，tBN线：为冷却时L→β的终止温度线。
MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转变LE→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体或共晶组织。
MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。
NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。
3、相区（1）单相区：在tA EtB液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是铅与锡组成的合金溶液。
tAMF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。
tBNG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。
（2）两相区：在tA EMtA区为L+α相区，在tBENtB区为L+β相区。
在FMENGF区为α+β相区。
（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。
由相律可知三相平衡共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。
具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。
金属相图PbSn体系课件
随着相关学科的不断发展，pbsn体系的理论研究将更加深入和完善，同时实验验证和技术优化也将不断 推进，为相关领域的研究和应用提供更可靠的技术支持。
பைடு நூலகம்
金属相图与pbsn体系的结合发展前景
金属相图与pbsn体系的结合将为材料科学和环保领域的发展提供新的思路和方法
实例三
钴与氮的反应：钴的氮化 物相图揭示了钴与氮在不 同温度和压力下的相互作 用和可能的合成路径。
04
pbsn体系在金属相图中的应用
pbsn体系在金属相图中的作用
1 2 3
描述金属材料的相变过程
pbsn体系能够详细描述金属材料在加热或冷却 过程中的相变行为，包括固-液相变、固-固相变 等。
预测材料的物理性质
pbsn体系的未来发展趋势
pbsn体系在环保领域的应用将更加广泛
随着环保意识的不断提高，pbsn体系在污水处理、废气治理等方面的应用将更加重要，为环保事业的发展提供有力 支持。
pbsn体系在生物医学领域的应用将更加深入
随着生物医学技术的不断发展，pbsn体系在药物传递、组织工程等方面的应用将更加广泛和深入，为生物医学领域 的研究提供新的思路和方法。
金属相图和pbsn体系分别在材料科学和环保领域具有广泛的应用前景，两者的结合将为相关领域的研究和应用 提供更全面和深入的支持。
金属相图与pbsn体系的结合将促进多学科交叉融合
金属相图涉及到物理、化学和材料科学等多个学科领域，而pbsn体系涉及到环境科学、化学和生物医学等多个 学科领域，两者的结合将促进多学科交叉融合，推动相关领域的发展和创新。
动力学分析
金属相图也能提供反应的动力学信 息，如反应速率常数、活化能等， 有助于优化反应条件。
金属学实验七 二元三元合金显
Pb-Sn二元合金相图
1. 含Sn量小于19%的合金 含Sn量为10%的合金缓慢冷却至液相线时，从液体中结
晶出α固溶体。随着温度的降低，α固溶体的量不断增加， 而液相的数量则不断减少，两相的成分将分别沿tAM和tAE变 化。当合金冷却到固相线时，全部结晶成α固溶体。
继续冷却，合金的温度处于固相线与溶解度曲线范围内， α不发生改变，只有温度下降到固相线（3点）以下时，才 会发生剩余Sn以β固溶体的形式从α固溶体中析出的过程。 这时α相和β相的成分将随温度的降低分别沿MF和NG固溶线 变化。这种从α固溶体中析出的β相叫做次生的β固溶体， 并以βⅡ表示。10%Sn-Pb合金的显微组织为：黑色是基体为 α、白色的颗粒为βⅡ。
Pb 二元共晶点： e1、e2、e3 三元共晶点： e
e1
e3
4e
3
12
Bi
e2
Sn Sn％
Pb-Sn-Bi等温线投影图
5%Pb-66%Bi-29%Sn合金 白色Bi方块+（Bi+Sn)共晶+（Bi+Sn+Pb)共晶
16%Pb-58%Bi-26%Sn合金 较亮的（Bi+Sn)共晶+（Bi+Sn+Pb)共晶
材料： 25%Pb-60%Bi-15%Sn合金 状态：铸态
组织：初生相Bi+三元共晶体 （Pb+Sn+Bi) 腐蚀剂：3%硝酸酒精溶液 放大倍数：100X
初生相Bi Pb+Sn+Bi
25%Pb-60%Bi-15%Sn合金 Bi初晶+（Bi+Sn+Pb)共晶
32%Pb-51%Bi-17%Sn合金 三元共晶（Bi+Sn+Pb)共晶
金属相图Pb-Sn体系.ppt
本实验采用热分析法绘制相图，其基本原理：
先将体系加热至熔融成一均匀液相，然后让 体系缓慢冷却，①体系内不发生相变，则温 度--时间曲线均匀改变；②体系内发生相变， 则温度--时间曲线上会出现转折点或水平段。 根据各样品的温度--时间曲线上的转折点或 水平段，就可绘制相图。
实验目的
1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图，并 掌握应用步冷曲线数据绘制二元体系相图 的基本方法； 2.了解步冷曲线及相图中各曲线所代表的 物理意义； 3.学习自动平衡记录仪的使用方法。
实验原理
相是指体系内部物理性质和化学性质完全 均匀的一部分。
相平衡是指多相体系中组分在各相中的量 不随时间而改变。
曲线③表示其组成恰为最低共 熔混合物的步冷曲线，其形状与纯 物质相似，但它的水平段是三相平 衡。
即 L=A(s)+B(s)
分析2：
相图由一个单相区和三个两相区组成： 即 ①溶液相区；
②纯A(s)和溶液共存的两相区； ③纯B(s)和溶液共存的两相区； ④纯A(s)和纯B(s)共存的两相区； 水平线段表示：A(s)、B(s)和溶液共 存的三相线；水平线段以下表示纯A(s)和 纯B(s)共存的两相区；o为低共熔点。
实验数据记录
实验日期：
；室温： ℃；气压：
KPa
锡的百 0% 分含量 (纯铅）
20%
40%
61.9%
80% 100%
(低共熔物)
(纯锡)
转折点
(t℃)
水平段
(t℃)
数据处理
1.温度换算（ ℃ 2.作出Pb-Sn相图； 3.与文献值比较。
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实验数据记录
实验日期：
；室温： ℃；气压：
KPa
锡的百 0% 分含量 (纯铅）
20%
40%
61.9%
80% 100%
(低共熔物)
(纯锡)
转折点
(t℃)
水平段
(t℃)
数据处理
1.温度换算（ ℃ 2.作出Pb-Sn相图； 3.与文献值比较。
Ｋ）；
T/K
600K
454K
L+Pb(s)
L(单相区)
505K
固态晶形转变点。
真实的Pb—Sn 金属相图
实验结果与讨论
⑴结果：实测值为T铅= T锡= T低共熔=
⑵计算实验偏差： ⑶分析产生偏差的原因： ⑷有何建议与想法？
注意事项
1.Pb-Sn混合物的液相必须均匀互溶(达最高温 度时，搅拌样品)；
2.样品的降温速率必须缓慢； 3.操作过程中，要防止样品被氧化及混入杂质； 4.热电偶温度计要插到玻璃套的底部。
观察升温情况 及时停止加热
取出样品、放 入新样品测试
实验结束记录 数据恢复原状
准备样品
按以下比例配制
锡的百 分含量
0%
20%
锡(g) 0 20
铅(g) 100 80
40% 61.9% 80% 100%
40 61.9 80 100 60 38.1 20 0
何时停止加热？
纯Pb、纯Sn、含锡61.9%（低共熔物）三个样品， 如果出现转折点，则停止加热，利用电炉的余热加 热到熔点以上30~40 ℃ 。
含锡20%、含锡40%、含锡80%三个样品，如果出 现转折点，则停止加热，利用电炉的余热使温度再 升高30~50 ℃。
何时停止实验？
纯Pb、纯Sn、含锡61.9%三个样品，在作完水 平线段后又继续降温，表明样品已完全凝固，即可 停止测量。
含锡20%、含锡40%、含锡80%三个样品，出现 了转折点，并在作完水平线段后又继续降温，表明 样品已完全凝固，即可停止测量。
金属相图(Pb-Sn体系)
徐州师范大学化学化工学院 物理化学教研室
实验目的
1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图，并 掌握应用步冷曲线数据绘制二元体系相图 的基本方法； 2.了解步冷曲线及相图中各曲线所代表的 物理意义； 3.学习自动平衡记录仪的使用方法。
实验原理
相是指体系内部物理性质和化学性质完全 均匀的一部分。
思考题
1.是否可用加热曲线作相图，为什么？ 2.为什么要用步冷曲线作相图？ 3.为什么坩锅中的样品要加盖石墨，并严防 混入杂质？ 4.实验用各样品的总重量为什么要求相等？ 若总重量不相等有什么影响？ 5.样品量和冷却速度对实验有何影响？
温 度
①② a a/
③
④
⑤
B
温 度
B
A
A
b
b/
L
c/
时间
(a)步冷曲线
L+A(s)
L+B(s)
O A(s)+B(s)
0(A)
B% 100(B)
(b)二元组分凝聚系统相图
热分析法绘制相图
分析1：
纯物质的步冷曲线如①、⑤所示，如 ①从高温冷却，开始降温很快，ab线的 斜率决定于体系的散热程度，冷到Ａ的 熔点时，固体Ａ开始析出，体系出现两 相平衡（液相和固相Ａ），此时温度维 持不变，步冷曲线出现水平段，直到其 中液相全部消失，温度才下降。
曲线③表示其组成恰为最低共 熔混合物的步冷曲线，其形状与纯 物质相似，但它的水平段是三相平 衡。
即 L=A(sLeabharlann +B(s)分析2：
相图由一个单相区和三个两相区组成： 即 ①溶液相区；
②纯A(s)和溶液共存的两相区； ③纯B(s)和溶液共存的两相区； ④纯A(s)和纯B(s)共存的两相区； 水平线段表示：A(s)、B(s)和溶液共 存的三相线；水平线段以下表示纯A(s)和 纯B(s)共存的两相区；o为低共熔点。
相平衡是指多相体系中组分在各相中的量 不随时间而改变。
研究多相体系的状态如何随组成、温度、 压力等变量的改变而发生变化，并用图形 来表示体系状态的变化，这种图就叫相图。
本实验采用热分析法绘制相图，其基本原理：
先将体系加热至熔融成一均匀液相，然后让 体系缓慢冷却，①体系内不发生相变，则温 度--时间曲线均匀改变；②体系内发生相变， 则温度--时间曲线上会出现转折点或水平段。 根据各样品的温度--时间曲线上的转折点或 水平段，就可绘制相图。
T/K
两种金属的任何一 600K 种都能微溶于另一
种金属中，是一个
部分互溶的低共熔
体系，它用一般的
热分析法只能得到 一个相当于简单的
454K
α
二元低共熔点相图
L(单相区)
505K
L+Pb(s) Pb(s)+Sn(s)
L+Sn(s) β
（如本实验Pb-Sn
0(Pb)
61.9% 100%(Sn)
体系），测不出来
药品仪器
1. EA/J2P00双笔自动平衡记录仪； 2. 电炉； 3. 数显热电偶温度计； 4. 大、小试管； 5. 锡粒（AR），铅粒（AR）； 6. 液体石蜡
准备样品 (按比例)
实验步骤
加液体石蜡 覆盖
样品置入电炉 中加热
启动自动平衡记 录仪有关开关
观察降温情况 及时停止实验
温度到最 高点搅拌
混合物步冷曲线如②、④所示，如②起 始温度下降很快(如a’b’/段)，冷却到b’点时， 开始有固体Ａ析出，这时体系呈两相，因 为液相的成分不断改变，所以其平衡温度 也不断改变。由于凝固热的不断放出，其 温度下降较慢，曲线的斜率较小(b’c’段)。 到了低共熔点c’后，体系出现三相平衡 L=A(s)+B(s)，温度不再改变，步冷曲线又 出现水平段，直到液相完全凝固后，温度 又开始下降。
L+Sn(s)
Pb(s)+Sn(s)
0(Pb)
61.9% 100%(Sn)
Pb—Sn 金属相图
文献值
Pb-Sn体系的熔点对照表:
锡%
0 20 40 60 80 100
熔点温度℃ 327 276 240 190 200 232
最低共熔点温度℃
181 181 181 181
最低共熔混合物组成: 含Sn63%