二组分金属相图

一、实验目的

用热分析法 （步冷曲线法）测绘Bi－Sn二组分金属相图。

二、实验原理

较为简单的二组分金属相图主要有3种：第一种是液相完全互溶，凝固后固相也能完全互溶成固体混合物的系统，最典型的为Cu－Ni系统；第二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；第三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，并画出温度随时间变化的步冷曲线 （图3－13）。

图3－13 步冷曲线

当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，则系统的温度随时间的变化是均匀的，冷却速率较快 （如图3－13中ab线段）；若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3－13中b点）。当溶液继续冷却到某一点时 （如图3－13中c点），此时溶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3－13中cd线段）；当溶液完全凝固后；温度才迅速下降 （如图3－13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）。不同组成溶液的步冷曲线对应的相图如图3－14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。

本实验测量w Bi为30％～80％的二组分系统，其相图与液相完全互溶而固相完全不互溶系统的相图相似。

图3－14 步冷曲线与相图

三、仪器和试剂

1．仪器

KWL－09型可控升降温电炉 （1台）、SWKY－I数字控温仪 （1台）、传感器 （2支）、不锈钢样品管 （1支）。

2．试剂

纯锡、纯铋、石墨粉等。

四、实验步骤

（1）用感量为0．1g的台秤，分别配制含Bi量为30％、40％、50％、58％ （低共熔混合物）、70％、80％ （均为质量分数）的Bi－Sn混合物各100g，另外称纯Bi、纯Sn各100g，分别放入8个样品管中，覆盖一层石蜡或石墨粉，防止金属被氧化 （实验室准备）。

（2）将装有试样的不锈钢样品管放入相图炉控温区内，温度传感器I插入控温传感器插孔，温度传感器Ⅱ插入样品管中 （图3－15）（两支传感器不得插反）。

（3）接通电源，控温仪开关置于 “开”，显示初始状态，“温度显示I”为320℃ （默认设定温度），“温度显示Ⅱ”为温度传感器Ⅱ实时温度，“置数”指示灯亮 （置数状态时仪器不加热，温度显示Ⅱ只显示被测物的温度，无控温功能）。

（4）按 “工作／置数”键，工作指示灯亮，“温度显示I”从设置温度转换为控制温度当前值。控温区开始升温，“温度显示I”与 “温度显示Ⅱ”温度逐渐升高，当 “温度显示Ⅱ”与 “温度显示I”的温度相近时 （均接近320℃），恒温10min，打开样品管将样品小心搅拌均匀后，按 “工作／置数”键，置数灯亮，使之自然降温至计时起始温度。

（5）设置记时间隔为60s。在指示音的提示下，即可每分钟读取温度1次 （可据表3－2所示温度开始记录），待最低共熔点出现后，温度均匀下降约5min即可停止读数。

（6）换其他试样，重复（2）～（5）步，依次测出所配试样的步冷曲线数据。关闭电源。

图3－15 实验装置示意图

1．可控升降温电炉；2．电压表；3．加热量调节旋钮；4．开关；5．控温仪开关；6．计时设置；7．工作／置数键；8．温度设置；9．数字控温仪；10．温度显示屏

表3－2 计时起始温度

五、注意事项

（1）实验中 “设定温度”和 “实验最高温度”不同。“实验最高温度”是在仪器达到设定温度停止工作后，仪器中的加热电炉继续上升到的温度。

（2）熔融试样时要搅拌均匀。为确保试样熔融，温度稍高一些为好，但不可过高，以防样品氧化，搅拌时注意样品管不能离开加热炉。

（3）由于炉温较高，因此搅拌时要带上防护手套。

六、数据记录与处理

（1）以温度为纵坐标，时间为横坐标，用坐标纸绘出各组分的冷却曲线。

（2）在冷却曲线上找出各组分的熔点温度，以其为纵坐标，组成为横坐标，作出Sn－Bi二组分金属相图。

七、思考题

（1）冷却曲线上为什么会出现转折点？纯金属、低共熔金属及合金的转折点各有几个？曲线形状为何不同？

（2）若已知二组分系统的许多不同组成的冷却曲线，但不知道低共熔物的组成，有何办法确定？