实验三 二组分金属相图
一、 实验目的
1. 学习用热分析法测绘金属相图的方法和原理技术；
2. 用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图； 刷毛辊二、 实验原理
相图表示相平衡系统组成、温度、压力之间关系。对于不同的系统、根据所研究对象和要求的不同可以采用不同的实验方法测绘相图。例如对于水-盐系统，常用测定不同温度下溶解度的方法。对于合金，可以采用热分析方法。本实验采用热分析方法测绘Sn-Pb二元金属相图。 二元金属相图A、B两纯金属组成的系统，被加热完全熔化后,如果两组分在液相能够以分子状态完全混合，称其为液相完全互溶, 把系统降温，当有
固相析出时，因A、B物质不同会出现三种情况：
(a)液相完全互溶，固相也完全互溶;
(b)液相完全互溶，固相也完全互溶;
(c)液相完全互溶，固相部分互溶。
本实验测绘的Sn-Pb二元金属相图属于液相完全互溶，固相部分互溶系统，其相图如图1所示。图的横坐标表示Sn的质量分数，纵坐标为温度（℃），α相为Sn溶于Pb中所形成的固体溶液（固溶体），β相为Pb溶于Sn中所形成的固体溶液（固溶体）。图中ACB湍流耗散率线以上，系统只有一相（液相）；DCF线以下，α、β两相平衡共存；在ACD区域中，α相与液相两相平衡共存；在BCF区域，β相与液相两相平衡共存；ADP以左及BFQ以右的区域分别为α相和β相的单相区，C点为ACD与BCF两个相区的交点，α、β和液相三相平衡共存；在DCF线上，α、β和液相三相平衡共存，该线称为三相线。该图用热分析法测绘。
图 1 Sn-Pb相图 图 2 Sn-Pb体系步冷曲线 测绘相图就是要根据实验数据把图中分隔相区的线画出来。热分析方法是测绘固-液相图最常用的方法之一。该方法根据系统被加热或冷却的过程中，释放或吸收潜热，使系统升温或降温速率发生突变、系统温度－时间曲线上出现转折点这一现象，判断某组分的系统（样品）出现相变时的温度。系统被冷却降温时温度－时间关系曲线称为步冷曲线，如图2所示。 测绘步冷曲线的方法：将组成一定的样品[以Sn37%,Pb63% (质量百分数)的样品为例]，在
加热炉中加热至完全熔化，升温至Ta(图2上Ⅲ线a点)后，移入保温炉中均匀冷却降温，若不发生相变，温度均匀下降 （如图3Ⅲ线a~b段所示），若有相变发生（固相析出），由于固相（此样品这时析出的固相是α相）析出要放出热量,系统与环境传热速度基本不变,温度的下降速度便要降低，步冷曲线上就要有突变，出现拐点,换言之，拐点对应的温度便是出现相变的温度Tb。降温速度变缓之后，继续降温至Tc, 另一固相（β相）析出时，此时三相平衡共存，根据相律:
F=C-P+1=2-3+1=0 (压力恒定)
系统自由度数为零。此时，尽管系统仍向环境传热，但系统温度T不随时间τ改变，步冷曲线出现“平台”，随热量的不断传出，液相量逐渐减少，当液相完全消失后,系统变为两固相（α相和β相），平衡共存，根据相律：
F=C-P+1=2-2+1=1
自由度数为“1”，系统又开始降温, 步冷曲线Ⅲ上出现cd段。
纯Sn和纯Pb熔化后，保温冷却,当有相变发生时,析出的是纯Sn或纯Pb，此时系统自由度
数为零, 步冷曲线Ⅰ、Ⅵ上出现“平台”,对应温度TA、TB分别为纯Sn和纯Pb的熔点。液相完全凝固后，自由度数为“1”, 系统继续降温。
三、 仪器和药品
1.药品
样品中Sn含量（质量%）：1# 100%；2# 80%； 3# 61.9%；4# 40%；5# 20%；6# 0%
样品质量： 100g； 坩埚容量： 50ml
2.仪器
平衡记录仪； 调压器；加热炉；保温炉；热电偶；坩埚钳；毛刷；铁架台；木夹。
四、 实验步骤
1. 检查实验装置
热电偶、调压器接线、调压器回零、电线信号线不能靠炉壁。
2. 调试平衡记录仪
● 确定使用的记录笔（是“1”笔还是“2”笔，单笔记录仪无须确定）；
● 打开电源开关，将记录笔调至“0”mV处（XWCJ-100型不用调零）；
● 走纸速度，XWTD-100或XWTD-200型：4毫米/分; XWCJ-100型：300mm/h
● 测压范围：20mV；（XWCJ-100型记录仪不做此项）；
● 记录笔出水是否正常；
● 记录纸走纸是否正常。
3. 步冷曲线的测绘
将Sn含量100%样品去盖，放入加热炉，炉上盖石棉板，调压器电压调至限定位置（150V）以下某位置（一般为100mV），加热样品，注意观察，待样品全部熔化后继续升温30～50℃之后（约2～3分钟），将熔化后的样品移至保温炉。
安装热电偶，将热电偶插入样品底后，稍微拔起，用木夹和铁架台将热电偶架稳。尽量将热电偶插在样品的正中间位置。打开记录仪电源开关，放下记录笔，注意观察记录情况，当步冷曲线出现拐点时，从大气压计上读取室温tn，记于记录表或拐点位置。
记录仪上绘出一条完整步冷曲线后，先关记录仪电源，然后将凝固后的样品连同热电偶一同移回加热炉，调整电压样品熔化后，抽出热电偶，用毛刷刷去热电偶头部粘的金属。将刷下的金属放回原样品中。
按照以上步骤依次测：80%，61.9%，40%，20%，0%(纯Pb)样。
剪下记录纸，将实验装置复原，擦净实验台。
五、数据处理
首先，用已知熔点或沸点的标准物质的熔点或沸点对热电偶、记录仪进行校正。常用物质的熔点或沸点如下：
物质 | 苯甲酸 | 铋 | 镉 | 水 | 锡 | 铅 |
熔沸点t/℃ | 122 | 271.3 | 820.9 | 100(沸点) | 231.9 | 327.5 |
| | | | | | |
以 E(t,t0)表示冷端为0℃的测量热电势；E(t,tn)表示冷端为室温的测量热电势；E(tn ,t0)表示冷端为0℃的室温热电势；因为必须用冷端为0℃的热电势与温度换算，故测量E(t,tn)和tn后，根据tn查出E(tn ,t0)，用下式计算：
E(t,t0) ＝ E(t,tn) ＋ E(tn ,t0)
将测量及计算结果记录于下表：
样品组成 w(Sn)% | 冷端温度 钢管切割tn/℃ | 室温热电势 E(tn ,t0)/mV | 冷端为室温热电势E(保温炉t,tn)/mV | 冷端0℃热电势 E(t,t0)/mV | 相变温度 t/℃ |
100 | 17.8 | 0.72 | 8.70 | 9.42 | 232 |
80 | 18.8 | 0.76 | 7.26 | 8.02 | 197 |
18.8 | 0.76 | 6.56 | 7.30 | 179 |
61.9 | 19.2 | 0.76 | 6.50 | 7.26 | 178 |
40 | 19.5 | 0.80 | 8.46 | 9.26 | 228 |
19.6 | 0.80 | 6.42 | 7.22 | 177 |
20 | 20.1 | 0.80 | 10.25 | 11.05 | 272 |
20.2 | 0.80 | 6.30 | 7.10 | 中渔网174 |
0 | 20.8 | 0.84 | 12.53 | 13.37 | 328 配送区域 |
| | | | | |
根据样品组成和步冷曲线上的拐点和“平台”，在T—w%图上标出实验点，把相同实验点连成线，得相图。其中D点组成Sn含量为19.5%；F点组成Sn含量为95%。
六、注意事项
1. 加热炉电压不能超过规定值（熔化第一个样品时，在150mV,以后各样在100mV左右即可,上有标记）；
2. 将样品移至保温炉后，安装热电偶时应注意，热电偶插到样品底部后稍稍提起，并保持在样品中央；
3. 注意冷端不能短路；
4. 热电偶安装好以后再打开记录仪电源，一个样品步冷曲线完整测量后，先关记录仪电源再处理样品，以保护记录仪；
5. 样品加热温度不能太高，温度过高，样品氧化严重；
6. 从热电偶上刷下的金属要放回原样品中；
7. 测过的样品,要盖上原来的盖,注意不要盖错；
8. 在记录仪上，时间坐标是由右向左绘制的，与通常习惯绘制的恰好相反，因此图形也相反；
9. 节约使用记录纸，每测完一个样品后先关记录仪，不用走纸接着做下一个样品。
10. 一个样品测完后，将样品连同凝在其中的热电偶同时移至加热炉，熔化后再抽出热电偶，千万不能在未熔化时强行拔出，避免损坏热电偶。
七、思考题(每个组自选2个, )
1. 金属熔融体冷却时为什么会出现转折点？低共熔金属及合金转折点有几个，曲线形状为什么不同？
答：系统在冷却的过程中，固相析出要放出凝固热，系统与环境传热速度基本不变，温度的下降速度要降低，因此步冷曲线上就要有突变，出现转折点。
低共熔金属有一转折点、一平台。合金有两个转折点。
2. 热电偶的测温原理是什么？热电偶与记录仪如何接线？怎样调整使用记录仪,试用相律分析低共熔点、熔点曲线、各区域内的相和自由度数；
答：热电偶的测温原理：两种不同材质的金属导体首尾相接组成一个闭合回路，如果两接点T、t 温度不同，回路中就会产生电流，电流的大小与两种导体材料性质及接点温度有关,这就是热电效应。热电偶就是将上述两种不同材料导体连接在一起构成的热电元件，并根据热电效应来测温的。
3. 解释步冷曲线上的过冷现象？
答：当液体的温度降到熔点，应当有晶体析出，但由于新生成的晶粒极微小熔点较低，此时对微小晶体尚未达到饱和状态，所以不会有微小晶体的析出，温度必须继续下降到正常熔点以下，液体才能达到微小晶体的饱和状态而开始凝固，这种按照相平衡的条件，应当凝固而未凝固成液体的现象，称为过冷现象。
4. 如何确定未知样品的组成？
答：做该样品的步冷曲线，和相图数据相对照。
实验日期 成型2班 5月7日 成型3班 5月9日
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