实验五 金属相图

实验五 金属相图

一 实验目的

1. 了解热分析的测量技术

2. 掌握热分析法绘制Pb - Sn 合金相图的方法

二 实验原理

物质在不同的温度、压力和组成下，可以处于不同的状态。研究多相平衡体系的状态如何随温度、压力、浓度而变化，并用几何图形表示出来，这种图形称为相图。二组分体系的相图分为气-液体系和固-液体系两大类。本实验为后者也称凝聚体系，它受压力影响很小，其相图常用温度-组成的平面图表示。

热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的常用方法之一。这种方法是通过观察体系在冷却（或加热）时温度随时间的变化关系，来判断有无相变的发生。通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定环境中自行冷却；并每隔一定的时间（例如半分钟或一分钟）记录一次温度。以温度（T ）为纵坐标，时间（t ）为横坐标，画出步冷曲线T -t 图。图5-1是二组分金属体系的一种常见类型的步冷曲线。

当体系均匀冷却时，

如果体系不发生相变，

则体系的温度随时间的变化将是均匀的，

冷却也较快（如图中ab 线段）。若在冷却

过程中发生了相变，由于在相变过程中伴

随着热效应，所以体系温度随时间的变化

速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，

步冷曲线就出现转折即拐点（如图中b 点

所示）。当熔液继续冷却到某一点时（例如

图中c 点），由于此时熔液的组成已达到最

低共熔混合物的组成，故有最低共熔混合物

析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体

系温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线

段即平台（如图中cd 段）。当熔液完全凝固

后，温度才迅速下降（见图中de 线段）。

(a) 步冷曲线

图 5-1 步冷曲线 (b) A-B 体系相图 图 5-2 步冷曲线与相图

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据步冷曲线，判断固体析出时的温度和最低共熔点的温度。然后用温度作纵坐标，组成作横坐标绘制相图T -C 图。

本实验是利用“热分析法”测定一系列不同组成Pb -Sn 混合物的步冷曲线，从而绘制出其二组分体系的金属相图。利用程序升降温控制仪控制电炉的加热和降温，可以人为设定降温速度。通过热电偶采集温度数据使步冷曲线直接显示在微机屏幕上，同时在程序升降温控制仪上配有温度数值显示和定时报鸣时间，因此也可以手工记录画步冷曲线。

三 仪器与药品

可控降温电炉 1台

程序升降温控制仪（带热电偶） 1台

微机（带打印机） 1台

锡和铅样品管（分别为纯Sn ，含Sn 20%、40%、61.9%和80%的样品，样品上方覆盖一层石墨粉）。

四 实验步骤

仔细阅读本实验的附录2 KWL-08可控升降温电炉的使用方法。测定样品的步冷曲线，需先将样品加热熔化后再冷却降温。利用KWL-08可控升降温电炉可采用“内控”和“外控”两种方式进行控温。实验可根据实际情况任选其一。

㈠ 采用“内控”进行控温操作

1. 取1号样品放入电炉中，将热电偶小心插入盛样品的玻璃套管中。将控制开关置于“内控”位置。

2. 打开电炉开关，调节“加热量调节”旋钮使电炉按所需的升温速率进行升温（加热电压一般为50V 左右即可）。当接近所需温度时，关闭“加热量调节”（逆时针旋到底，此时加热电压指示“0”），待达到所需温度时，选择适当的“加热量调节”位置，以保证炉温基本稳定。

3. 当炉温在熔点以上持续5分钟后，将“加热量调节”旋钮逆时针旋到底，使加热电压指示“0”。观察降温速率，若降温速率太慢，可增加冷风量电压。由此绘出的步冷曲线显示在微机屏幕上，根据步冷曲线可以确定样品的相变温度。

4. 按同样方法测定其余样品的步冷曲线，并确定各自的相变温度。

5. 实验结束后，将“加热量调节”和“冷风量调节” 旋钮逆时针旋到底，关闭电炉电源开关。

㈡ 采用“外控”进行控温操作

1. 阅读本实验的“附录1 WCY-SJ 程序升降温控制仪”的使用方法。将热电偶小心地插入样品的玻璃套管中，将电炉的控制开关置于“外控”位置，“加热量电压”和“冷风量电压”旋钮逆时针旋到底。

2. 设定升、降温程序

打开“WCY -SJ 程序升降温控制仪”开关，按“设定温度”下面的“

键，设定加热的起始温度（一般为室温即可）；按“段时间” 下面的“

升温需要的时间（一般为10分钟）。

”键，设定保温温度（即加热达到的最高温度，一般高出样品的熔点50℃即可）；按“段时间”

”键，设定保温时间（一般为5分钟）。

”键，设定降温最终温度（，一般为140℃）10分钟）。

”键，使工作指示灯亮。打开“KWL -08可控升降温电炉”的电源开关，调整“加热量电压”为50V 左右，“冷风量电压” 旋钮顺时针调至最大。

3. 当执行降温程序时，将步冷曲线显示在微机屏幕上，由此确定样品的相变温度。 以下操作同“㈠采用“内控”进行控温操作”中的步骤4、5。

五 注意事项

1. 加热熔化样品时的最高温度比样品熔点高出50℃左右为宜，以保证样品完全熔融。待样品熔融后，可轻轻摇晃样品管，使体系的浓度保持均匀。

2. 在样品降温过程中，必须使体系处于或非常接近于相平衡状态，因此要求降温速率缓慢、均匀。在本实验条件下，通过调整适当的风量以每分钟3～5℃的速率降温，可在1小时之内完成一个样品的测试。

3. 样品在降温至平台温度时，会出现明显的过冷现象，应该待温度回升出现平台后温度再下降时，才能结束记录。

六 数据记录与处理

1. 已知Pb 的熔点是327℃，从步冷曲线上查出组成纯Sn 、含Sn20%、40%、61.9%和80%样品的凝固点温度，以纵坐标表示温度，横坐标表示组成，绘出Pb -Sn 二组分合金相图。

2. 利用相律分析相图中低共熔点，熔点曲线及各区域内的相数和自由度数。

七 思考题

1. 步冷曲线上为什么会出现转折点？纯金属、低共熔混合物及合金的转折点各有几

个？曲线形状为何不同？

2. 总质量相同但组成不同的Pb -Sn 合金其步冷曲线水平线段的长度有何不同？为什么？

3. 某Pb -Sn 合金样品已失去标签，用什么方法可以确定其组成？

附录1 WCY -SJ 程序升降温控制仪

WCY -SJ 程序升降温控制仪内部采用CPU 对系统温度进行非线性补偿，利用软件控制输出信号，使得被控制加热系统按设定的时间进行“升温”、“保温”、“降温”。在“升温”、“保温”、“降温”阶段，温度与时间按一定比例变化。

图 5-3 WCY —SJ 程序升降温控制仪面板

一 使用方法

WCY —SJ 程序升降温控制仪的操作面板如图5-3所示。

1. 将电源线接入220V 电压，按下电源开关，数码管和“置数”指示亮，“实时温度”显示室温。将热电偶插入被测物中，深度大约5cm 。

2. 置数设定

⑴

键和

键，使设定温键，设定升温所需的时间。例如：室温为10

℃，上升至40℃，上升斜率为5℃/

min ，则上升时间为6min 。

⑵ 键和

键，使设键，设定保温所需的时间。

⑶

键和

键，使设键，设定降温所需的时间。

⑷ 设定报鸣时间（10～99S 键，设定报鸣时间。

1.

使“工作”指示灯亮，

整套设备按所设定曲线进行。例如：

设定下图所示程序段曲线的操作步骤

如下：

⑴ 键，“置数”指示灯亮。

⑵

“升温”指示灯亮。设定温

键和

键，使温度值为

20

键，使时间为

10min 。

⑶ 键，“保温”指示灯亮。设定温度：使温度值为250

℃；设定时间：使时间为（20—10）=10min。

⑷ 键，“降温”指示灯亮。设定温度：使温度值为100

℃；设定时间：使时间为（30—20）=10min。

⑸ 键，“工作‘指示灯亮。此后，系统按所设定曲线工作。

4. 关机：按下电源开关即可。

附录2 KWL -08 可控升降温电炉

本仪器适用各种试管加热实验，具有独立加热和冷却（风扇）系统。也可同‘WCY -SJ 程序升降温控制仪”配合使用，组成金属相图实验装置，从而实现自动升降温。

一、 使用方法

KWL -08 可控升温电炉的剖面图如图5-4所示。该仪器采用“内控”和“外控”两种方法控温。

图 5-4 KWL-08 可控升降温电炉

采用“内控”方法控温。

1. 控制开关置于“内控”位置。将热电偶插入样品管中。

2. 调节“加热量调节”旋钮使电炉按所需的升温速率进行升温（加热电压一般小于60V ）。

3. 当接近所需温度时，关闭“加热量调节”旋钮（逆时针旋至低位，此时加热器电压指示“0”），待达到所需温度并较稳定时，选择适当的“加热量调节”位置，以保证炉温基本稳定。

4. 当需要降温时，首先将“加热量调节”旋钮逆时针旋至低位，加热电压指示“0”，观察降温速率，若降温速率太慢，可增加冷风量电压；若降温速率太快，可适当增加加热器电压，以达到所需的降温速率。

采用“外控”方法控温。

1. 控制开关置于“外控”位置。将热电偶插入样品管中。

2. 按“WCJ -SJ 程序升温控制仪”的使用方法和设定好的程序进行控制操作。

3. 将“加热量电压”旋钮顺时针调至底，“冷风量调节” 旋钮逆时针调至底，并按控温仪要求，对电炉实行自动控温。

4. 若降温速率太慢，可适当加大“冷风量电压”；若电炉升温太快，可在“加热量电压”有显示电压值时，调节“加热量调节”旋钮，以降低加热量电压。

5. 使用结束时应将“加热量调节”旋钮和“冷风量调节” 旋钮逆时针旋至底位，然后切断电炉和控温仪电源开关。

二 使用注意事项

“内—外控转换”开关不允许带电操作，转换时应先切断电炉和控温仪电源，以免烧坏仪器。