金属相图的绘制

实验五 二组分金属相图的绘制

【目的要求】

1. 学会用热分析法测绘Sn -Bi 二组分金属相图。

2. 了解纯物质和混合物步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

3. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。

【实验原理】

测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或两种金属混合物熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线称为步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一平滑的步冷曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。二元简单低共熔体系的步冷曲线及相图如图2-5-1所示。

用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度；但严重过冷现象，却会使转折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2-5-2。遇此情况，可延长dc 线与ab 线相交，交点e 即为转折点。

图2-5-1 根据步冷曲线绘制相图 图2-5-2 有过冷现象时的步冷曲线

【仪器试剂】

立式加热炉1台；保温炉1台；记录仪1台；调压器1台；镍铬-镍硅热电偶1副；样品坩埚6个；玻璃套管6只；烧杯(250mL，2只) 。

Sn(C.P.)；Bi(C.P.)；石蜡油；石墨粉。

【实验步骤】

1. 热电偶的选择和制备

取60cm 长的镍铬丝和镍硅丝各一段，将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好，将其一端与镍硅丝的

2 第二篇 基础实验

一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm) ，将扭合头稍稍加热立即沾以硼砂粉，并用小火熔化，然后放在高温焰上小心烧结，直到扭头熔成一光滑的小珠，冷却后将硼砂玻璃层除去。

2. 样品配制

用感量0.1g 的台称分别称取纯Sn 、纯Bi 各50g ，另配制含锡20%、40%、60%、80%的铋锡混合物各50g ，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。

3. 绘制步冷曲线

(1) 将热电偶及测量仪器如图2-5-3连接

好。

(2) 将盛放样品的坩埚放入加热炉内加热

(控制炉温不超过400℃) 。待样品熔化后停止加

热，用玻璃棒将样品搅拌均匀，并在样品表面撒

一层石墨粉，以防止样品氧化。 (3) 将坩埚移至保温炉中冷却，此时热电偶图2-5-3 步冷曲线测量装置 的尖端应置于样品中央，以便反映出体系的真实1-加热炉；2-坩埚；3-玻璃套管；4-热电偶 温度，同时开启记录仪绘制步冷曲线，直至水平

线段以下为止。

(4) 用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。

(5) 用小烧杯装一定量的水，在电炉上加热，将热电偶插入水中绘制出水沸腾时的水平线。

【注意事项】

用电炉加热样品时，温度要适当，温度过高样品易氧化变质；温度过低或加热时间不够则样品没有完全熔化，步冷曲线转折点测不出。

热电偶热端应插到样品中心部位，在套管内注入少量的石蜡油，将热电偶浸入油中，以改善其导热情况。搅拌时要注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点变动，必须注意。

在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，以便节约时间。混合物的体系有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则须重新测定。

【数据处理】

1. 用已知纯Bi 、纯Sn 的熔点及水的沸点作横坐标，以纯物质步冷曲线中的平台温度为纵坐标作图，画出热电偶的工作曲线。

2. 找出各步冷曲线中转折点和水平线段所对应的温度值。

3. 从热电偶的工作曲线上查出各转折点温度和水平线段所对应的温度，以温度为纵坐标，以物质组成为横坐标，绘出Sn -Bi 金属相图。

思 考 题

1. 对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？为什么？

2. 作相图还有哪些方法？

【讨论】

1. 本实验成败的关键是步冷曲线上转折点和水平线段是否明显。步冷曲线上温度变化的速率取决于体系

实验五 二组分金属相图的绘制 3

与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则转折就不明显。故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6～8℃/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V 左右）来减缓降温速率。

2. 本实验所用体系一般为Sn -Bi 、Cd -Bi 、Pb -Zn 等低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。石蜡油的沸点较低（大约为300℃），故电炉加热样品时注意不宜升温过高，特别是样品近熔化时所加电压不宜过大，以防止石蜡油的挥发和炭化。

3. 固液系统的相图类型很多，二组分间可形成固溶体、化合物等，其相图可能会比较复杂。一个完整相图的绘制，除热分析法外，还需借用化学分析、金相显微镜、X 射线衍射等方法共同解决。