实验十二 二组分金属相图
实验十二 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三种: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;另一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;还有一种是液相完全互溶,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,并在记录仪上自动画出(或人工画出) 温度随时间变化的步冷曲线(见图12-1) 。
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(如图中b 点) 。当熔液继续冷却到某一点时(如图中c 点) ,此时熔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(如图中cd 线段) ;当熔液完全凝固后;
温度才迅速下降(如图中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) 。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图12-2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。
三、仪器与试剂
JXL-2型金属相图炉一台,微电脑温度控制仪一台,铂电阻温度计一支,玻璃样品管六支。 纯锡、纯铋、液体石蜡或碳粉
1. 相图炉;2. 样品管;3. 铂电极;4. 电压表;5. 电压钮;6. 微电脑温度控制仪;7. 温度显示屏;8. 温度设置;9. 定时器;l0. 复位器
四、实验步骤
1.配制样品
用感量为0.1g 的台称,分别配制含Bi 量为30%、58%(低共熔混合物) 、70%、80%(均为质量分数) 的Bi-Sn 混合物各l00g ,另外称纯Bi 、纯Sn 各l00g 分别放入6个试管中,覆盖一层石蜡或碳粉,防止金属被氧化。(实验室准备)
2.测定样品
将装有样品的试管放入相图炉内,搏铂电极温度计插入样品管中(使其顶部离样品管底约1cm 处) 。接通电源,根据不同组成设置温度(见附表) ,按下复位键,使样品加热熔融,同时调节加热电压为170V 。
当加温温度超过设置温度后,加热自动停止。将设置温度及电压计旋钮回至零位;此时炉内温度将继续上升,当温度计至最高点(不能超过350℃) 时,将样品管取出,用装温度计的钢套将样品小心地搅拌均匀,再将样品管放回相图炉中。
按定时健,时间间隔调为60秒,在指示音的提示下,即可每分钟读取温度一次(可据附表所示温度开始记录) ,待转折点出现后,温度均匀下降约5分钟即可停止读数。
附表:
五、数据记录与处理
1.以温度为纵坐标,时间为横坐标,作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。
六、思考与讨论
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