第二章二元合金相图
纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立
在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。
合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物
2.1.1.1 固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、
且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶
体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；
另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等
符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A
（B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中
锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示
为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图
⑴固溶体的分类
①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
???--的间隙之中;溶质原子进入溶剂晶格间隙固溶体格某些结点上的原子;溶质原子代换了溶剂晶置换固溶体
②按溶质原子在溶剂中的溶解度（固溶度）（溶质在固溶体中的极限浓度）分为：
???--(可达100%);溶质可以任意比例溶入无限固溶体相生成;溶质超过溶解度即有新有限固溶体
③按溶质原子的分布规律：
???--溶质原子无规则分布;无序固溶体溶质原子有规则分布;有序固溶体
有序化-在一定条件（如成分、温度等）下，一些合金的无序固溶体可变为有序固溶体。 ⑵影响固溶体类型和溶解度的主要因素
影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。 原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序的。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。
⑶固溶体的性能
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。对于置换固
溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变（见
图2.2）。形成间隙固溶体时，晶格总是产生正畸变。晶格畸
变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的
阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强
度和硬度。这种随溶质原子浓度的升高而使金属强度和硬度
提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要 图2.2 晶格正、负畸变示意图 形式。在溶质含量适当时可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。例如，纯铜的b
σ为 220MPa ，硬度为 40HB ，断面收缩率ψ为70％。当加入 1％镍形成单相固溶体后，强度升高到 390MPa ，硬度升高到70HB ，而断面收缩率仍有50％。所以固溶体的综合机械性能很好，常常被用作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大等等。
2.1.1.2 复杂结构的间隙化合物
合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金的重要强化相。金属化合物有许多种，其中较常用的是具有复杂结构的间隙化合物（当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时形成的）。如钢中的C Fe 3
,其中Fe 原子可以部分地被Mn 、Cr 、Mo 、W 等金属原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如Fe (、C Cr 3
)等。复杂结构的间隙化合物具有很高的熔点和硬度，在钢中起强化作用，是钢中的主要强化相。 2.1.2 相图概述
前面已经简述过，合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系，是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。进而可以研究合金的组织与性能的关系。何为合金系呐？两组元按不同比例可配制成一系列成分的合金，这些合金的集合称为合金系，如铜镍合金系、铁碳合金系等。我们即将要研究的相图就是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。所谓平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。
合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表示。
我们先来认识一下相图。图2.3为铜镍二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。横
坐标表示合金成分（一般为溶质的质量百分数），左右端
点分别表示纯组元（纯金属）Cu 和Ni ，其余的为合金
系的每一种合金成分，如C 点的合金成分为含Ni 20％,
含Cu 80％。坐标平面上的任一点（称为表象点）表示一
定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。例如，A 点
表示，含30％Ni 的铜镍合金在1200℃时处于液相（L ）
+α固相的两相状态；B 点表示，含60％Ni 的铜镍合金
在1000℃时处于单一α固相状态。
2.1.3 相图的建立过程
合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变
化，因此测定合金系中各种成分合金的相变的温度，可
以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。 图2.3 Cu-Ni 合金相图
常用的方法有热分析法、膨胀法、射线分析法等。下面以铜镍合金系为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。
⑴配制系列成分的铜镍合金。
例如：合金Ⅰ：100％Cu ；合金Ⅱ：75％Cu +25％Ni ；合金Ⅲ：50％Cu +50％Ni ；合 金Ⅳ：25％Cu +75％Ni ；合金Ⅴ：100％Ni 。
⑵合金熔化后缓慢冷
却，测出每种合金的冷却曲
线，找出各冷却曲线上的临
界点（转折点或平台）的温
度。如图2.4。
⑶画出温度—成分坐标
系，在各合金成分垂线上标
出临界点温度。
⑷将具有相同意义的点
连接成线，标明各区域内所
存在的相， 即得到Cu -Ni 图2.4 Cu-Ni 合金冷却曲线及相图建立
合金相图。（图2.4）。
铜镍合金相图比较简单，实际上多数合金的相图很复杂。但是，任何复杂的相图都是由一些简单的基本相图组成的。下面介绍几个基本的二元相图。
2.1.4 二元合金的杠杆定律
由相律可知，二元合金两相平衡时，两平衡相的成分与温度有关，温度一定则两平衡相的成分均为确定值。确定方法是：过该温度时的合金表象点作水平线，分别与相区两侧分界 线相交，两个交点的成分坐标即为相应的两平衡相成分。例如图2.5中，过b 点的水平线与相区分界线交于a 、c 点，a 、c 点的成分坐标值即为含Ni b ％的合金1
T 时液、固相的平衡成分。含Ni b ％的合金在
1
T 温度处于两相平衡共存状态时，两平衡相的相对质量
也是确定的。见图2.5，表象点b 所示合
金含Ni b ％，1
T 时液相L （含Ni a ％）
和α固相（含Ni c ％）两相平衡共存。
设该合金质量为 Q ，液相、固相质量为L Q 、αQ ，显然，由质量平衡：合金中Ni
的质量等于液、固相中Ni 质量之和，即： 图2.5 杠杆定律的证明及力学比喻 %%%c Q a Q b Q L ?+?=?α；合金总质量等于液、固相质量之和，即：αQ Q Q L
+=；二式联立得：=?+%)(b Q Q L α%%c Q a Q L
?+?α；化简整理后得：
ab bc b a c b Q Q L
=--=%%%%α或bc Q ab Q L
?=?α 因该式与力学的杠杆定律（如图 2.5）相同，所以我们把bc Q ab Q L ?=?α称为二元合金
的杠杆定律。杠杆两端为两相成分点L
Q 、αQ ，支点为该合金成分点b ％。利用该式，还可
以推导出合金中液、固相的相对质量的计算公式，如下： 设液、固相的相对质量分别为L w 、αw ，即L w Q Q L =
、αw Q Q α=；将ab bc Q Q L =α两端加1得11+=+ab bc Q Q L
α，即ab ac ab ab bc Q Q Q Q Q L =+==+ααα。则αw =
ac ab ；用1减去该式两端得： 1-αw =ac ab
-1即L w =ac bc
ac ab ac =-
必须指出，杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。
2.2 匀晶相图
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如Ni Cu -、Cr Fe -、Ag Au -合金相图等。
现以Ni Cu -合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
2.2.1 相图分析
Ni Cu -相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。图中acb 线为液相线，该线以上合金处于液相；adb 线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。L 为液相，是Cu 和Ni 形成的液溶体；α为固相，是Cu 和Ni 组成的无限固溶体。图中有两个单相区：液相线以上的L 相区和固相线以下的α相区。图中还有一个两相区：液相线和固相线之间的L +α相区。
2.2.2 合全的结晶过程
以b 点成分的Ni
Cu -合金(Ni 含量为b ％)为例
分析结晶过程。该合金的冷
却曲线和结晶过程如图2.6
所示。首先利用相图画出该
成分合金的冷却曲线，在1
点温度以上，合金为液相L 。
缓慢冷却至l-2温度之间
时，合金发生匀晶反应，从
液相中逐渐结晶出α固溶
体。2点温度以下，合金全
部结晶为α固溶体。其它成 图2.6 匀晶合金的结晶过程
分合金的结晶过程也完全类似。
2.2.3 匀晶结晶的特点
⑴与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程， 且固溶体更趋于呈树枝状长大。⑵固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。⑶在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni 含量）是确定的。确定相成分的方法见2.1.4。⑷两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合杠杆定律。⑸固溶体结晶时成分是变化的（L 相沿1a →2a 变化，α相沿1c →2
c 变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni ）较多，后结晶的树枝晶
枝干含低熔点组元（Cu ）较多。结果造成在一个晶粒之内化学
成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析（见图 2.7）。枝晶偏
析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为
了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100℃左右），
并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。
这种处理称为扩散退火。
图2.7 枝晶偏析示意图
2.3 共晶相图
两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。例如Sn Pb -、Si Al -、Cu Ag -合金相图等。
现以Sn Pb -合金相图为例，对共晶相图及其合
金的结晶过程进行分析。
2.3.1 相图分析
Sn
Pb -合金相图（图2.8）中，adb 为液相线，
acdeb 为固相线。合金系有三种相:Pb 与Sn 形成的
液溶体L 相，Sn 溶于Pb 中的有限固溶体α相，
Pb 溶于Sn 中的有限固溶体β相。相图中有三个单相区（L 、α、β相区）；三个两相区（L +α、L +β、α+β
相区）；一条L +α+β的三相并存线（水平线cde ）。 图2.8 Pb-Sn 合金相图及成分线
d 点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）
时，共同结晶出c 点成分的α相和e 点成分的β相：e c d L βα+?→?恒温。
这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合 物（层片相间）叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。水平线cde 为共晶反应钱，成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。
cf 线为Sn 在Pb 中的溶解度线（或α相的固溶线）
。温度降低，固溶体的溶解度下降。Sn
含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出β相以降低其 Sn 含量。从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ。这种二次结晶可表达为：βα→Ⅱ。
eg 线为Pb 在Sn 中的溶解度线（或β相的固溶线）。Sn 含量小于g 点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α：αβ→Ⅱ。
2.3.2 典型合金的结晶过程
2.3.2.1 合金Ⅰ
合金Ⅰ的平衡结晶过程（如图2.9所示）。液态合金冷却
到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度合金完全
结晶成α固溶体，随后的冷却（2-3点间的温度），α相不变。
从3点温度开始，由于Sn 在α中的溶解度沿cf 线降低，从α
中析出βⅡ，到室温时α中Sn 含量逐渐变为f 点。最后合金
得到的组织为α+βⅡ。其组成相是f 点成分的α相和g 点成
分的β相。运用杠杆定律，两相的相对质量为： %)%%(%%;%αββα-=?=?=1或1004
1004fg f fg g
合金的室温组织由α和βⅡ组成，α和βⅡ即为组织组成
物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形 图2.9 合金Ⅰ结晶过程示意图 成机制和特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。
合金Ⅰ的室温组织组成物α和βⅡ皆为单相，所以它的组织组成物的相对质量与组成相
的相对质量相等。
2.3.2.2 合金Ⅱ
合金Ⅱ为共晶合金，其结晶过程如图2.10所示。合金从液态冷却到1点温度后，发生共晶反应：e c d L βα+?→?恒温
，经一定时间到1'时反应结束，全部转变为共晶体（e
c βα+）。从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的c α和e
β均发生二次结晶，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ。α的成分由c 点变为f 点，β的成分由e 点变为g 点；两种相的相对质量依杠杆定律变化。由于析出的αⅡ和βⅡ都相应地同α和β相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化，不用单独考虑。合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。
图2.10共晶合金结晶过程示意图 图2.11 亚共晶合金结晶过程示意图
2.3.2.3 合金Ⅲ
合金Ⅲ是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。合金冷却到1点温度后，由匀晶反应生成α固溶体，此乃初生α固溶体。从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，初生α的成分沿ac 线变化，液相成分沿ad 线变化；初生α逐渐增多，液相逐渐减少。当刚冷却到2点温度时，合金由c 点成分的初生α相和d 点成分的液相组成。然后剩余液相进行共晶反应，但初生α相不变化。经一定时间到2'点共晶反应结束时，合金转变为()e
c c βαα++。从共晶温度继续往下冷却，初生α中不断析出βⅡ，成分由c 点降至f 点；此时共晶体如前所述，形态、成分和总量保持不变。合金的室温组织为初生α+βⅡ+()βα+。合金的组成相为α和β，它们的相对质量为：%%%;%1003
1003?=?=fg f fg g
βα。
合金的组织组成物为：初生α、βⅡ和共晶体()βα+。它们的相对质量须两次应用杠杆定律求得。根据结晶过程分析，合金在刚冷到2点温度而尚未发生共晶反应时，由c α和d L 两相组成，它们的相对质量为：%%%;%10021002?=?=cd c L cd d d c α。
其中，液相在共晶反应后全部转变为共晶体()βα+，因此这部分液相的质量就是室温组织中共晶体()βα+质量，即： ()βα+％%%1002?==cd c L d 。
初生c
α冷却时不断析出βⅡ，到室温后转变为f α和βⅡ。按照杠杆定律，βⅡ占f α+βⅡ质量百分数为%100?'
fg c f （注意，杠杆支点在c '点）；f α占的为%100?'fg g c 。由于f α+βⅡ
的质量等于c α的重量，即f α+βⅡ在整个合金中的重量百分数为%1002?cd d ，所以在合金室温组织中，βⅡ和f α分别所占的相对质量为：
%%%;%10021002??'=
??'=cd d fg g c cd d
fg c f f II αβ。这样，合金Ⅲ在室温下的三种组织组成物的相对质量为：%)%(%;%%;%1002
10021002?=+??'=??'=cd c cd d
fg c f cd d
fg g
c II βαβα。
成分在cd 之间的所有亚共晶合金的结晶过程均与合全Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对质量不同。成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。
位于共晶点右边，成分在de 之间的合金为过共晶合金（如图2.8中的合金Ⅳ）。它们的结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、共晶反应和二次结晶等三个转变阶段；不同之处是初生相为β固溶体，二次结晶过程为II αβ→。所以室温组织为()βααβ+++II
。 2.3.3 标注组织的共晶相图
我们研究相图的目的是要了解不同成分的合金室温
下的组织构成。因此，根据以上分析，将组织标注在相
图上。以便很方便地分析和比较合金的性能，并使相图
更具有实际意义。如图2.12所示。从图中可以看出，
在室温下f 点及其左边成分的合金的组织为单相α，g
点及其右边成分的合金的组织为单相β，g f -之间成
分的合金的组织由α和β两相组成。即合金系的室温组
织自左至右相继为：α、α+βⅡ、、α+βⅡ+()βα+、
()βα+、()βααβ+++II 、II αβ+、β。 图2.12 标注组织的共晶相图
由于各种成分的合金冷却时所经历的结晶过程不同，组织中所得到的组织组成物及其数量是不相同的。这是决定合金性能最本质的方面。
2.4 包晶相图
两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。例如Ag Pt -、Sn Ag -、Sb Sn -合金相图等。
现以Ag Pt -合金相图为例，对包晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
2.4.1 相图分析
Ag Pt -合金相图
（图2.13）中存在三种相：Pt 与Ag 形成的液溶体L 相；Ag 溶于Pt 中的有限固
溶体α相；Pt 溶于Ag 中的有限固溶体β相。e 点
为包晶点。e 点成分的合金冷却到e 点所对应的温
度（包晶温度）时发生以下反应：
e
d e L βα?→?+恒温
这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作
用而转变为另一种固相的反应叫做包晶反应。发生
包晶反应时三相共存，它们的成分确定，反应在恒
温下平衡地进行。水平线ced 为包晶反应线。cf 图2.13 Pt-Ag 合金相图 为Ag 在α中的溶解度线，eg 为Pt 在β中的溶解度线。
2.4.2 典型合金的结晶过程
2.4.2.1 合金Ⅰ
合金Ⅰ的结晶过程如图2.14所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出α固溶体，L 相成分沿ad 线变化，α相成分沿ac 线变化。合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前，
由d 点成分的L 相与c 点成分的α相组成．此两相在e 点温度时发生包晶反应，β相包围α相而形成。反应结束后，L 相与α相正好全部反应耗尽，形成e 点成分的β固溶体。温度继续下降时，从β中析出II α。最后室温组织为II αβ+。其组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定律来确定。
在合金结晶过程中，如果冷速较快，包晶反应时原子扩散不能充分进行，则生成的β固溶体中会发生较大的偏析。原α处Pt 含量较高，而原L 区含Pt 量较低。这种现象称为包晶偏析。包晶偏析可通过扩散退火来消除。
图2.14 合金Ⅰ结晶过程示意图 图2.15 合金Ⅱ结晶过程示意图
2.4.2.2 合金Ⅱ
合金Ⅱ的结晶过程如图2.15所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出α相，刚至2点温度时合金由d 点成分的液相L 和c 点成分的α相组成，两相在2点温度发生包晶反应，生成β固溶体。与合金Ⅰ不同，合金Ⅱ在包晶反应结束之后，仍剩余有部分α固溶体。在随后的冷却过程中，β和α中将分别析出II α和II β，所以最终室温组织为
II II βαβα+++。
2.5 共析相图与含有稳定化合物的相图
除了上述三个基本相图以外，还经常用到一些特殊相图。如共析相图、含有稳定化合物的相图等。
2.5.1 共析相图
如图2.16所示，其下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。d 点成分（共析成分）的合金（共析合金）从液相经匀晶反应生成γ相后，继续冷却到d 点温度（共析温度）时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（γ相）在恒温下同时析出两个固相（c 点成分的α相和e 点成分的β相）。反应式为；e
c d βαγ+?→?恒温
，此两相的混合物称为共析体(层片相间)。各种成分的合金的结晶过程的分析同于共晶相图。
图2.16 共析相图 图2.17 Mg-Si 合金相图
但因共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。
2.5.2 含有稳定化合物的相图
在有些二元合金系中组元间可能形成稳定化合物。稳定化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其它化学反应。如图2.17为Si
Mg 相图，稳定化合物在相图中是一条垂线，可以把它看作成一个独立组元而把相图分为两个独立部分。
2.6 合金的性能与相图的关系
2.6.1 合金的力学性能和物理性能
相图反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。图2.18示意表明了相图与合金力学性能及物理性能的关系。图形表明，合金组织为两相混合物时，如两相的大小与分布都比较均匀，合金的性能大致是两相性能的算术平均值，即合金的性能与成分呈直线关系。此外，当共晶组织十分细密时，强度、硬度会偏离直线关系而出现峰值（如图中虚线所示）。单相固溶体的性能与合金成分呈曲线关系，反映出固溶强化的规律。在对应化合物的曲线上则出现奇异点。
2.6.2 合金的铸造性能
图2.19表示了合金铸造性能与相图的关系。液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞（称分散缩孔，也称缩松）。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得健全铸件。
图2.18合金的使用性能与相图关系示意图图2.19合金的铸造性能与相图关系示意图
2.6.3 相图的局限性
最后应当指出应用相图时的局限性。首先，相图只给出平衡状态的情况，而平衡状态只有很缓慢冷却和加热，或者在给定温度长时间保温才能满足，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态。因此用相图分析合金的相和组织时，必须注意该合金非平衡结晶条件下可能出现的相和组织以及与相图反映的相和组织状况的差异。其次，相图只能给出合金在平衡条件下存在的相、相的成分和其相对量，并不能反映相的形状、大小和分布，即不能给出合金组织的形貌状态。此外要说明的是，二元相图只反映二元系合金的相平衡关系，实际使用的金属材料往往不只限于两个组元，必须注意其他元素加入对相图的影响，尤其是其他元素含量较高时，二元相图中的相平衡关系可能完全不同。
习 题
2.1 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
2.2 合金相图反映一些什么关系？应用时要注意什么问题？
2.3 为什么纯金属凝固时不能呈枝晶状生长，而固溶体合金却可能呈枝晶状生长？
2.4 30kg 纯铜与20kg 纯镍熔化后慢冷至125O ℃，利用图2.3的Ni Cu -相图，确定：
⑴合金的组成相及相的成分；⑵相的质量分数。
2.5 示意画出图2.8中过共晶合金Ⅳ（假设Sn w =70％）平衡结晶过程的冷却曲线。画出室温平衡组织示意图，并在相图中标注出组织组成物。计算室温组织中组成相的质量分数及各种组织组成物的质量分数。
2.6 铋 （Bi ）熔点为271.5℃，锑 （Sb ）熔点为630.7℃，两组元液态和固态均无限互溶。缓冷时=Bi w 50％的合金在520℃开始析出成分为=Sb w 87％的α固相，=Bi w 80％的合金在400℃时开始析出=Sb w 64％的α固相,由以上条件:
⑴ 示意绘出Sb Bi -相图，标出各线和各相区名称；
⑵ 由相图确定Sb w = 40％合金的开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分和相的质量分数。
2.7 若Sn Pb -合金相图（图2.8）中f 、c 、d 、e 、g 点的合金成分分别是Sn w 等于2％、19％、61％、97％和99％。问在下列温度（t ）时，=Sn w 30％的合金显微组织中有哪些相组成物和组织组成物？它们的相对质量百分数是否可用杠杆定律计算？是多少？
⑴t =300℃；⑵刚冷到183℃共晶转变尚没开始；⑶在183℃共晶转变正在进行中；⑷共晶转变刚完，温度仍在 183℃时；⑸冷却到室温时（20℃）。
2.8 固溶体合金和共晶合金其力学性能和工艺性能各有什么特点？
2.9 纯金属结晶与合金结晶有什么异同？
2.10 为什么共晶线下所对应的各种非共晶成分的合金也能在共晶温度发生部分共晶转变呢？
2.11 某合金相图如图2.20所示，
⑴标上⑴-⑶区域中存在的相;⑵标上⑷，⑸区域中的组织。⑶相图中包括哪几种转变？写出它们的反应式。
图2.20 题2.11图 图2.21 题2.12 图
2.12 发动机活塞用Si Al
-合金铸件制成，根据相图（图 2.21），选择铸造用Si Al -合金的合适成分，
简述原因。
第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
实验五二元合金相图 一、目的要求 1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的测量技术。 二、基本原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef 两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过
程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。 图4.1 A-B 体系相图 图4.2 步冷曲线 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下： ⑴ 被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。 ⑵ 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时的组成值一致。如果测定过程中样品各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。 ⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，测温探头必须深入到被测体系的足够深度处。 本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY 数字控温仪，通过 KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。 温度A B
实验报告 实验名称：金属的塑性变形 组别第6组 学号、姓名：2012034036 谈鑫学号、姓名：2012034035 何韦唯学号、姓名：2012034034 周卫东学号、姓名：2012034037 安望学号、姓名：2012034038 罗伟学号、姓名：2012034039 陈科宇 2014年 5月 28日
一、实验目的 1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的实验技术热电偶测量温度的方法。 二、实验仪器 SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台； 三、实验原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在； 在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存； 在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G、H。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，
一．实验目的 1.用热分析法测绘Sn-Bi二元低共熔体系的相图 2.学习步冷曲线绘制相图的方法 二．实验原理 相图是多相体（二相或二相以上）处于相平衡状态时体系的某种物理性质对体系的某一自变量作图所得的图形（体系的其它自变量维持不变），二元和多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件下的相平衡情况，因此研究相体系的性质，以及多相平衡情况的变化要用相图的知识。 AB表示两个组分的名称，纵坐标是温度T,横坐标 是B的百分含量abc线上，体系只有液相存在，ace 所围的面积中有固相A及液相存在，bcf所围的中 有B晶体和个液相共存，c点有三相（AB晶体和饱 和熔化物）。 测绘相图就是要将图中这些分离相区的线画出来， 常用的实验方法是热分析法。所观察的物理性质是 被研究体系的温度。将体系加热熔融成均匀液体，然后冷却，每隔一定时间记录温度一次，一温度对时间作图，得到步冷曲线。 当一定组成的熔化物冷却时，最初温度随时间逐渐下降达到相变温度时，一种组分开始析出，随着固体的析出而放出凝固潜热，使体系冷却速度变慢，步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，转折点的温度即是相变温度。继续冷却的过程中，某组分析出的量逐渐增多而残留溶液中的量则逐渐减少，直到低共熔温度时，液相达到低共熔组成，两种组分同时互相饱和，两种组分的晶体同时析出，这时继续冷却温度将保持不变，步冷曲线出现一水平部分，直到全部溶液变为固体后温度才开始降低，水平停顿温度为最低共熔点温度。 如果体系是纯组分，冷却过程中仅在其熔点出现温度停顿，步冷曲线的水平部分是纯物质的熔点，图中b是图1中组成为P体系的步冷曲线，点2,3分别相当于图1中的G,H。因此取一系列不同组成的体系，做出它们的步冷曲线求出其转折点，就能画出相图。但是在实验过程中有时会出现过冷现象，这时必须外推求得真正的转折点。
二组分固---液相图的绘制 一、实验目的 1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。 2.了解热分析法测量技术。 3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。 二、预习要求 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。 三、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合金熔融后，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叫步冷曲线。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光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却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冷却曲线具有图1所示的形状。 图1 根据步冷曲线绘制相图 拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低 共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。 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，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2。遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。 图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。 当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。若图III-5-4中的步冷曲线为图III-5-5中总组成为P 的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G 点，为纯固相开始析出的状态。水平段3~4相当于相图中H 点，即低共熔物凝固的过程。因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷拐点：相变温度 平台 A+L B+L L A+B
教学课题二元合金相图 教学课时 2 教学目的让学生了解了解相图的分析方法及共晶转变的概念 掌握共晶转变的定义、应具备的条件 教学难点共晶转变的定义、应具备的条件 教学重点共晶转变的定义、应具备的条件 教学方法讲解法 教具准备教材 教学过程
授课内容 一、二元合金相图的建立 相图：合金的成分、温度和组织之间关系的一个简明图表。 相图的作用：研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。 相图的表示形式：平面坐标图的形式表示。（纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分）（教材P36页） 例如:F、G、M含义 ） F点表示：400℃时含B 20% 含A 80%合金 G点表示：800℃时含B 60% 含A 40%合金 M点表示：1000℃时含B 80% 含A 20%合金 相图的建立是通过实验的方法测定出来的。最常用的是热分析法。 以铅锑二元合金为例，说明步骤： （1）配制不同成分的Pb-Sb合金。 （2）将它们熔化，再用热分析法测定各合金的冷却曲线。 （3）根据各冷却曲线上的转折点，确定其临界点的位置。（临界点：金属发生 结构改变的温度。指合金的结晶开始及终了温度。） （4）把各合金的临界点描绘在温度—成分坐标系的相对位置上，并将意义相同
的临界点连接起来，即得相图。 举例说明Cu —Ni 二元合金相图。 二、铅锑二元合金相图的分析 ℃℃） A （327 ） 1、A 点：铅的熔点 （327℃） 2、B 点：锑的熔点 （631℃） 3、C 点：共晶点（ Sb11%+Pb89% 252℃ ） 4、ACB ：液相线 5、DCE ：固相线 6个区域（如图） 共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。 结晶过程 1、共晶转变：（Sb11%+Pb89%） 252℃ Lc ===== （Sb + Pb ） 共晶合金：在恒温下从液相中，同时结晶出 Sb 和 Pb 的混合物（共晶体），继续冷却，共晶体不再发生变化。这一合金称为共晶合金。 2、亚共晶转变： （ Sb ＜11% ）
二元合金相图的绘制与应用 实验二元合金相图的绘制与应用 一、目的要求 1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图 2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法 3、掌握微电脑控制器的使用方法 4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法 二、基本原理 相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。热分析方法与步冷曲线 热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。这就是用热分析法绘制液固相图的概要. 如图所示： T /℃ t Bi-Cd 合金冷却曲线 曲线1、5是纯物质的步冷曲线。当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度 下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-?+1=1-2+1=0，系统温度维持不变， 步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下 降。 曲线2、4是A 与B 组成的混合物的步冷曲线。与纯物质的步冷曲线不同。系统从高温冷却到温度b ’时, 开始有固体A 不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A 的量随之
实验六步冷曲线法绘制二元合金相图 一、目的要求 1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。 2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。 二、实验原理 1.相图 相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。 2.热分析法测绘步冷曲线 热分析法是绘制相图常用的基本方法。其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图6－1）。从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。 对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图6－1所示。 图6－1(a) 图6－1(b) 图6－1(c) 图6－1(a)体系是单组分体系。在冷却过程中，在a～a1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到a1时，达到物质的凝固点，有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。当到达a1′点液相完全消失，系统成
实验四二元合金相图的绘制 一、实验目的 1.学会用热分析法测绘Sn－Bi二元合金相图； 2.了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法； 3.了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状的异同，学习相变点的温 度的确定方法。 二、实验设备 A. 仪器设备 1．立式加热炉1台；2．冷却保温炉1台；3．长图自动平衡记录仪；4．电压调压器1台；5．镍铬-镍硅热电偶1副；6．样品坩埚6个；7．玻璃套管6只；8．烧杯(250mL) 2个；9．玻璃棒1只；10．0.1g精度电子天平1台。 B. 药品 Sn(化学纯)；Bi(化学纯)；石腊油；石墨粉。 三、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合金熔融后，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叫步冷曲线。当熔融体在均匀冷却过程中无相变时，其温度将连续均匀下降，得到一光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系放出相变潜热与自然冷却时体系散发掉的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却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冷却曲线具有图4-1所示的形状。
图4-1 根据步冷曲线绘制相图 图4-2 有过冷现象时的步冷曲线 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，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图4-2。遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。 四、实验步骤 1.热电偶的制备 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
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 金属材料与热处理课程 二元合金相图的定义、作 用及建立 主讲教师：张琳 西安航空职业技术学院
二元合金相图的定义、作用及建立合金的结晶同纯金属的结晶一样，也遵循形核与长大的基本规律。但由于合金成分中包含有两个以上的组元，其结晶过程除受温度影响外，还受到化学成分及组元间不同作用等因素的影响，故结晶过程比纯金属复杂。通常用合金相图来分析合金的结晶过程。 合金相图也称为平衡图或状态图。它是表示在平衡条件下（极其缓慢冷却）合金状态、成分和温度之间关系的图形。根据相图可以了解在平衡状态下不同成分合金在不同温度下所存在的相，还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律。根据组元数, 相图分为二元相图、三元相图和多元相图，如图1所示。 （a） Fe-Fe3C二元相
（b ） 三元相图 图1 相图的分类 在生产实践中，相图是分析合金组织及变化规律的重要工具，也是确定热加工工艺的重要依据。它具有下列用途： 由材料的成分和温度预知平衡相； 材料的成分一定而温度发生变化时分析其他平衡相变化的规律； 估算平衡相的数量； 预测材料的组织和性能。 常压下，二元合金的结晶状态取决于温度和成分两个因素，所以二元合金相图一般用温度及成分组成的平面坐标系表示。二元合金相图建立的方法有热分析法、热膨胀法、金相分析法、磁性法、电阻法、X 射线晶体结构分析法等，其中最常用的是热分析法，图2为热分析法绘制的相图。 下面以Cu-Ni 合金为例，介绍利用热分析法建立二元合金相图的过程: （1）配制一系列不同成分的铜-镍合金：①Cu w =100％；②Cu w =80％，Ni w =20％；③Cu w =60％，Ni w =40％；④Cu w =40％，Ni w =60％；⑤Cu w =20％，
实验 二元合金相图的绘制与应用 一、目的要求 1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图 2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法 3、掌握微电脑控制器的使用方法 4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法 二、基本原理 相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。 热分析方法与步冷曲线 热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示： Bi-Cd 合金冷却曲线 T /℃ t
曲线1、5是纯物质的步冷曲线。当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A的熔点时，固体A开始析出，系统出现两相平衡（固体A和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-?+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下降。 曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。与纯物质的步冷曲线不同。系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A 的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。当体系温度到达低共熔温度c’时，固体A、B与组成为E%的溶液三相平衡共存，根据相律，f=k-?+1=2-3+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现水平线段c’d’，直到液相完全凝固后，温度又继续下降。 曲线3是表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线，其图形与纯物质的步冷曲线相似，但在水平段对应的温度时，系统是三相平衡共存。 对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢、又无振动时，有过冷现象出现。液体的温度可下降至比正常凝固点更低温度才开始凝固，固相析出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图所示： 曲线Ⅱ就表示纯金属有过冷现象时的步冷曲线，b’为过冷温度，b’’为正常相变温度；而Ⅰ为无过冷现象时的步冷曲线。 用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的组成，在对应的纵坐标开始出现相变（即步冷曲线上的转折点或平台）的温度，把这些点连接起来即得相图。 从相图的定义可知，用热分析方法测绘相图要注意以下问题： 测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却时温度下降不能过快；如晶形转变时，相变热较小，此方法不宜采用；对样品的均匀性与纯度也要充分考虑，一定要防止样品的氧化和混有杂质，否则会变成另一多元体系（高温影响下特别容易出现此类现象）；为了保证样品均匀冷却，加热温度稍高一些为好；铂电阻放入样品中的部位与深度要适当；测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，其对精确测定也有较大影响，试验中必须注意，否则会出现较大的误差，使测量结果失真。 三、仪器与试剂 金属相图实验炉（800ｗ），炉体上有装有电压调节器 微电脑控制器; 宽肩硬质玻璃样品管或不锈钢样品管 铂电阻Ｐt100; 铂电阻套管不锈钢; 皮塞 锡,铋 ;铅在高温下挥发气体有毒,使工作人员头晕,建议采用锡铋合金. 四、实验步骤 1、配制样品 用电子天平配制不同质量分数的Sn-Bi混合物各100克，其中含Bi分别为0%,20%,38.1%,60%，80%,100%，分别装入不同硬质试管中，在表面加入少量石墨
实验6二组分合金相图 姓名曹峻华学号2010011970班级材03同组实验者李琦 实验日期2011-10-21提交报告日期2011.10.27 带实验的老师柳清 1 引言 人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质组成为自变量，温度为应变量所得到的T－x图是常见的一种相图。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固－液相图多用于冶金、化工等部门。 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熔体的系统，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，而固相部分也互溶的系统，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）是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，使得温度－时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相转变温度。由热分析法制相图，先做步冷曲线，然后根据步冷曲线作图。 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，通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。 以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（如图2-6-1所示），如果系统不发生相变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）；若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2-6-2所示。严格地讲，Bi－Sn合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，
二元合金平衡相图测定实验指导书 一、实验目的 熟悉用热分析法测定金属与合金的临界点，并根据临界点画出二元合金相图。 二、实验原理 相图是一种表示合金状态随温度、成分而变化的图形，又称状态图或平衡图。根据相图可以确定合金的浇注温度，进行热处理的可能性，形成各种组织的条件等。 到目前为止，几乎所有的相图都是通过实验测定出来的。金属及合金的状态发生变化将引起其性质发生变化，例如液体金属结晶或固态相变时将会产生热效应，合金相变时其电阻、体积、磁性等物理性质亦会发生变化。金属及合金发生相变时（包括液体结晶和固态相变）引起其某种性质变化所对应的温度称为临界温度，又称临界点。因此可以通过测定金属及合金的性质来求出其临界点。把这些临界点标注在以温度为纵坐标、成分为横坐标的图上，然后把各个相同意义的临界点连接成线，就构成了完整的相图。可见，相图的建立过程就是金属与合金临界点的测定过程。 测定金属与合金临界点的方法很多，如热分析法、热膨胀法、电阻测定法、显微分析法、磁性测定法、 X 射线分析法等，但其中最常用、最基本的方法是热分析法。 热分析法是通过测量、记录金属或合金在缓慢加热或冷却过程中温度随时间的变化来确定其临界点。测定时将金属自高温缓慢地冷却，在冷却过程中每隔相等时间测量、记录一次温度，由此得到温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线。 金属或合金在缓冷过程中，当没有发生相变时，温度随时间增加而均匀地降低；一旦发生了某种转变，则由于有热效应产生，冷却曲线上就会出现转折，该转折点所对应的温度就是所求的临界点。因此，测出冷却曲线就可很容易地确定相变临界点。图 3-1 就是根据测定的一组冷却曲线建立相图的实例。 图1 Pb-Sb 二元相图的测定 热分析法简便易行，对于测定由液态转变为固态时的临界点，效果较为明显。但对固态溶解度变化因相变潜热小，难用热分析法测定，需用其它方法。
交通大学实验报告 课程：物理化学实验 系别： 专业班号：组别：实验日期：年月日 ：学号：交报告日期：年月日 同组者： 实验名称：二元合金相图的绘制 一、实验目的 1.学习热分析法绘制相图的基本原理。 2.加深对相变化过程的认识和理解。 二、实验原理 热分析法是一种常用的绘制相图方法。由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出，因此将系统均匀加热或冷却时，若不发生相变，则温度T 随时间t变化的T-t曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时，其T-t曲线就会出现转折点或平台，其温度随时间的变化率会发生突跃。把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。图2.9.1(b)就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶（即彼此不生成固溶体），这两种物质也不生成化合物。Pb-Sn二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。 对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段。二组分液态混合物系的凝固过程并不是在一个温度点上完成的。在凝固过程中，随着某个纯固体组分的析出，溶液的组成会不断发生变化，
所以它的凝固点（即二相平衡温度）也会发生不断变化。与此同时，由于凝固过程是放热的，即系统在对外放热的同时也会得到部分热量的补充，所以其温度降低速度会明显放慢，其步冷曲线上会出现一个拐点。步冷曲线上的拐点与相图中的点有一一对应的关系。 在实验过程中需要注意以下几点： (1)因为待绘制的相图是平衡状态图，故实验过程中被测系统需时时处于或接近于平衡状态。所以在系统冷却时，冷却速度应足够缓慢。冷却过程中应尽量保持环境状况前后一致，不要搅拌，也不要晃动温度探头或样品管。 (2)实验过程中，待测样品的实际组成应与标签一致。如果实验过程中样品未混合均匀或部分样品发生了氧化，则实验结果就误差越大。 (3)测得的温度值必须能真正反映系统的温度。为此，测温探头的热容应足够小，而且热电偶的热端必须深入到被测系统的足够深处。 另外，在实验过程中常常会出现过冷现象，即当温度降低到凝固点以下才能发生凝固（即）结晶，这主要与表面现象有关。由于液体凝固时会放出大量的热，故凝固过程真正 发生后的系统的温度会从过冷回 升到正常凝固点。由于过冷现象 的发生，往往会使纯物质的步冷 曲线如图2.9.2中的曲线a所示， 是A、B二组分混合物系的步冷曲 线如图2.9.2中的曲线b所示。在 这种情况下，对于纯物质，水平 线段对应的温度就是该纯物质的 凝固点；对于A、B二组分混合物 系，将过冷后的步冷曲线段反向延长使其与过冷前的步冷曲线段相交，该交点对应的温度就是A、B二组分混合物系的凝固点。 三、仪器和药品 铅粒、锡粒、活性炭（粉状）、电子天平、KWL-Ⅲ金属相图实验装置。 四、实验步骤 (1)在不同大试管中分别称取总质量均为60g，Pb的质量百分比浓度分别为0%、15%、30%、50%、70%和100%的样品。往各样品上方加一骨勺活性炭，使其与空气隔绝避免氧化。并给各试管贴上标签以免混乱。 (2)把盛放样品的大试管放入电加热炉，并把数显温度计的探头插入大试管中。
实验六步冷曲线法绘制二元合金相图
实验六步冷曲线法绘制二元合金相图 一、目的要求 1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。 2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。 二、实验原理 1.相图 相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。 2.热分析法测绘步冷曲线 热分析法是绘制相图常用的基本方法。其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图6－1）。从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。 对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图6－1所示。
图6－1(a) 图6－1(b) 图6－1(c) 图6－1(a)体系是单组分体系。在冷却过程中，在a～a1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到a1时，达到物质的凝固点，有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。当到达a1′点液相完全消失，系统成为单一固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。 图6－1(b)体系是一般二元混合物。在冷却过程中，在b～b1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到b1时，开始析出A(s),体系发生部分相变，相变潜热部分补偿环境吸收的热量，从而减慢了体系温度下降速度，步冷曲线出现转折点（拐点），即b1－b2段。继续冷却，固体A不断析出，与之平衡的液相中B的含量不断增加，温度不断下降。达到b2点时，液相不仅对固体A而且对固相B也达到饱和，所以两固相开始同时析出，三相共存，自由度为0，温度保持不变，冷却曲线出现平台。当到达b2′点液相完全消失，系统成为两固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。 图6－1(c)体系是低共融体系。在冷却过程中，在c～c1段是液相区，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。达到c1点时，液相对固相A 和固相B同时达到饱和，所以两固相同时析出，三相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台。c1′后面和图6－1(b)体系b2′点以后的过程相同 3.绘制二元合金相图 无论平台还是转折，都反映了相平衡时的温度，把各种不同组成的体系的步冷曲线的转折点（拐点）和平台，在温度-组成图上标志出来连成曲线就得到相图。 图6-2 根据步冷曲线绘制相图 严格地讲，Bi－Sn合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，只能得出一与Bi－Cd系统相仿的相图，所以，我们通过本实验得到的是Bi－Sn二元合金的简化相图。
湖南工业大学 实验报告 实验三步冷曲线法绘制二元合金相图 学生姓名 预习实验报告内容 一、实验目的 1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Pb-Sn二元合金相图。 2.了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。 二、实验仪器和试剂 KWL-10可控升降温电炉、SWKY-Ⅱ数字测控温巡检仪，特制样品管6个，台秤，分析纯金属铅、金属锡、石墨。 三、实验原理 图4－1(a)体系是单组分体系。在冷却过程中，在a～a1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到a1时，达到物质的凝固点，有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。当到达a1′点液相完全消失，系统成为单一固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。 图4－1(b)体系是一般二元混合物。在冷却过程中，在b～b1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到b1时，开始析出A(s),体系发生部分相变，相变潜热部分补偿环境吸收的热量，从而减慢了体系温度下降速度，步冷曲线出现转折点（拐点），即b1－b2段。继续冷却，固体A不断析出，与之平衡的液相中B 的含量不断增加，温度不断下降。达到b2点时，液相不仅对固体A而且对固相B也达到饱和，所以两固相开始同时析出，三相共存，自由度为0，温度保持不变，冷却曲线出现平台。当到达b2′点液相完全消失，系统成为两固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。
图4－1(c)体系是低共融体系。在冷却过程中，在c～c1段是液相区，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。达到c1点时，液相对固相A和固相B同时达到饱和，所以两固相同时析出，三相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台。c1′后面和图4－1(b)体系b2′点以后的过程相同 整理实验数据时，我们会发现冷却曲线的拐点处为一回沟形状(见图4-4)，即温度下降到相变点以下，而后又回升上来，这种现象叫过冷现象。 四、实验步骤 1.配制实验样品 用台秤分别配制含Pb100%；Pb80%+Sn20%；Pb60%+Sn40%；Pb30%+Sn70%；Pb 10%+Sn90%；Sn100%混合物各50克，将以上6个样品分别装入样品管中，再各加入少许石墨粉（减缓金属氧化），最后将样品管插入电炉，注意使套管底部距样品管底部8～12mm距离。 3.冷却曲线测定 （1）将盛有Pb100%；Pb80%+Sn20%；Pb60%+Sn40%；Pb30%+Sn70%；Pb10%+ Sn90%；Sn100%的被测样品管和传感器（PT100）放入电炉中加热熔化，SWKY数字控温仪置于“置数”状态，设定热加温度为400°C（参考值），再将控温仪置于“工作”状态。“加热量调节”旋钮顺时针调至最大，当炉内温度到达时，保温约5~10min，待金属完全熔化后， （2）将数字控温仪置于“置数”状态，“加热量调节”旋钮逆时针调至零，停止加热。电炉置于内控状态。调节“冷风量调节”旋钮，使冷却速度保持在5°C/min为佳。 （3）设置控温仪的定时间隔，60秒循环记录各被测样品管温度一次，当温度降至200°C 以下时结束实验，得出该配比样品的步冷曲线数据。
西安交通大学实验报告 课程：物理化学实验 系别： 专业班号：组别：实验日期：年月日 姓名：学号：交报告日期：年月日 同组者： 实验名称：二元合金相图的绘制 一、实验目的 1.学习热分析法绘制相图的基本原理。 2.加深对相变化过程的认识和理解。 二、实验原理 热分析法是一种常用的绘制相图方法。由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出，因此将系统均匀加热或冷却时，若不发生相变，则温度T 随时间t变化的T-t曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时，其T-t曲线就会出现转折点或平台，其温度随时间的变化率会发生突跃。把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。图2.9.1(b)就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶（即彼此不生成固溶体），这两种物质也不生成化合物。Pb-Sn二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。 对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段。二组分液态混合物系的凝固过程并不是在一个温度点上完成的。在凝固过程中，随着某个纯固体组分的析出，溶液的组成会不断发生变化，
所以它的凝固点（即二相平衡温度）也会发生不断变化。与此同时，由于凝固过程是放热的，即系统在对外放热的同时也会得到部分热量的补充，所以其温度降低速度会明显放慢，其步冷曲线上会出现一个拐点。步冷曲线上的拐点与相图中的点有一一对应的关系。 在实验过程中需要注意以下几点： (1)因为待绘制的相图是平衡状态图，故实验过程中被测系统需时时处于或接近于平衡状态。所以在系统冷却时，冷却速度应足够缓慢。冷却过程中应尽量保持环境状况前后一致，不要搅拌，也不要晃动温度探头或样品管。 (2)实验过程中，待测样品的实际组成应与标签一致。如果实验过程中样品未混合均匀或部分样品发生了氧化，则实验结果就误差越大。 (3)测得的温度值必须能真正反映系统的温度。为此，测温探头的热容应足够小，而且热电偶的热端必须深入到被测系统的足够深处。 另外，在实验过程中常常会出现过冷现象，即当温度降低到凝固点以下才能发生凝固（即）结晶，这主要与表面现象有关。由于液体凝固时会放出大量的热，故凝固过程真正 发生后的系统的温度会从过冷回 升到正常凝固点。由于过冷现象 的发生，往往会使纯物质的步冷 曲线如图2.9.2中的曲线a所示， 是A、B二组分混合物系的步冷曲 线如图2.9.2中的曲线b所示。在 这种情况下，对于纯物质，水平 线段对应的温度就是该纯物质的 凝固点；对于A、B二组分混合物 系，将过冷后的步冷曲线段反向延长使其与过冷前的步冷曲线段相交，该交点对应的温度就是A、B二组分混合物系的凝固点。 三、仪器和药品 铅粒、锡粒、活性炭（粉状）、电子天平、KWL-Ⅲ金属相图实验装置。 四、实验步骤 (1)在不同大试管中分别称取总质量均为60g，Pb的质量百分比浓度分别为0%、15%、30%、50%、70%和100%的样品。往各样品上方加一骨勺活性炭，使其与空气隔绝避免氧化。并给各试管贴上标签以免混乱。 (2)把盛放样品的大试管放入电加热炉，并把数显温度计的探头插入大试管中。