二元金属相图的绘制---热分析法
一、实验目的
1. 学会用热分析法测绘Bi-Sn二元金属相图；
2. 掌握热分析法的测量技术。
二、实验原理
相图是用来研究体系的状态随温度、浓度、压力等因素的改变而发生变化的图形，它广泛地应用于冶金、化工等部门，可以表示出在指定条件下体系存在的相态。绘制相图的方法有很多种，热分析法是一种常用的分析蒸气压较小的二组分凝聚体系温度-组成图的方法。
热分析法是绘制相图常用的基本方法之一。在定压下把体系从高温逐渐冷却，作温度随时间的变化曲线，即步冷曲线。体系若有相变发生，一般伴随有热效应，则在其步冷曲线上会出现拐点，所以从步冷曲线有无拐点就可以知道体系有无相变发生。测定一系列组成不同样品的步冷曲线，从步冷曲线上找出各相应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测体系的相图。以横轴表示混合物的组成，在对应的纵轴标出开始出现相变的温度(即步冷曲线上的转折点)，把这些点连接起来即得相图（见图1）。
（a）步冷曲线（b）A-B体系的相图
图1 步冷曲线与相图
液相完全互溶的二组分体系，在凝固时有的能完全互溶成为固溶体，有的仅部分互溶，如本实验的Bi-Sn体系。
本实验采用自制的MPD-01型四通道相图测定仪来测绘体系的步冷曲线，根据步冷曲线斜率的变化判断体系发生相变的温度，即可绘制出被测体系的相图。
三、仪器和试剂
MPD-01型四通道相图测定仪
铋粒（分析纯国药集团化学试剂有限公司）
锡粒（分析纯国药集团化学试剂有限公司）
图2 MPD-01型四通道相图测定仪
四、实验步骤
1．配制样品
在八个样品管中分别配制含Bi 0%、15%、20%、40%、58%、70%、85%、100%的Bi-Sn混合物各150g 作为待测样品。将以上样品分成两组，每组四个样品，经过两轮实验测完。
2．步冷曲线的测定
（1）打开电脑电源开关。
（2）在金属相图测定仪的样品孔中插入相应的被测样品及相对应的热电偶（注意热电偶通道不能插错），并记录加热炉通道号和样品名称，然后打开电源开关（在仪器背板右下方），右侧散热风扇启动。
（3）双击金属相图测量软件图标（XiangT）启动测量系统，进入启动界面
后点击“启动实验”进入操作界面。（应在打开金属相图测定仪电源开关后，尽快打开软件，以使仪器尽快进入控制状态。）
（4）在操作界面的左下方参数设定功能区，设定加热炉的温度上限为280℃、温度下限为120℃、恒温时间为600秒、温差（指样品和炉壁之间的温度差）为50℃。
（5）打开加热开关，系统开始加热。当样品温度达到设定的温度上限后，进入恒温倒计时状态，倒计时结束后进入降温状态，加热炉的风扇档位随着样品温度的下降而提高，风量逐渐加大。当样品的温度达到设定的温度下限后实验结束并保存曲线。
（6）在金属相图测定仪的样品孔中插入待测样品，重复第（5）、（6）步骤再次进行测量。
五、数据记录和处理
从步冷曲线中，可以找出组成不同样品的相变温度T，以此相变温度为纵坐标，相应各体系的组成为横坐标，即可得到Bi-Sn二组分体系的相图。
六、注意事项
1．在相图测定仪的样品孔中插入相应的待测样品及相对应的热电偶时，注意热电偶通道不能插错；
2．实验时先打开仪器电源开关，然后双击金属相图测量软件图标（XiangT）启动测量系统；
3．热电偶的端点应插在样品的中央部位，否则因受环境的影响，步冷曲线的“平台”将不明显。
七、思考题
1．何谓热分析法？用热分析法测绘相图时，应注意些什么？
2．用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因。
3．对于含有粗略相等的两组分混合物，步冷曲线上的每一个拐点将很难确定而其低共熔温度却可以准确测定。相反，,对于一个组分含量很少的样品，第一点将可以确定，而第二个拐点则难以确定测定，为什么？
第五章铁碳合金相图及应用 [重点掌握] 1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌； 2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程； 3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。 第一节铁碳合金基本相 一、铁素体 1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。 2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。 F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体 γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形 三、渗碳体
Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 第二节 Fe-Fe3C相图分析 一、相图中的点、线、面 1．三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 （3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：
铁碳相图以及铁碳合金 Post By：2009-12-6 16:33:51 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe -石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下： 由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1 394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2） 碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体
铁碳相图以及铁碳合金 发布日期：[08-03-10 14:26:26] 浏览人次：[5779 ] https://www.doczj.com/doc/813201704.html, 马棚网 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe 和C 能够形成Fe 3C, Fe 2C 和FeC 等多种稳定化合物。所以，Fe-C 相图可以划分成Fe-Fe 3C, Fe 3C-Fe 2C, Fe 2C-FeC 和FeC-C 四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe 3C 部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过 化合物Fe 3C 称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe 和C ，C 原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe 3C 和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe 3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe 3C 相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe 3C 。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe 是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2） 碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
第六章相平衡 6.1指出下列平衡系统中的组分数C，相数P及自由度F。 （1）I 2 (s)与其蒸气成平衡； （2）CaCO 3(s)与其分解产物CaO(s)和CO 2 (g)成平衡； （3）NH 4HS(s)放入一抽空的容器中，并与其分解产物NH 3 (g)和H 2 S(g)成平衡； （4）取任意量的NH 3(g)和H 2 S(g)与NH 4 HS(s)成平衡。 （5）I 2作为溶质在两不互溶液体H 2 O和CCl 4 中达到分配平衡（凝聚系统）。 解：（1）C = 1, P = 2, F = C–P + 2 = 1 – 2 + 2 = 1. （2）C = 3 – 1 = 2, P = 3, F = C–P + 2 = 2 – 3 + 2 = 1. （3）C = 3 – 1 – 1 = 1, P = 2, F = C–P + 2 = 1 – 2 + 2 = 1. （4）C = 3 – 1 = 2, P = 2, F = C–P + 2 = 2 – 2 + 2 = 2. （5）C = 3, P = 2, F = C–P + 1 = 3 – 2 + 1 = 2. 6.2已知液体甲苯（A）和液体苯（B）在90 ?C时的饱和蒸气压分别为= 和。两者可形成理想液态混合物。今有系统组成为 的甲苯-苯混合物5 mol，在90 ?C下成气-液两相平衡，若气相组成为 求： （1）平衡时液相组成及系统的压力p。 （2）平衡时气、液两相的物质的量
解：（1）对于理想液态混合物，每个组分服从Raoult定律， 因此 （2）系统代表点，根据杠杆原理 6.3单组分系统的相图示意如右图。 试用相律分析途中各点、线、面的相 平衡关系及自由度。 解：单相区已标于图上。 二相线（F = 1）：