铅锡共晶相图分析

焊锡材料的种类焊锡以铅-锡(Pb-Sn)二元合金为主要的种类，铅-锡合金的共晶点在183 ℃，61.9wt%锡之处(见图9-25所示的铅-锡合金相图)，因此37%铅-63% 锡合金被称为共晶焊锡，在电子构装的应用中亦以接近共晶成份的焊锡(40%铅-60%锡)为主。

焊锡可借调整其中铅锡的比例改变其熔点以符合制程之需求，许多不同化学成份的焊锡合金也因此被发展出来(见表9-12所示之常用焊锡特性)，一般而言，高铅含量的焊锡适用于温度较高的焊接制程；高锡含量的焊锡则专供有防蚀特殊需求的焊接使用。

在焊接过程中，熔融的锡很容易与其它金属反应形成介金属化合物，常见的锡介金属化合物种类如表9-13所示。

介金属化合物脆性高，也会影响焊锡的表面张力与润湿性，一般而言过量介金属化合物的存在有害焊点的性质。

研究显示介金属化合物的成长是一个扩散控制的过程[2]，故焊接过程中应尽可能将低接合温度，缩短焊接时间，以使介金属化合物的形成量降至最低。

焊锡中可添加少量元素以改善其性质。

例如，添加低于2%的银可以提高机械强度而不致严重损坏焊锡性质，并可使焊锡在镀银表面进行接合时不致因银的熔解而降低其润湿性；添加锑亦可提高焊锡机械强度并降低其成本，但其添加量以3.5%为上限；添加铜的目的在减少铜的溶解速度，延长铜焊接工具的使用寿命，但过量的铜会造成砾状焊点(Gritty Joint) ；添加铟的焊锡可以提升其在陶瓷表面的润湿性，铟同时可以抑制金在焊锡中的溶解；铟、铋、镉可与铅、锡组成熔点低于铅锡共晶温度的合金，适合低温之焊接制程与高热敏性的元件焊接之应用。

为了避免铅在制程中的污染，无铅焊锡因而成为焊锡研究的重点之一，举例而言，95% 锡-5%锑与96.5%锡-3.5%银为高强度焊锡，具有抗疲劳与潜变破坏的特性；80%金-20%锡与65%锡-25%银-10%锑为焊点强度有特殊需求的焊锡。

9-10-2. 焊膏焊锡可以利用气相微粒化(Gas Atomization)或旋转(Spin Disk)微粒化技术制成5至150mm直径的合金粉粒，再混合助焊剂与黏结剂等制成焊膏以供构装元件接合之用。

MT4 Phase Diagram of Pb-Sn AlloysName：SHI T ai S tudent Number:528882271.Purposes：1. Define component, phase, diagram phase, and cooling curve.2. Describe the phase change taking place at different point on a cooling curve.3. Construct a diagram from cooling curves.2.Instruments and specimens：CruciblesThermoelectric coupleHeating-furnaceMulti-channel graph recorderStirrer barSpecimens：3.Introduction:A phase diagram is a plot of the equilibrium state of a system. A eutectic system can occur when terminal solid solutions exist on both end of the binary equilibrium phase diagram. In the Pb-Sn alloys system, there are two solid solutions-α and β. T he α phase indicates a solid solution of tin in lead, whereas β presents in the opposite way. The eutectic invariant point appears at 61.9 wt% Sn. The maximum solid-state solubility both occur at 183℃ which is referred to as the eutectictemperature. At this temperature, there exists a point on the phase diagram (a single combination of composition and temperature) where three phases (the two solids and a solid) can exist simultaneously in equilibrium. This combination of temperature and composition is an invariant point on the binary diagram like the freezing point of water on the single component system the eutectic reaction where upon cooling L→α+β represents the isothermal transformation of liquid into two different solids. Depending upon the overall bulk composition of the system, a variety of different equilibrium microstructures are possible. However, as mentioned above, equilibrium requires sufficient time for the system to find the minimum in free energy. In real systems, this is not always possible and non-equilibrium microstructures are common. When this same type of reaction occurs in the solid state where one solid decomposes into two new solid phases isothermally, this is called a eutectoid reaction. γ→α+β.These relationships are determined by these principles of the thermodynamics and have practical applications in many fields of science and engineering.4.Procedure:1.Setting up the apparatus.2.Switch on the bottoms to heat coil until the temperature up to around 400℃.3.Switch on Multi-channel graph recorder and set the chart speed.4.Control the cooling rate under 5℃ per minute.5.Turn off the bottoms when the temperatures of the specimens fall down to 100℃.100020003000400050100 1502002503003504004500 1 2 3 45Amplified Cooling Curves of Pb-Sn AlloysTime(s)5. Results and DiscussionsFigure 1Figure 2Temperature(℃)T able1. The composition of Pb-Sn AlloysT able2. Arrest points of Pb-Sn AlloysFigure 3 The experimental and standard Pb-Sn phase graphAs can be seen from the experimental and standard diagram of Pb-Sn alloys, there are some diversities between them. This experiment studys the binary Pb-Sn system dominated of eutectic alloy system. It is clearly finds the two different elements are absolutely soluble in each other under the liquid condition, while only partially soluble in the solid phase. Alloys in which solid-to-solid convention occurred are easily analyzed for phase graph through the cooling curve method of thermal analysis. This is because the solid condition transformation is often sluggish and the thermal exchange is too small that we can hardly discover by cooling curves.6.The answer to the questions1.What is the expected difference in cooling curves for Pb-10 percent Sn and Pb-40 percent Snalloys? Explian.The cooling curve of 10 percent Sn in Pb has a constant melting piont at 303℃, while the curve for Pb-40 percent Sn ranging from 186℃ to 243℃. This is mainly due to the composition of the alloy.2.Discuss the arrest point in Pb-62 percent Sn alloy.The point is the Eutectic point and the transformation through this point is called Eutectic reaction: L→α+β. It is clearly see the arrest temperature of Pb-Sn alloys is about 186℃, which is a bit different from the data shown in the standard Pb-Sn phase graph (183℃). The reasons may be the follow three. First, a member of our group touched the heat-sensitive line during the experiment, which leads to inaccuracy of measurement. Second, the specimens of Pb-Sn alloys have been used for many times so that they may be partly oxidation by the air, that is to say, the samples isimpurity. Third, there are only 6 channels of samples through the whole experiment. It is a little less to describe a complete phase diagram. To accurately identify the phase boundaries requires many samples.3.What types of binary system are represented by the Pb-Sn diagrams?The Pb-Sn system is characteristic of a valley in the middle. Such system is known as the Eutectic system.4.Would you expect a different in the arrest points obtained by heating curves and coolingcurves?Actually, the difference is that the liquid may cool to a temperature below its freezing point before crystallization occurs, this is called supercooling. Once solidification begins, the temperature will rise to the freezing piont and remain there until solidification is complete. Most alloys will solidify from the molten state over a range of temperature. The cooling curves will thus have liquid-solid transition pionts at two different temperatures representing the beginning and end of solidif ication.7.ReferencePhase Diagram Tutorial: /~pasr1/Non-ferrous metal online: 。

金属及合金凝固组织的观察和分析张文北京科技大学材料学院铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。

如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。

但在一般情况下，只有那些仍然靠近模壁的晶粒长成而形成细晶区。

柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。

细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长。

等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。

如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。

匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

共晶凝固过程是从液相同时结晶处两个固相。

一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成共晶。

包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程。

1 实验材料及方法1.1实验材料光学显微镜表格 1 铝锭成分表Table 1 Aluminum composition铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm模子温度/℃浇铸温度/℃1砂10室温6802钢105006803钢10室温7804钢10室温680Table 2 Alloy composition样品成分样品成分1-a25%Ni+75%Cu铸造3-a80%Sn + 20%Sb1-b25%Ni+75%Cu 退火3-b35%Sn + 65%Sb2-a70%Pb + 30%Sn4-a51%Bi + 32%Pb +17%Sn 2-b38.1%Pb + 61.9%Sn4-b58%Bi + 16%Pb +26%Sn 2-c20%Pb + 80%Sn4-c65%Bi + 10%Pb +25%Sn1.2实验方法1.用肉眼观察5种浇铸方法所获得的铝锭的横截面和纵截面；2.调节金相显微镜的放大倍数为100倍；3.在显微镜下分别观察1-a至4-c样品，并用手机拍照记录。

pb sn合金的相组成物和组织组成物PB-Sn合金是一种常用的金属合金，由铅（Pb）和锡（Sn）两种金属元素组成。

它具有许多重要的应用，特别是在电子工业和焊接领域。

本文将重点介绍PB-Sn合金的相组成物和组织组成物。

PB-Sn合金的相组成物是指合金中不同相的存在情况。

相是指具有一定的化学成分和结构特征的固态物质。

在PB-Sn合金中，主要存在两种相，即α相和β相。

α相是一种固溶体相，其主要成分是锡。

β相是一种亚稳定相，其主要成分是铅。

在PB-Sn合金中，α相和β相的含量与合金的成分比例和处理工艺有关。

一般来说，合金中锡的含量越高，α相的含量就越高。

PB-Sn合金的组织组成物是指合金的微观组织结构。

在PB-Sn合金中，主要存在两种组织结构，即共晶组织和共晶固溶体组织。

共晶组织是指合金中α相和β相以共晶方式存在的结构。

共晶固溶体组织是指合金中α相和β相以固溶体的形式存在的结构。

共晶组织和共晶固溶体组织的形成与合金的冷却速率和成分比例有关。

在合金冷却速度较快的情况下，共晶组织容易形成；在合金冷却速度较慢的情况下，共晶固溶体组织容易形成。

PB-Sn合金的相组成物和组织组成物对合金的性能有重要影响。

首先，相的存在情况影响合金的硬度和强度。

α相是一种较硬的相，可以提高合金的硬度和强度；β相是一种较软的相，可以降低合金的硬度和强度。

其次，组织的存在形式影响合金的韧性和塑性。

共晶组织具有较高的韧性和塑性，可以提高合金的抗拉强度和延伸性；共晶固溶体组织具有较低的韧性和塑性，容易导致合金的脆性断裂。

此外，相的存在情况和组织的存在形式还会影响合金的热传导性能、电导率和热膨胀系数等。

为了获得所需的相组成物和组织组成物，可以通过调整合金的成分比例和处理工艺来实现。

例如，可以通过改变铅和锡的比例来控制α相和β相的含量；可以通过改变合金的冷却速度来控制共晶组织和共晶固溶体组织的形成。

此外，还可以通过添加其他元素或进行热处理等方式来改善合金的性能。

实验 二组分固液金属相图的测绘I. 目的与要求一、 用热分析法测绘铅-锡二元金属相图，了解固-液相图的特点 二、 学会热电偶的制作、标定和测温技术 三、 掌握自动平衡记录仪的使用方法I I. 基本原理 一、二组分固-液相图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。

以体系所含物质的组成为自变量，温度为应变量所得到的T-x 图是常见的一种相图。

二组分相图已经得到广泛的研究和应用。

固-液相图多应用于冶金、化工等部门。

二组分体系的自由度与相的数目有以下关系：自由度 = 组分数 – 相数 + 2 （1）由于一般的相变均在常压下进行，所以压力P 一定，因此以上的关系式变为：自由度 = 组分数 – 相数 + 1 （2）又因为一般物质其固、液两相的摩尔体积相差不大，所以固-液相图受外界压力的影响颇小。

这是它与气-液平衡体系的最大差别。

图1以邻-、对-硝基氯苯为例表示有最低共熔点相图的构成情况：高温区为均匀的液相，下面是三个两相共存区，至于两个互不相溶的固相A 、B 和液相L 三相平衡共存现象则是固-液相图所特有的。

从式（2）可知，压力既已确定，在这三相共存的水平线上，自由度等于零。

处于这个平衡状态下的温度TE 、物质组成A 、B 和E x 都不可变。

TE 和E x 构成的这一点成为最低共熔点。

其它类型的固一液相图将在下面讨论。

二、热分析法和步冷曲线热分析法是相图绘制工作中常用的一种实验方法。

按一定比例配成均匀的液相体系，让它缓慢冷却。

以体系温度对时间作图，则为步冷曲线。

曲线的转折点表征了某一温度下发生相变的信息。

由体系的组成和相变点的温度作为T-x 图上的一个点，众多实验点的合理连接就成了相图上的一些相线，并构成若干相区。

这就是用热分析法绘制固-液相图的概要。

图1（b ）为与图1（a ）标示的三个组成相应的步冷曲线。

曲线（I ）表示将纯B 液体冷却至T B 时，体系温度将保持恒定，直到样品完全凝固。

实验八金属相图一、实验目的1、学会用热分析法测绘铅－锡二组分金属相图;2、掌握热分析法的测量技术；3、熟悉ZR-HX金属相图控温仪、ZR-08金属相图升温电炉等仪器。

二、基本原理相图是用以研究体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化的图形，它可以表示在指定条件下存在的相数和各相的组成，对蒸汽压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。

热分析法是绘制相图常用的基本方法之一。

这种方法是通过观察体系在冷却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融化，然后让其在一定环境中自行冷却，并每隔一定时间记录一次温度，以温度（T）为纵坐标，时间（t）为横坐标，画出步冷曲线。

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8-1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，所以体系温度的降温速度随时间的变化将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线就出现转折（如图8-1中bc 线段）。

当熔液继续冷却到某一点时，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，因此步冷曲线出现平台（如图中cd线段）。

当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（见图中de线段）。

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系来说，可以根据它的步冷曲线，判断有固体析出时的温度和最低共熔点的温度。

如果作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出各转折点，即能画出二组分体系最简单的相图（温度-组成图）。

不同组成熔液的步冷曲线与对应相图的关系可以从8-2中看出。

图8-2 图8-1 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，体系的冷却速度必须足够慢，才能得到较好的结果。

三、仪器和试剂ZR-HX金属相图控温仪ZR-08金属相图升降温电炉铅（C.P.）锡（C.P.）四、操作步骤1、配制样品：测试样品分别为纯锡、含锡量为20％、40％、61.9％、80％的铅－锡混合样和纯铅六个试样，用分析天平按质量百分比严格称取，并确保六个试样的总质量均等于180g，将样品置于升温电炉中。

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% ）。