金属相图(Pb-Sn体系)

实验五 金属相图1. 摘要最早研究Pb-Sn 熔点与组成关系是在19世纪20年代，在这类体系中所发现的 最低共熔组成被误认为是PbSn 3的化合物。

直至在Gibbs 推导出相律（1973~1976年间），继1886年Lechatelier Heney L 发现能够正确测量高温的铂-铂铑热电偶以后，奠定了热分析方法的基础。

现在，一般采用自动平衡记录仪或者电位差计测量温差电势，通过测定不同金属组成的合金熔融液的步冷曲线（简单热分析方法）绘制简单低共熔体系相图。

相律：关键词：低共熔点 三相线 相区 固熔体 2． 仪器与试剂暗丝管加热电炉 1只 调压变压器 1只 硬质玻璃样品管 6只 镍铬-镍硅热电偶（铠装） 2支 单笔自动平衡记录仪（或UJ-25型电位差计） 1台 冰水浴 铅（C.P ） 锡（C.P ） 铋（C.P ）（1）配制钝铅、纯锡以及含锡分别为20%、40%、61.9%、80%的样品管（各 管总量100克）（23．预习提问（1）什么叫步冷曲线，纯物和混合物的步冷曲线有何不同？（2）测定步冷曲线时应自何时开始记录数据或走纸为适宜？如何防止发生过冷现象？如有过冷发生，则相应相变点温度如何推求？（3）如何由步冷曲线绘制相图？出现固熔体的步冷曲线有何特征？（4）试述热电偶温度计的简单工作原理。

如何进行校正？（5）试述自动平衡记录仪的简单原理、使用及接线？4．操作5．数据和图象（1）文献数据最低共熔点：组成：61.9% 温度：456.9K（据H.穆拉契编著,原重工业部专家工作室译《有色冶金手册》P111）要求：所测最低共熔温度在455~459K，低共熔组成在61~63%（2）步冷曲线与金属相图（3）表格表2.5.1 体系步冷转折温度6．.点评(2)器材选配与操作技能由于立式冷却保温电炉不能人为地控制样品与冷却电炉的温差，使得高温段如纯 铅的平台难以测准，甚至拐点不明显，所以在实验的改进是利用自动控温回转管式电炉（RJK 系列管式电阻炉和DRZ -4型电炉温度控制器，见装置图2.5.1），可以获得在较短时间内成功绘制较佳相图的效果。

二元合金相图一、实验目的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、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，途中能反映出相平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。

二元或多元体系的想吐常以组成为自变量，其物理性质则大多去温度。

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，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变，都要用到相图。

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，并每隔一定时间度体系温度一次，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。

从相图的定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下：（1）、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，以保证上述条件近与实现。

若体系中的几个相都是固相，这条件通常非常难以实现（因固相与固相间相互转化时的相变热较小），此时测绘相图，常用其他方法（如差热分析法）。

（2）、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。

（3）、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足够深处。

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。

三、仪器和药品1.仪器SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台；样品管一只。

2.药品铅；锡。

四、实验步骤1、连接SWKY数字控温仪与KWL-08可控升降温电炉。

将KWL-08可控升降温电炉冷风量调节逆时针旋转到底，加热量调节顺时针旋转到底，接通电源，“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源开关“开”、“关”置于“开”。

西安交通大学实验报告
课程：金相技术与材料组织显示分析实验日期：年月日专业班级：组别交报告日期：年月日姓名：学号: 报告退发：（订正、重做）同组者：教师审批签字：
实验名称：Pb-Sn二元相图测定及其组织分析
实验目的：
1．掌握用热分析法测定材料的临界点的方法；
2．学习根据临界点建立二元合金相图；
3. 自制二元合金金相样品，并分析组织；
实验概述：
相图中临界点测定方法有很多种，有热分析法、热膨胀法、电阻测定法、显微分析法、磁性测定法等等。

把熔化的合金自高温缓慢冷却，在冷却过程中每隔相等的时间进行测量，记录一次温度，由此得到某一成分下合金的冷却曲线。

金属或合金无相变发生时，温度随时间均匀的降低，一旦发生了某种转变，水平台阶或者转折点的温度就是相变开始或终了的温度。

利用热分析法测定Pb-Sn合金转变点，是通过一定数量不同合金成分步冷曲线综合得到的。

简述热分析法测定二元相图的方法：
测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作步冷曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。

实验结果分析：
合金成分是亚共晶状态，在由液态缓慢冷却时，先析出初生α相，由于合金成分离共晶点很近，初生α相的量非常少，故沿晶界非连续分布，到达共晶点温度时，剩余液相按共晶成分恒温析出至完全，最后冷却到室温，组织没有发生变化。

5.3.2 二元共晶相图①共晶相图：当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。

如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。

Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图5.26, 下面以它为例进行讲解。

首先分析相图中的点,线和相区。

图5.26 铅锡相图一、相图分析1、点： tA ，tB点分别是纯组元铅与锡的熔点，为327.5o C和231.9o C。

M点：为锡在铅中的最大溶解度点。

N点：为铅在锡中的最大溶解度点。

E点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变LE →αM+βN共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。

F点：为室温时锡在铅中的溶解度。

G点：为室温时铅在锡中的溶解度。

2、tA EtB线：为液相线，其中tAE线：为冷却时L→α的开始温度线，EtB线：为冷却时L→β的开始温度线。

tA MENtB线：为固相线，其中tAM线：为冷却时L→α的终止温度线，tBN线：为冷却时L→β的终止温度线。

MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转变LE→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体或共晶组织。

MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。

NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。

3、相区（1）单相区：在tA EtB液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是铅与锡组成的合金溶液。

tAMF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。

tBNG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。

（2）两相区：在tA EMtA区为L+α相区，在tBENtB区为L+β相区。

在FMENGF区为α+β相区。

（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。

由相律可知三相平衡共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。

具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。

二组分合金相图一、实验目的1．用热分析法(步冷曲线法)测绘Pb—Sn二组分金属相图。

2．了解固液相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。

3．掌握金属相图（步冷曲线）测定仪的基本原理及方法。

二、实验原理1、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。

3、较为简单的二组分金属相图主要有三种；（1）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；（2）是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统，最典型是Bi—Cd系统；（3）是液相完全互溶，而固相是部分互溶的系统，如Pb—Sn系统，本实验研究的系统就是这一种。

在低共熔温度下，Pb在固相Sn中最大溶解度为(质量百分数)。

2、热分析法(步冷曲线法)是绘制相图的基本方法之一。

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。