实验7二组分金属相图的测定一、实验目的1.掌握热分析法绘制二组分固液相图的原理及方法。2.用热分析法测绘铋一锡相图。3.了解纯物质与混合物的步冷曲线的差别，并掌握相变点温度的确定方法。二、实验原理较为简单的二组分金属相图主要有三种类型：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系统也是固相部分互溶的系统，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。其原理根据物系在加热或冷却过程中温度随时间的变化关系来判断有无相变化的发生。通常做法是将一定组成的固相体系加热熔融成一均匀液相，然后让其缓慢冷却，记录系统的温度随时间的变化，便可绘制温度-时间曲线，即步冷曲线。当体系内没有相变时，步冷曲线是连续变化的：当体系内有相变发生时，步冷曲线上将会出现转折点或平台部分，这是因为相变时的热效应使温度随时间的变化率发生变化。因此，由步冷曲线的斜率变化便可确定体系的相变点温度。测定几个不同组分的步冷曲线，找出各相应的相变温度，最后绘制相图。过程如图2-7-1所示。Sn40%Bi58%Bi80%BiBBb7H546A.505熔化物（单相）H熔化物+Bi(s)固熔体+焙化物MB1G固熔体DDEESn(s)+Bi(s)1.08.60.8SnBi图2-7-1Bi-Sn二组分体系步冷曲线和相图示例以40%Bi样品的步冷曲线为例：在固定压力不变的条件下，相律F*=C一P+1（F*为条件自由度数，C为独立组分数，P为相数）。当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，P=1，F*=2，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bC线段)：若在冷却过程中发生了相变，有固相析出，P=2，F*=1，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折点（如图2-7-1中的C点）。当熔液继续冷却到某一
实验 7 二组分金属相图的测定 一、实验目的 1. 掌握热分析法绘制二组分固液相图的原理及方法。 2. 用热分析法测绘铋-锡相图。 3. 了解纯物质与混合物的步冷曲线的差别，并掌握相变点温度的确定方法。 二、实验原理 较为简单的二组分金属相图主要有三种类型：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 系统也是固相部分互溶的系统，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。其原理根据物系在加热或冷却过程 中温度随时间的变化关系来判断有无相变化的发生。通常做法是将一定组成的固相体系加热 熔融成一均匀液相，然后让其缓慢冷却，记录系统的温度随时间的变化，便可绘制温度-时 间曲线，即步冷曲线。当体系内没有相变时，步冷曲线是连续变化的；当体系内有相变发生 时，步冷曲线上将会出现转折点或平台部分，这是因为相变时的热效应使温度随时间的变化 率发生变化。因此，由步冷曲线的斜率变化便可确定体系的相变点温度。测定几个不同组分 的步冷曲线，找出各相应的相变温度，最后绘制相图。过程如图 2-7-1 所示。 图 2-7-1 Bi-Sn 二组分体系步冷曲线和相图示例 以 40%Bi 样品的步冷曲线为例：在固定压力不变的条件下，相律 F *=C－P+1（F *为条件 自由度数，C 为独立组分数，P 为相数）。当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变， P=1，F *=2，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 bC 线段)；若在冷 却过程中发生了相变，有固相析出，P=2，F *=1，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以 系统冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折点(如图 2-7-1 中的 C 点)。当熔液继续冷却到某一
温度时（如图2-7-1中的D点），此时熔液系统以Bi与Sn的低共熔混合物（固体）析出，P=3，F*=0，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平台线段（如图中DD线段）。当熔液完全凝固后，P=2，F*=1，温度又迅速下降(D'以后的线段）。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样品的步冷曲线，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2-7-1（右图）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。一般说来，根据冷却曲线即可定出相界，但是对复杂相图还必须有其他方法配合，才能画出准确的相图。三、实验仪器和试剂KWL-IIIA金属相图测定仪：纯锡（AR），纯铋（AR）等。4O国10图2-7-2KWL-IIA金属相图测定仪1.炉膛2.机箱3.显示屏4.电源开关5.USB接口6.SD卡插入口7.电源插座8.样品管9.加热圈10.热电偶四、实验步骤1.连接电源，打开装置电源开关，此时仪器显示屏（图2-7-2③）界面显示如下：KWL-ILA金属相图（步冷曲线）实验装置登录页面动画演示：动画演示实验步骤。开始实验：点击进入实验界面。Ta西力电子2.点击“开始实验”，此时界面切换如下：
温度时(如图 2-7-1 中的 D 点)，此时熔液系统以 Bi 与 Sn 的低共熔混合物（固体）析出,P=3， F *=0，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平台线段(如 图中 DD′线段)。当熔液完全凝固后，P=2，F *=1，温度又迅速下降(D′以后的线段)。 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样品的步冷曲线，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 2-7-1（右图）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。一般说来，根据冷却曲线即可定出相界，但是对复 杂相图还必须有其他方法配合，才能画出准确的相图。 三、实验仪器和试剂 KWL-IIIA 金属相图测定仪；纯锡（AR），纯铋（AR）等。 图 2-7-2 KWL-IIIA 金属相图测定仪 1.炉膛 2.机箱 3.显示屏 4.电源开关 5.USB 接口 6.SD 卡插入口 7.电源插座 8.样品管 9.加热圈 10.热电偶 四、实验步骤 1. 连接电源，打开装置电源开关，此时仪器显示屏（图 2-7-2③）界面显示如下： 动画演示：动画演示实验步骤。 开始实验：点击进入实验界面。 2. 点击“开始实验”，此时界面切换如下：
温度1：12.1℃温度5:12.2℃温度显示1～8：显示八个样品的实时温度。温度2:12.1℃温度6:12.1℃目标温度：炉体升高的设定温度。温度3:12.2℃温度7:12.1℃定时：倒计时秒表（≥10S启动）。可不设温度4：12.1℃温度8：12.3℃工作参数：点击进入设置各参数的界面。目标温度：℃定时：S加热器：加热器开关。OCS主作色数画图：温度数字显示与温度图形显示切换键。定时：定时开关。风扇：风扇开关。3.将装好的样品管按顺序号插入炉体测试区加热炉中8个传感器中，1～8号为测温热电偶，9号为目标温度/控温温度热电偶（如样品管已插好则不必动），盖好炉盖。4.参数设置：点击“工作参数”显示栏，弹出对话框，如下图：KWL-IIIA金属相图（步冷曲线）实验装置共四项参数，本实验只需设置目标温度：A股尚点击左边“目标温度”栏光标，在右框中键入目标温度，如320℃，并点YY击“确认”键。4取准确认3设置完参数后，点击键，回主界面，如下图：温度5：12.2℃温度1：12.1℃温度2：12.1℃温度6：12.1℃温度3：12.2℃温度7：12.1℃温度4：12.1℃温度8：12.3℃1目标温度：320斤℃定时：SSs口L16工作参取5.点击键，仪器进入对电炉加热控温状态。（注意：仪器加热过程是分段加热，如在加热过程中观察到有样品温度短时不动（温度不在样品沸点附近）或温度未达预设值便下降的情况，无需进行处理。）6.打开电脑，双击金属相图软件，则出现以下界面
温度显示 1～8：显示八个样品的实时温度。 目标温度：炉体升高的设定温度。 定时：倒计时秒表（≥10S 启动）。可不设 工作参数：点击进入设置各参数的界面。 加热器：加热器开关。 画图：温度数字显示与温度图形显示切换 键。 定时：定时开关。 风扇：风扇开关。 3. 将装好的样品管按顺序号插入炉体测试区加热炉中 8 个传感器中，1～8 号为测温热 电偶，9 号为目标温度/控温温度热电偶（如样品管已插好则不必动），盖好炉盖。 4. 参数设置：点击“工作参数”显示栏，弹出对话框，如下图： 共四项参数，本实验只需设置目标温度： 点击左边“目标温度”栏光标，在 右框中键入目标温度，如 320℃，并点 击“确认”键。 设置完参数后，点击 键，回主界面，如下图： 5. 点击 键，仪器进入对电炉加热控温状态。（注意：仪器加热过程是分段加热，如 在加热过程中观察到有样品温度短时不动（温度不在样品沸点附近）或温度未达预设值 便下降的情况，无需进行处理。） 6. 打开电脑，双击金属相图软件，则出现以下界面
选择“学生端”→“8探头”进金属相图数据处理系统入软件窗口RAWA学生活教师端7.选择串行口：点击“设置”>“寻找通讯口”>“通讯口选择"中选择显示的COM口。文件（设置（S)数据通讯（(C)图形处理（P)帮助（H)百日0寻找通讯口Ctrl+N通讯口选择数据采集窗口18.在“数据采集”界面分别点开“窗口1”、“窗口2”.，在每个窗口右下方“实验参数”处输入对应样品管内铋与锡的含量百分比：±0mFUO!表 2-7-1 样品含量对照表样品23514678Bi70%40%0%100%85%58%20%15%Sn0%15%30%42%60%80%85%100%9.当样品温度达到目标温度时，应继续恒温3~5分钟，以保证样品完全熔化，或者当
选择“学生端”→“8 探头”进 入软件窗口 7. 选择串行口：点击“设置”——>“寻找通讯口”——> “通讯口选择”中选择显示的 COM 口。 8. 在“数据采集”界面分别点开“窗口 1”、“窗口 2”.，在每个窗口右下方“实验参 数”处输入对应样品管内铋与锡的含量百分比： 表 2-7-1 样品含量对照表 样品 1 2 3 4 5 6 7 8 Bi 100% 85% 70% 58% 40% 20% 15% 0% Sn 0% 15% 30% 42% 60% 80% 85% 100% 9. 当样品温度达到目标温度时，应继续恒温 3～5 分钟，以保证样品完全熔化，或者当
8组样品温度全部达到设置温度附近时（300°℃），说明样品已完全熔化，再次点击键，仪器停止控温加热。将炉盖移动留出缝隙，使炉体降温。10.选择“多波形”，则8个样品冷却图可同时显示：Esaowe点击屏幕右下方“全部开始”则能观察到图上的冷却曲线走势。11.当所有样品测试完毕后（即最低共熔点同现后），可在多波形显示下点击“全部停止”按钮，此时可将8个样品数据保存在同一个excel文件内（注意：请在“金属相图实验数据”文件夹下按年月日新建文件夹，并将数据保存于内），也可点开每个“窗口”时都点击一下数据记录停止按钮“口”（“开始”按钮右侧）单独保存每个样品数据，12.将实验数据拷贝到公用U盘内，关闭电脑，清理卫生，待炉体降至室温左右时，关闭设备电源。注意：电脑上不允许插私人U盘，因为病毒可能会导致相图软件或电脑系统崩溃！！！五、实验数据记录和处理1.利用Excel或Origin软件，将实验数据（各样品的温度与对应时间），作出步冷曲线图。2.在步冷曲线图上，标出各样品步冷曲线的转折点及平台段所对应的温度。3.根据所测样品的组成及各样品步冷曲线上对应转折点或平台的温度，作出二组分Bi-Sn体系金属相图，并确定其低共熔点的温度与组成。六、思考题1.实验中，不同组成样品的步冷曲线，其水平段有什么不同？2.为什么能用步冷曲线来确定相界？3.样品的冷却速率与哪些因素有关？
8 组样品温度全部达到设置温度附近时（300C），说明样品已完全熔化，再次点击 键， 仪器停止控温加热。将炉盖移动留出缝隙，使炉体降温。 10. 选择“多波形”，则 8 个样品冷却图可同时显示： 点击屏幕右下方“全部开始” 则能观察到图上的冷却曲线 走势。 11. 当所有样品测试完毕后（即最低共熔点同现后），可在多波形显示下点击“全部停 止”按钮，此时可将 8 个样品数据保存在同一个 excel 文件内（注意：请在“金属相图实验 数据”文件夹下按年月日新建文件夹，并将数据保存于内），也可点开每个“窗口”时都点 击一下数据记录停止按钮“”（“开始”按钮▷右侧）单独保存每个样品数据。 12. 将实验数据拷贝到公用 U 盘内，关闭电脑，清理卫生，待炉体降至室温左右时，关 闭设备电源。 注意：电脑上不允许插私人 U 盘，因为病毒可能会导致相图软件 或电脑系统崩溃！！！ 五、实验数据记录和处理 1. 利用 Excel 或 Origin 软件，将实验数据（各样品的温度与对应时间），作出步冷曲线 图。 2. 在步冷曲线图上，标出各样品步冷曲线的转折点及平台段所对应的温度。 3. 根据所测样品的组成及各样品步冷曲线上对应转折点或平台的温度，作出二组分 BiSn 体系金属相图，并确定其低共熔点的温度与组成。 六、思考题 1. 实验中，不同组成样品的步冷曲线，其水平段有什么不同? 2. 为什么能用步冷曲线来确定相界？ 3. 样品的冷却速率与哪些因素有关？