步冷曲线法绘制二元合金相图

实验目的 实验原理 仪器和试剂 实验步骤 数据处理 思考题

步冷曲线法绘制二元合金相图

实验目的1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，绘制

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

量温度的原理和方法。

实验原理1. 相图　　相图是多相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，而常以组成为横坐标，以温度为纵坐标作图。

2.热分析法测量步冷曲线　　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 X-Y 多通道数据采集仪记录体系的温度随时间的变化关系，绘制成温度 - 时间曲线，称为步冷曲线。　　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，若系统内无相变，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，使系统温度变化速度发生改变，在T-t 图上有转折或水平线段。

图 A 是单组分体系 , 图 B 是二元混合物 , 图 C 是低共融体系的步冷曲线。

A B C

　 3.绘制二元合金相图　　无论是步冷曲线上的平台还是转折，都反映了相变化时的温度，把各种不同组成的体系的步冷曲线的转折点和平台，在温度—组成图上标志出来连成曲线就得到相图。

热电偶工作原理 :

热电偶可将温度转换成电压信号 ( 温差电势 ),在一定温度范围内，镍铬－镍硅热电偶输出的温差电势与其热端和冷端的温度差成近似线性关系，为此只要绘制出热电偶的工作曲线（电势差－温差曲线），即可通过它的线性关系方便地查到各电势差所对应的温度差。热电偶工作时，如将冷端插入冰水混合物中（ 0℃ ），热端插入待测样品中，热电偶正负极接入 X-Y 多通道数据采集仪，连续采集样品的电势差值，显示在电脑上，从而得到所需的冷却曲线。在仪器的系统误差很小的前提下，可根据仪器读取的电势差值直接去查“镍铬－镍硅热电偶值分度表”，得出样品的温度来。

图 1.2 数字温控仪前面板示意图1. 电源开关 .2. 定时设置增、减按钮—从 0-99 之间设置 .3. 工作 /置数转换按钮—切换加热、设定温度的状态 .4-7. 设定温度调节按钮 : 分别设定百位、十位、个位及小数点位的温度 , 从 0-9依次递增设置 .10温度显示 II: 显示被测温度数值 .11. 温度显示 I: 显示被测物质的实际温度 /设定温度 .12. 定时显示 .

图 1.3 可控升降温电炉前面板示意图

5. 实验试管摆放区 6. 传感器插孔 : 控温传感器插孔

7. 控温区电炉 : 加热熔解被测物质

8. 测试区电炉 : 测量、调节被测物质的温度

仪器和试剂

KWL-09 可控升降温电炉 1 台 SWKY-1 数字温控仪 1 台 启天M620E微型计算机 1 台 不锈钢样品管 6个 Sn( 化学纯 )； Pb( 化学纯 )

石墨粉

实验步骤

1. 样品配制 用感量 0.1g 的台称分别称取纯 Sn 、纯 Pb 各 50g ，另配制含锡20% 、 40% 、 61.9% 、 80% 的铅锡混合物各 50g ，分别置于样品管中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。 2. 绘制步冷曲线 (1) 将测量仪器连接好。 将样品管插入控温区电炉，温度传感器 I 插入控温区传感器插孔，温度传感器 II 插入测试区电炉炉膛内。(2) 打开金属相图程序，输入姓名和学号，设置串行口。

(3) 设置控制温度 (比熔点高 50℃左右 ), 将盛样品的试管放入加热炉内加热。手动调节测试区电炉温度（比控温区低 50

℃左右）。待样品完全熔化后 , 搅拌均匀，用钳子取出试管，放入测试区电炉炉膛内并把温度传感器 II 放入试管中。开始实验。(4) 耐心调节“加热量调节”旋钮和“冷风量调节”旋钮，使之匀速降温（降温速率一般为 5-8 /℃ min ）。当所有的转折点都测出后，终止实验。保存曲线。读出转折点温度并记录。(5) 用上述方法依次绘制锡、铅、 61.9% 、 80% 、 40% 、 20

% （ Sn% ）等样品的步冷曲线。记录试样的组成及转折点温度。

金属相图程序操作：

1．打开桌面上的快捷方式，输入姓名和学号，进入程序。

2．设置——串行口（选择 1/3 ）。 3．数据通讯——清屏——开始实验——输

入样品名称和成分——确认。 4．停止实验——文件——保存到数据库。

注意事项

(1) 用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度过高样品易氧化变质 ; 温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。

(2)搅拌时要注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使样品管盖浮起，这些因素都会导致测温点变动，必须消除。

(3) 在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，以便节约时间，合金有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则须重新测定。

数据处理 （ 1 ）找出各步冷曲线中拐点和平台对应

的温度值。 （ 2 ）以温度为纵坐标，以组成为横坐标，

绘制 Sn—Pb 合金相图。

思考题

1. 冷却曲线上的拐点是怎么来的？

2. 如果有两个样品，一个为纯金属 A ，另一个为组成为低共熔体的合金（含 A ），你如何通过冷却曲线对它们进行区分？