实验五 金属相图(05.9.18)VIP

实验五金属相图

一

实验目的1.了解热分析的测量技术2.掌握热分析法绘制Pb-Sn合金相图的方法二

实验原理物质在不同的温度、压力和组成下，可以处于不同的状态。研究多相平衡体系的状态如何随温度、压力、浓度而变化，并用几何图形表示出来，这种图形称为相图。二组分体系的相图分为气-液体系和固-液体系两大类。本实验为后者也称凝聚体系，它受压力影响很小，其相图常用温度-组成的平面图表示。热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的常用方法之一。这种方法是通过观察体系在冷却（或加热）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熔化，然后让其在一定环境中自行冷却；并每隔一定的时间（例如半分钟或一分钟）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T-t图。图5-1是二组分金属体系的一种常见类型的步冷曲线。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，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线就出现转折即拐点（如图中b点所示）。当熔液继续冷却到某一点时（例如图中c点），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，因此步冷曲线出现水平线段即平台（如图中cd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，可以根据步冷曲线，判断固体析出时的温度和最低共熔点的温度。然后用温度作纵坐标，组成作横坐标绘制相图T-C图。本实验是利用“热分析法”测定一系列不同组成Pb-Sn混合物的步冷曲线，从而绘制出其二组分体系的金属相图。利用程序升降温控制仪控制电炉的加热和降温，可以人为设定降温速度。通过热电偶采集温度数据使步冷曲线直接显示在微机屏幕上，同时在程序升降温控制仪上配有温度数值显示和定时报鸣时间，因此也可以手工记录画步冷曲线。三

仪器与药品可控降温电炉

1台程序升降温控制仪（带热电偶）

1台微机（带打印机）

1台锡和铅样品管（分别为纯Sn，含Sn20%、40%、61.9%和80%的样品，样品上方覆盖一层石墨粉）。四

实验步骤

仔细阅读本实验的附录2KWL-08可控升降温电炉的使用方法。测定样品的步冷曲线，需先将样品加热熔化后再冷却降温。利用KWL-08可控升降温电炉可采用“内控”和“外控”两种方式进行控温。实验可根据实际情况任选其一。㈠采用“内控”进行控温操作1.取1号样品放入电炉中，将热电偶小心插入盛样品的玻璃套管中。将控制开关置于“内控”位置。2.打开电炉开关，调节“加热量调节”旋钮使电炉按所需的升温速率进行升温（加热电压一般为50V左右即可）。当接近所需温度时，关闭“加热量调节”（逆时针旋到底，此时加热电压指示“0”），待达到所需温度时，选择适当的“加热量调节”位置，以保证炉温基本稳定。

3.当炉温在熔点以上持续5分钟后，将“加热量调节”旋钮逆时针旋到底，使加热电压指示“0”。观察降温速率，若降温速率太慢，可增加冷风量电压。由此绘出的步冷曲线显示在微机屏幕上，根据步冷曲线可以确定样品的相变温度。

4.按同样方法测定其余样品的步冷曲线，并确定各自的相变温度。

5.实验结束后，将“加热量调节”和“冷风量调节”旋钮逆时针旋到底，关闭电炉电源开关。

㈡采用“外控”进行控温操作1.阅读本实验的“附录1WCY-SJ程序升降温控制仪”的使用方法。将热电偶小心地插入样品的玻璃套管中，将电炉的控制开关置于“外控”位置，“加热量电压”和“冷风量电压”旋钮逆时针旋到底。2.设定升、降温程序打开“WCY-SJ程序升降温控制仪”开关，按“设定温度”下面的“▲粗▼▲细▼”键，设定加热的起始温度（一般为室温即可）；按“段时间”下面的“▲▼”键，设定升温需要的时间（一般为10分钟）。

按“功能”键，使“保温”指示灯亮。按“▲粗▼▲细▼”键，设定保温温度（即加热达到的最高温度，一般高出样品的熔点50℃即可）；按“段时间”下面的“▲▼”键，设定保温时间（一般为5分钟）。按“功能”键，使“降温”指示灯亮。按“▲粗▼▲细▼”键，设定降温最终温度（，一般为140℃）；按“▲▼”键，设定降温时间（一般为10分钟）。按“工作/置数”键，使工作指示灯亮。打开“KWL-08可控升降温电炉”的电源开关，调整“加热量电压”为50V左右，“冷风量电压”旋钮顺时针调至最大。3.当执行降温程序时，将步冷曲线显示在微机屏幕上，由此确定样品的相变温度。以下操作同“㈠采用“内控”进行控温操作”中的步骤4、5。五

注意事项1.加热熔化样品时的最高温度比样品熔点高出50℃左右为宜，以保证样品完全熔融。待样品熔融后，可轻轻摇晃样品管，使体系的浓度保持均匀。

2.在样品降温过程中，必须使体系处于或非常接近于相平衡状态，因此要求降温速率缓慢、均匀。在本实验条件下，通过调整适当的风量以每分钟3～5℃的速率降温，可在1小时之内完成一个样品的测试。3.样品在降温至平台温度时，会出现明显的过冷现象，应该待温度回升出现平台后温度再下降时，才能结束记录。六

数据记录与处理1.已知Pb的熔点是327℃，从步冷曲线上查出组成纯Sn、含Sn20%、40%、61.9%和80%样品的凝固点温度，以纵坐标表示温度，横坐标表示组成，绘出Pb-Sn二组分合金相图。

2.利用相律分析相图中低共熔点，熔点曲线及各区域内的相数和自由度数。七

思考题1.步冷曲线上为什么会出现转折点？纯金属、低共熔混合物及合金的转折点各有几个？曲线形状为何不同？2.总质量相同但组成不同的Pb-Sn合金其步冷曲线水平线段的长度有何不同？为什么？3.某Pb-Sn合金样品已失去标签，用什么方法可以确定其组成？

附录1

WCY-SJ程序升降温控制仪WCY-SJ程序升降温控制仪内部采用CPU对系统温度进行非线性补偿，利用软件控制输出信号，使得被控制加热系统按设定的时间进行“升温”、“保温”、“降温”。在“升温”、“保温”、“降温”阶段，温度与时间按一定比例变化。图5-3WCY—SJ程序升降温控制仪面板

一

使用方法WCY—SJ程序升降温控制仪的操作面板如图5-3所示。1.将电源线接入220V电压，按下电源开关，数码管和“置数”指示亮，“实时温度”显示室温。将热电偶插入被测物中，深度大约5cm。2.置数设定⑴按功能键，“升温”指示灯亮。设定温度：按▲粗▼键和▲细▼键，使设定温度为上升起始温度；设定时间：按▲▼

键，设定升温所需的时间。例如：室温为10℃，上升至40℃，上升斜率为5℃/min，则上升时间为6min。⑵按功能键，“保温”指示灯亮。设定温度：按▲粗▼

键和

▲细▼

键，使设定温度为最终温度；设定保温时间：按▲▼键，设定保温所需的时间。⑶按功能键，“降温”指示灯亮。设定降温温度：按▲粗▼键和▲细▼键，使设定温度为降温最终温度；设定降温时间：按▲▼键，设定降温所需的时间。⑷设定报鸣时间（10～99S）按“定时”下的▲▼键，设定报鸣时间。1.

按工作/置数键，使“工作”指示灯亮，整套设备按所设定曲线进行。例如：设定下图所示程序段曲线的操作步骤如下：⑴按工作/置数键，“置数”指示灯亮。⑵按功能键，“升温”指示灯亮。设定温度：按▲粗▼键和▲细▼键，使温度值为20℃；设定时间：按▲▼键，使时间为10min。⑶按功能键，“保温”指示灯亮。设定温度：使温度值为250℃；设定时间：使时间为（20—10）=10min。⑷按功能键，“降温”指示灯亮。设定温度：使温度值为100℃；设定时间：使时间为（30—20）=10min。⑸

按工作/置数

键，“工作‘指示灯亮。此后，系统按所设定曲线工作。4.关机：按下电源开关即可。

附录2

KWL-08可控升降温电炉本仪器适用各种试管加热实验，具有独立加热和冷却（风扇）系统。也可同‘WCY-SJ程序升降温控制仪”配合使用，组成金属相图实验装置，从而实现自动升降温。一、

使用方法KWL-08可控升温电炉的剖面图如图5-4所示。该仪器采用“内控”和“外控”两种方法控温。图5-4KWL-08可控升降温电炉采用“内控”方法控温。1.控制开关置于“内控”位置。将热电偶插入样品管中。2.调节“加热量调节”旋钮使电炉按所需的升温速率进行升温（加热电压一般小于60V）。3.当接近所需温度时，关闭“加热量调节”旋钮（逆时针旋至低位，此时加热器电压指示“0”），待达到所需温度并较稳定时，选择适当的“加热量调节”位置，以保证炉温基本稳定。4.当需要降温时，首先将“加热量调节”旋钮逆时针旋至低位，加热电压指示“0”，观察降温速率，若降温速率太慢，可增加冷风量电压；若降温速率太快，可适当增加加热器电压，以达到所需的降温速率。采用“外控”方法控温。1.控制开关置于“外控”位置。将热电偶插入样品管中。2.按“WCJ-SJ程序升温控制仪”的使用方法和设定好的程序进行控制操作。3.将“加热量电压”旋钮顺时针调至底，“