相图的测定_原创文档.pdfVIP

相平衡圖製作

陳士堃教授編撰

一、實驗目的

配製錫-鋅合金，並利用熱分析法求出此合金之平衡相圖。

二、實驗原理

現階段最適當而有效的決定金屬相圖之方法，係由過去四分之三個世紀

裡，世界上許多經驗豐富的測量者共同努力累積而來的成果，此等相圖的測定，

目前為一門逐漸發展的學問，在它的適用範圍與精確度方面日有精進，幾乎沒有

相圖被認為是完全正確，因為反覆的測量加上技術與儀器的改良經常導致修正，

其原因係由於適合某些合金系的一些基本探測方法，作了一連串的改進與調整，

事實上要提出一套最好的探測方法，是不容易的(因為沒有一套方法對所有的系

統都是最好的)。同時要對任一探測法下一標準的程序，也並不是一項輕而易舉

的工作，至於對多數探測的基本原理與方法作一綜合性的敘述卻是可能的，探測

者如希望有更詳細的指引，就必須研究更專門性的書籍，因為在探測當中所遭遇

的問題就正如合金系本身那般繁多。

再決定溫度-成分(T-X)圖形時，下列兩項資料經常是探討的對象：(1)圖形的

一般平面(generalplanofthediagram)，包括相的數目、性質、相態的辨認，及各

相之間的單變數平衡。(2)所有界線(boundarylines)的溫度與成分(包括表面)，尤

其是在域界的交會處(junctionsofboundaries)。某些探測方法適用於一般性的測

量，某些適用於特殊平衡的測量，某些兩者皆適合，因此一個擴散雙偶(diffusion

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couple)有時可用以決定系統中相的數目與次序，顯微組織法(metallographic

method)或X光法用以決定固相的晶界(boundariesbetweensolidfields)，至於熱分

析法(thermalanalysis)則可用以決定液相線(liquiduslines)，相的一般性質，與系

統的單變數平衡。

要決定界線(boundarylines)的正確位置，必須先造成平衡狀態，同時準確的

測量出當時的溫度與各物質的化學成分。要想在一段合理的時間內達到真正的平

衡狀態，是一件相當困難的事，要克服這一相困難，我們經常利用從兩端逐漸趨

於平衡的方法，同時規定兩個極限，在此兩極限之間，就是真正平衡發生的區間。

從兩端趨向平衡的時間愈長，不穩定的範圍就愈小，譬如：當冷卻時，合金的液

相線溫度經常要比真實值為低，加熱時亦有類似的情形，此時高於其液相線溫

度，假使加熱和冷卻速率降低，則過熱與過冷將變得較為不顯著，而不穩定的範

圍也將消失，這是應用到測量相平衡的一項基本原理。

溫度的測量是一個主要的項目，包括許多尚待解決的問題，有不少關於高

溫測量學方面的書，都是從先準確的測出溫度這一觀點出發的，再選擇適當的方

法時，對於測量期間，由於儀器的觀察而可能影響平衡的考慮，也是相當重要的，

任何儀器與樣品的接觸時必須是惰性的，使不致有實質的影響而導致測量的失

真。此項要求在高溫或金屬的反應相當靈敏時很難做到，同時也可以解釋為何高

熔點合金的不確定性較高。此外，測量儀器必須與樣品之間有良好的熱接觸，才

不致帶走大量的熱，影響樣品本身的反應。

正確的化學分析，在測定相圖時具有極端的重要性，當然，關於化學分析

方面的學問，有眾多書籍可供參考，可是在未曾探測過的合金系中，我們經常發

現標準的化學分析法都是缺乏的。此一因素造成了一項需要，就是新分析法的發

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明與標準化。這一項工作較諸分析本身要費力的多。不正確的化學分析，甚至比

沒有分析還嚴重，因為此項分析可能造成極大的錯誤，甚至超過單從構成合金的

成分含量計算出來的綜合分析(syntheficanalysis)，當化學分析(chemistryanalysis)

與綜合分析有差異時，即可用常識來判斷究竟何者較為正確。一般而言，只要是

熟練的運用標準方法作出來化學分析，即可予以相當的採信，否則，只要化學分

析與綜合分析不相吻合，以顯示其不穩定性，而減低了我們對此一數據的可信度。

不論用的是何種分析方法，樣本的成分都無法完全代表合金的成分，在鑄

造某些物質時，偏析(segregation)能造成不同位置的成分差異至小數的第