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二元合金相图的绘制与应用

一、目的要求

1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi二元合金相图

2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法

3、掌握微电脑控制器的使用方法

4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法

二、基本原理

相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它

们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。

热分析方法与步冷曲线

热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然

后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min或1min）记录一次温度，以温度T为纵

坐标，以时间t为横坐标，做出温度-时间（T-t）曲线，称为步冷曲线。若体系均匀冷却时，冷却过程不发

生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度

快。若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变

化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。测定一系列组成不同的样品的步冷

曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。这就是用热分析法绘制

液固相图的概要.如图所示：

①②③④⑤

323

273

144

t

Bi-Cd合金冷却曲线

曲线1、5是纯物质的步冷曲线。当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较

陡；冷却到A的熔点时，固体A开始析出，系统出现两相平衡（固体A和溶液平衡共存），根据相律，此时

f=k-+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下

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曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。与纯物质的步冷曲线不同。系统从高温冷却到温度b时,

开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降

速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。当体系温度到达低共熔温度c’时，固体A、B与组成为E%的溶液三相

平衡共存，根据相律，f=k-+1=2-3+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现水平线段c’d’，直到液相完全凝

固后，温度又继续下降。

曲线3是表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线，其图形与纯物质的步冷曲线相似，但在水平段对应的

温度时，系统是三相平衡共存。

对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢、又无振动时，有过冷现象出现。液体的温度可下降

至比正常凝固点更低温度才开始凝固，固相析出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图所示：

曲线Ⅱ就表示纯金属有过冷现象时的步冷曲线，b’为过冷温度，b’’为正常相变温度；而Ⅰ为无过冷现象时的

步冷曲线。

用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的组成，在对应的纵坐标开始出现相变（即步冷曲线上的转折点

或平台）的温度，把这些点连接起来即得相图。

从相图的定义可知，用热分析方法测绘相图要注意以下问题：

测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却时温度下降不能过快；如晶形转变时，相变热较小，此方法不宜采

用；对样品的均匀性与纯度也要充分考虑，一定要防止样品的氧化和混有杂质，否则会变成另一多元体系（高

温影响下特别容易出现此类现象）；为了保证样品均匀冷却，加热温度稍高一些为好；铂电阻放入样品中的部

位与深度要适当；测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，其对精确测定也有较大影响，试验中必须注意，

否则会出现较大的误差，使测量结果失真。

三、仪器与试剂

金属相图实验炉（800ｗ），炉体上有装有电压调节器

微电脑控制器;宽肩硬质玻璃样品管或不锈钢样品管

铂电阻Ｐt100;铂电阻套管不锈钢;