实验六二组分金属相图的绘制
【实验目的】
1. 学会用热分析法测绘Sn—Bi二组分金属相图。

2. 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

3. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。

【基本要求】
（1）学会用热分析法测绘Sn-Bi二组分金属相图。

（2）掌握步冷曲线的绘制和利用。

【实验原理】
测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或两种金属混合物熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线称为步冷曲线。

当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一平滑的步冷曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。

利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。

二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图2-5-1所示的形状。

用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。

此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度；但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。

见图2-5-2。

遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。

图6-1 根据步冷曲线绘制相图
图6-2 有过冷现象时的步冷曲线
【仪器试剂】
立式加热炉1台；保温炉1台；镍铬-镍硅热电偶1副；不锈钢样品管4个；250mL烧杯1个。

Sn(化学纯)；Bi(化学纯)；石腊油；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Bi各50g，另配制含锡20%、40%、60%、80%的铋锡混合物各50g，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。

2. 绘制步冷曲线
(1) 将热电偶及测量仪器如图2-5-3连接好。

(2) 将盛放样品的坩埚放入加热炉内加热(控制炉温不超过400℃)。

待样品熔化后停止加热，用玻璃棒将样品搅拌均匀，并在样品表面撒一层石墨粉，以防止样品氧化。

图6-3 步冷曲线测量装置
1.加热炉；
2.不锈钢管；
3.套管；
4.热电偶
(3) 将坩埚移至保温炉中冷却，此时热电偶的尖端应置于样品中央，以便反映
出体系的真实温度，
(4) 按定时健，时间间隔调为30或60秒，在指示音的提示下，即可每隔一定时间读取温度一次，待转折点和平台出现后，温度均匀下降约5分钟即可停止读数。

(5) 用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。

(6) 用小烧杯装一定量的水，在电炉上加热，将热电偶插入水中绘制出水沸腾时的水平线。

【注意事项】
用电炉加热样品时，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完全熔化，步冷曲线转折点测不出。

热电偶热端应插到样品中心部位，在套管内注入少量的石腊油，将热电偶浸入油中，以改善其导热情况。

搅拌时要注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点变动，必须注意。

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，体系有两个转折点，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。

电炉加热到设定温度后，注意将电炉电压调到零。

操做要小心烫伤。

【数据处理】
1. 根据记录的数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出各组分的冷却曲线。

2. 找出各步冷曲线中拐点和平台对应的温度值。

3. 以温度为纵坐标，以物质组成为横坐标，绘出Sn—Bi金属相图。

【实验讨论】
1. 本实验成败的关键是步冷曲线上折变和水平线段是否明显。

步冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则就不明显。

故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6℃/min ～8℃/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V左右）来减缓降温速率。

2. 本实验所用体系一般为Sn-Bi、Cd-Bi、Pb-Zn等低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。

石蜡油的沸点较低（大约为300℃），故电炉加热样品时注意不宜升温过高，特别是样品近熔化时所加电压不宜过大，以防止石蜡油的挥发和炭化。

（3）Bi－Sn相图是具有代表性的部分互溶固－液体系相图。

这种体系由三个两相区和一条三相共存线。

但是两侧个有一个固溶区，以锡为只要成分的为α区，以Bi为主要成分的为β区。

一个相图的完整绘制，除了采用热分析法外，常需借助其它技术。

例如αβ相的存在和固溶区线的确定，可用金相显微镜、x－射线衍射方法以及化学分析法等。

【实验成败的关键】
（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融化，步冷曲线转折点测不出。

（2）热电偶热端应插到样品中心部位，在套管内注入少量的石蜡油，将热电偶浸入油中，以改善其导热情况。

搅拌时要注意勿使热端离开样品；金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起。

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。

【思考题】
1. 对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？为什么？
2. 作相图还有哪些方法？
3. 作图时应注意那些问题？
4. 做好步冷曲线的关键是什么？
5. 是否可以用升温曲线来做相图？
6. 为什么要缓慢冷却合金做步冷曲线？
7.为什么样品中严防进入杂质？如果进入杂质则步冷曲线会出现什么情况？
8.如果研究对象是未知体系，如何确定？。