理论课教案
图2.6 匀晶合金的结晶过程
点成分的Ni
Cu-合金(Ni含量为b％)为例分析结晶过程。该合金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出α固溶体。2点温度以下，合金全部结晶为α固溶体。其它成
分合金的结晶过程也完全类似。
）匀晶结晶的特点
与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生
图2.7 枝晶偏析示意图
理论课教案
Pb中的有限固溶体α相，Pb溶于Sn 相。相图中有三个单相区（L、α、β相区）；三个相区）；一条L+α+β的三相并存线（水
合金相图及成分线
表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对
共同结晶出c点成分的α相和e点成分的β
2.3.2.3 合金Ⅲ 合金Ⅲ是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。合金冷却到1点温度后，由匀晶反应生成α固溶体，此乃初生α固溶体。从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，初生α的成分沿ac 线变化，液
相成分沿ad 线变化；初生α逐渐增多，液相逐渐减少。当刚冷却到2
点温度时，合金由c 点成分的初生α相和d 点成分的液相组成。然后剩余液相进行共晶反应，但初生相不变化。经一定时间到2'点共晶反应结束时，合金转变为)e
βα++。从共晶温度继续往下冷却，
由于各种成分的合金冷却时所经历的结晶过程不同，组织中所得到的组织组成物及其数量是不相同的。这是决定合金性能最本质的方面。
（四）课堂小结
点出重点，分析难点
（五）布置作业
理论课教案
e β→ 图2.13 Pt-Ag 合金相图
这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固。发生包晶反应时三相共存，它们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。水平线ced 为包晶反应线。cf 为Pt 在β中的溶解度线。
图2.14 合金Ⅰ结晶过程示意图图2.15 合金Ⅱ结晶过程示意图
2.4.2.2 合金Ⅱ
合金Ⅱ的结晶过程如图2.15所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出α相，刚至2点温度时合金由d点成分的液相L和c点成分的α相组成，两相在2点温度发生包晶反应，生成β固溶体。与合金Ⅰ不同，合金Ⅱ在包晶反应结束之后，仍剩余有部分α固溶体。在随后的冷却过程中，β和α中将分别析出
β
β
α+
α
+
+
图2.16共析相图图2.17 Mg-Si合金相图
图2.18合金的使用性能与相图关系示意图 2.19合金的铸造性能与相图关系示意图
3 相图的局限性
首先，相图只给出平衡状态的情况，而平衡状态只有很缓慢冷却和加热，，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态。因此用相图分析合金的相晶条件下可能出现的相和组织以及与相图反映的相和组织状况的差异。其存在的相、相的成分和其相对量，并不能反映相的形状、大小和分布，即要说明的是，二元相图只反映二元系合金的相平衡关系，实际使用的金属意其他元素加入对相图的影响，
实验三金属二元相图绘制 一、实验目的 （1）了解步冷曲线的测量原理和类型； （2）用测定步冷曲线的方法绘制Bi-Sn二元合金相图。 （3）加深对物理化学的简单相图的分析和理解。 二、实验原理 1.相图 相图是多相（二相或二相以上）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）对体系的某一变量（如组成）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。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。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，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。 2.热分析法测绘步冷曲线 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，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图3-1）。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，若系统内无相的变化，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，使系统温度变化不均匀，在T-t 图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。 对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图3-1所示。 (a) (b) (c) 图3-1 冷却曲线形状
1 表示方法 1.1 二元系统概述 二元系统是含有两个组元(C=2)的系统，如：CaO—SiO2系统，Na2O—SiO2系统等。根据相律F=C-P+2=4-P,由于所讨论的系统至少应有一个相，所以系统最大自由度数为3，即独立变量除温度、压力外，还要考虑组元的浓度。对于三个变量的系统，必须用三个坐标的立体模型来表示。 但是，在通常情况下，硅酸盐系统是凝聚系统，可以不考虑压力的改变对系统相平衡的影响，此时相律可以下式表示： F=C-P+1 在后面所要讨论的二元、三元、四元系统都是凝聚系统，不再做特别说明。 对于二元凝聚系统：F=C-P+1=3-P 当Pmin=1时，Fmax=2；当Pmax=3，Fmin=0 可见，在二元凝聚系统中平衡共存的相数最多为三个，最大自由度数为2，这两个自由度就是指温度（T）和两组元中任一组元的浓度（X）。因此二元凝聚系统相图仍然可以用平面图来表示，即以温度一组成图表示。 1.2 二元系统组成表示法 二元系统相图中横坐标表示系统的组成，因此又称为组成轴。组成轴的两个端点分别表示两个纯组元，中间任意一点都表示由这两个组元组成的一个二元系统。假设二元系统由AB两组元构成，则两个端点A和B分别表示纯A和纯B。 组成轴分为100等份，从A点到B点，B的含量由0%增加到100%，A的含量由100%减少到0%；从B点到A点则相反。如图7-24。AB之间的任意点都是由AB组成的二元系统，如图中的m点是由30%的A和70%的B组成的二元系统。在相图中组成可以用质量百分数表示，也可以用摩尔百分数或摩尔分数表示，其图形有明显差别，应加以注意，纵坐标表示温度，又称为温度轴。
实验名称:二元液系相图 学院:XXXXXXXXXX 班级：XXXXXXXXX 姓名（学号）：XXX(XXXXXXXX) 指导教师：XXX 实验时间：XXXXXXXXXXXXXX
二元液系相图 一、实验目的 1.测定环己烷-乙醇系统的沸点组成图（T-X图）。 2.掌握阿贝（Abbe）折光仪的使用方法。 二、实验原理 两种液态物质以任何比例混合都形成均相溶液的系统称这完全 互中溶双液系。在恒定压力下溶液沸点与平衡的气液相组成的关系，可用沸点－组成图(t－x图)表示。 完全互溶双液系的沸点－组成图可分为两三种： 一种为最简单的情况，溶液沸点介于两个纯组分沸点之间，如图6-1所示。纵坐标表示温度，横坐标表示组分B的摩尔分数(x B，y B)。下面一条曲线表示气液平衡时温度(即溶液沸点)与液想组成的关系，称液相线(T－x线)。上面的线表示平衡温度与气相组成的关系,称气相线(T－y线)。若总组成为Z B的系统在压力p及温度t时达到气液两相平衡，其液相组成为x B气相组成为y B(见图6-1)。 另两种类型为具有恒沸点的完全互溶双液系统气液平衡相图，如图6-2所示。其中(a)为具有低恒沸点相图，(b)为具有高恒沸点相图。这两类相图中气相线与液相线在某处相切。相切点对应的温度称为恒沸温度，对应组成的混合物称恒沸混合物。恒沸混合物在恒沸点达气液平衡，平衡的气、液组成相同。同一双液系在不同压力下，恒沸点及恒沸混合物是不同的。
本实验绘制环己烷-乙醇二元液系的T-X图。其方法为将不同组成的溶液于蒸馏仪中进行蒸馏，沸腾平衡后记下温度，依次吸取少量的蒸馏液和蒸出液。分别用阿贝折光计测定其折射率，然后由环己烷-乙醇的折射率-组成标准曲线或其数据表确定相应组成，从而绘制环己烷-乙醇二元液系相图。 三、仪器和试剂 沸点测定仪；取样管；阿贝折光仪。 环己烷（分析纯）；无水乙醇（分析纯）；环己烷摩尔分数分别为0.2、0.4、0.6、0.8的乙醇溶液。 四、实验步骤 1.纯液体折光率的测定 分别测定乙醇和环己烷的折光率。 2.标准曲线的绘制 测定环己烷摩尔分数分别为0.2、0.4、0.6、0.8的乙醇溶液的折光率，绘制标准曲线。 3.测定沸点-组成数据 1)安装沸点测定仪。 2)溶液配制。 粗略配制环己烷质量百分数分别为0.05、0.1、0.2、0.45、0.55、0.6、0.7、0.8、0.9等组成的环己烷-乙醇溶液约50ml。
第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
实验一 简单二元系统相图的绘制 一、目的与要求： 1．用热分析法测绘P b -S n 二元金属相图。 2．了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方法。 二、原理： 相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质（如温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的图形，图中能反映出相平衡的情况（相对数目及性质等），故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质以及多相体系相平衡情况的变化，都要用到相图。 图1-1是一种类型的二元简单低共熔物相图，图中A 、B 表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T ，横轴是组分B 的百分含量B%，在acb 线的上方，体系只有一个相（液相）存在，在ecf 以下，体系有二个相（晶体A 和B ）存在，在ace 包围的面积中，一个固相（A ）和一个液相（A 在B 中的饱和熔化物）共存，在bef 所包围的面积中，也是一个固相（B ）和一个液相（B 和A 中的饱和熔化物）共存。图中C 是ace 与bef 两个相区的交点，有三相（晶相A 、晶相B 、饱和熔化物）共存。所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的方法就是热分析实验法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度，将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间读体系温度一次，所以得历次温度值对时间作图，得一曲线，一般称为步冷曲线或冷却曲线。 在冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，因此步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子，若图1-2是图1-1中组成为P 的体系步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，求出各转折点，即能画出二元体系的最简单相图（对复杂的相图，还必须配合其它方法，方能画出）。 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点有： 1．被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。 2．测定时被测体系的组成必须与原来配制样品时的组成值一致，如果测定过程中样品处于不均匀或样品发生氧化变质。这一要求就不能实现。 3．测得的温度值必须能真正反映体系所测时间的温度值，因此，测温仪器的热容必须H P 5 G a b 冷却曲线 Bi(s L+Bi(s) L A B t T T B% a b c e f 1 2 3 4 图1-2 图1-1
《二元相图计算》创新课程作业 学生：于永龙班级：焊接2班学号：10850212 一名词解释 1. 体系 体系就是我们研究的对象的总和。 2. 环境 系统以外又与系统密切相关的部分称为环境，环境必须是与系统有相互影响的有限部分。 3. 组元 组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是组成合金的元素或稳定的化合物。 4. 相 系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分称为相。 5. 相律 表示平衡物系中的自由度数,相数及独立组分数之间的关系。数学表达式：?=C-Ф+2 6. 杠杆定律 在结晶过程中，液、固二相的成分分别沿液相线和固相线变化。 7. Gibbus自由能 G=H－TS, G叫做吉布斯自由能。 8. 化学势 等温等压下，在一定浓度的溶液中，加入微量组分B，而引起系统吉布斯函数对组分B物质的量的变化率。 9. 理想溶液 宏观定义：溶液中的任一组分在全部浓度范围内都符合拉乌尔定律的溶液称为理想溶液。 分子模型定义：各组分分子的大小及作用力彼此相似，当一种组分的分子被另一种组分的分子取代时，没有能量的变化或空间结构的变化，即就是当各组分混合成溶液时，没有热效应和体积的变化。 10. 拉乌尔定律 如果溶质是不挥发性的，即它的蒸气压极小，与溶剂相比可以忽略不计，则在一定的温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与其克分子分数的乘积。 二读书报告 关于《相图分析及应用》的读书报告 相图在冶金，化工等工业生产部门及矿物、化学等科学研究领域有着广泛应用和重要指导意义，是解决一些实际问题不可缺少的工具。在生产及新产品开发过程中，人们经常要遇到相图基础知识和应用相图解决一些实际问题，而《相图
1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定： (1)w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？ (2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分为多少？ (3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分为多少？ (4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少? 2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为： 0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃） 设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 3．根据A-B 二元相图 (1)写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线； (2)平衡凝固时，计算A-25B(weight%)合金（y’y 线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量； (3)画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。
4．根据如图所示的二元共晶相图 （1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线； （2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？ （3）如果希望得到共晶组织加上5％的 初 的合金，求该合金的成分。 （4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？ 5．指出下列相图中的错误： 6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点? (a)(b) (c)(d)
1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定： (1)w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？ (2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分约为多少？ (3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？ (4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少? 第1题答案 2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为： 0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃） 设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 第2题答案
少年易学老难成，一寸光阴不可轻 - 百度文库 1 实验一 简单二元系统相图的绘制 一、目的与要求： 1．用热分析法测绘P b -S n 二元金属相图。 2．了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方法。 二、原理： 相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质（如温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的图形，图中能反映出相平衡的情况（相对数目及性质等），故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质以及多相体系相平衡情况的变化，都要用到相图。 图1-1是一种类型的二元简单低共熔物相图，图中A 、B 表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T ，横轴是组分B 的百分含量B%，在acb 线的上方，体系只有一个相（液相）存在，在ecf 以下，体系有二个相（晶体A 和B ）存在，在ace 包围的面积中，一个固相（A ）和一个液相（A 在B 中的饱和熔化物）共存，在bef 所包围的面积中，也是一个固相（B ）和一个液相（B 和A 中的饱和熔化物）共存。图中C 是ace 与bef 两个相区的交点，有三相（晶相A 、晶相B 、饱和熔化物）共存。所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的方法就是热分析实验法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度，将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间读体系温度一次，所以得历次温度值对时间作图，得一曲线，一般称为步冷曲线或冷却曲线。 在冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，因此步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子，若图1-2是图1-1中组成为P 的体系步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，求出各转折点，即能画出二元体系的最简单相图（对复杂的相图，还必须配合其它方法，方能画出）。 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点有： 1．被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。 2．测定时被测体系的组成必须与原来配制样品时的组成值一致，如果测定过程中样品处于不均匀或样品发生氧化变质。这一要求就不能实现。 3．测得的温度值必须能真正反映体系所测时间的温度值，因此，测温仪器的热容必须H P 5 G a b 冷却曲线 Bi(s L+Bi(s) L A B t T T B% a b c e f 1 2 3 4 图1-2 图1-1
实验10 二组分合金相图 班级：材料（硕）01 组长：丁斌 组员：越凡门明达王光王晓宇瑛康何林温雅欣多雪俊杰 实验日期：2013年5月22
1.1实验目的 1.2 ①掌握用热分析法测定材料的临界点的方法； ②学习根据临界点建立二元合金相图； ③自制二元合金金相样品，并分析组织。 热分析法（冷却曲线法） 热分析法（冷却曲线法）是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金 属及合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突 变，使得温度－时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相 转变温度。由热分析法制相图，先做冷却曲线，然后根据冷却曲线作图。 通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷 却，通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。 以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（1所示），如果系统不发生相 变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）； 若冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统 的温度随时间变化的速率发生改变，系统冷却速率减慢，冷却曲线上出现 转折（如图中b点）。当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时熔 液系统以低共熔混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前，系统 温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段（如图中cd线段）；当熔液完 全凝固后，温度才迅速下降（如图中de线段）。 由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可根据它的冷却曲线 得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的步冷 曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度－组成图）。不同组成 熔液的冷却曲线对应的相图2所示。 测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作冷却曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。 图1 图2
一、实验目的 1.用热分析法(步冷曲线法)测相变点，绘制Bi-Cd二组分金属相图。 2.掌握热电偶测量温度的基本原理；以及数字控温仪和可控升降温电炉的基本原理和使用。 二、实验原理 热分析法是绘制相图的基本方法之一。它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收级热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。 在定压下将体系从高温逐渐冷却，作温度对时间的变化曲线，即为步冷曲线。体系若有相变，必定伴随着热效应，即从步冷曲线中会出现转折点。从步冷曲线有无转折点就可以知道有无相变。测定一系列质量百分比含量不同的样品的步冷曲线图，从步冷曲线图上找出各相应体系发生相变的温度，就可以绘出被测体系的金属相图，如图所示。 温度 K 1 2 3 4 a 步冷曲线 b 二组分金属相图 现根据一组实验数据作出步冷曲线图，如图所示。纯物质的步冷曲线（曲线1、4），以曲线1为例。当曲线1的温度不断冷却，至544K时，达到纯铋的凝固点，铋开始转化为固体，在低共熔混合物全部凝固之前，系统温度保持不变。出现水平线段。当溶液完全凝固后，温度才迅速下降。 混合物的步冷曲线（曲线2、3）不同于纯物质，当温度下降到拐点a 时，出现一段曲线ao，当温度下降到o点后，温度维持不变，然后才直线下降。这是因为当温度下降到a点是，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，故其平衡温度也不断随之变化，直到达到气低共熔点温度o时，体系平衡，温度保持不变，直到液相完全凝固后，温度才又迅速下降。 用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的成分，在对应的纵坐标上
标出开始出现相变的温度，连接并作出气延长线相交于o点（o点为铋镉的 最低共熔点），即可作出相图。 三、实验步骤 1.配制质量百分比为0%、25%、50%、75%、100%的铋、镉混合物各100克， 分别装入硬质试管中，再加入少许石蜡油（约3克），以防金属加热过程 中接触空气而氧化。 2.按实验装置连接示意图，将SWKY数字控温仪与KWL-08可控升降温电炉 连接好，接通电源，将电炉接于外控状态。 3.预先将不锈钢炉膛保护筒放进炉膛中，然后把料管和传感器（PT100）放 在保护筒内。SWKY数字控温仪置于“置数”状态，设定温度为370℃， 再将控温仪置于“工作”状态。“加热量调节”旋钮顺时针调至最大， 使样品熔化。待温度达到设定温度后，保持2~3分钟，再将传感器取出 并插入玻璃试管中。 4.将控温仪置于“置数”状态，“加热量调节”旋钮逆时针调至零，停止 加热。调节“冷风量调节”旋钮（电压调至6V），使冷却速度保持在4~6℃ /分，设置控温仪的定时间隔，30秒记录温度一次，直到步冷曲线平台 以下，结束一组实验，得出该配比样品的步冷曲线数据。 5.重复步骤3~4，依次测出所配各样品的步冷曲线数据。 6.根据所测数据，绘出相应的步冷曲线图。再进行铋、镉二组分体系相图 的绘制。注出相图中各区域的相平衡。 四、注意事项 1.热电偶的端点应插在中央位置。 2.松香发黑碳化后，要及时补充松香。 3.样品和炉子的温度比较高，注意避免烫伤。 4.被测体系必须时时处于非常接近相平衡状态，体系冷却时，冷却速度必须 合适。 5.被测体系的组分必须自始至终不发生变化。因此应保证样品各处均匀并防 止氧化。 6.测得的温度必须和体系的实际温度相符合。 7.升温不能太高。 8.加热时，将传感器置于炉膛内；冷却时，将传感器放入玻璃试管中，以防 温度过冲。设定温度不能过高，一般不超过金属熔点的30~50℃，以防石蜡 油碳化，而使金属氧化。 9.冷却速度不宜过快，以防曲线转折点不明显。 10.本实验可配置软件，与电脑连用，实现步冷曲线电脑自动绘图。 五．实验数据记录及处理 纯锡的步冷数据记录 时间0 30 60 90 120 150 180 210 240 270
实验二二元液系气液平衡相图 一、实验目的 1、了解环己烷—乙醇系的沸点—组成图 2、由图上得出其最低恒沸温度及最低恒沸组成（含乙醇% ） 3、学会使用数字阿贝折射仪 4、学会使用WTS —05 数字交流调压器 二、原理 一个完全互溶双液体系的沸点—组成图，表明在气液二相平衡时沸点和二相成分间的关系，它对了解这一体系对行为及分馏过程都有很大的实用价值。 在恒压下完全互溶双液系的沸点与组分关系有下列三种情况：1、溶液沸点介于二纯 组分之间； 2 、溶液有最高恒沸点；3、溶液有最低恒沸点。 图1表示有最低恒沸点，本次实验图形也像如此的样子， A ' LB '代表液相线的交 点表示在该温度时互成平衡的二相的成份。 绘制沸点—成份图的简单原理如下：当总成份为X 的溶液开始蒸馏时，体系的温度 沿虚线上升，开始沸腾时成份为Y的气相生成。若气相量很少，x、y二点即代表互成平 衡时液气二相成份。继续蒸馏，气相量逐渐增多，沸点沿虚线继续上升，气液二相成份分别在气相和液相线上沿箭头指示方向变化。当二相成份达到某一对数值x '和y'，维 持二相的量不变，则体系气液二相又在此成份达到平衡，而二相的物质数量按杠杆原理分配。 本实验利用回流的方法保持气液二相相对量一定，则体系温度恒定。待二相平衡后，取出二相的样品，用阿贝折光仪测定其折射率。得出该温度下气液二相平衡成份的坐标 点，改变体系的总成份，再用上法找出一对坐标点，这样测得若干坐标点后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得T —X 平衡图。 三、步骤 1 、安装接通仪器，打开冷凝水； 2、加入环己烷20ml ，蒸馏至沸腾，待小兜有液体后回流三次，温度平衡2—3 分钟基本不变，记下温度，关闭调压器； 3、 A 组加入乙醇0.5ml ，用上法测定温度，然后关闭调压器，取出气相，液相的样品，测其折射率，以后分别加入 1.0,2.0,4.0,8.0,12.0ml 乙醇； 4、B组加入20ml无水乙醇，蒸馏至沸腾，待小兜有液体后回流三次，温度平衡分钟基本不变，记
实验二十八二元液系的气液平衡相图 1、实验目的 ①实验测定乙醇-环己烷二元液系的沸点-组成图，并由图决定其最低恒沸温度及最低恒沸混合物的组成。 ②学会阿贝折射仪的使用及维护方法。 2、实验原理 纯液体物质，组成一定的A、B两液体的混合物，在恒定的压力下沸点为确定值，液体混合物的沸点随组成不同而改变，因同样温度下，各组分挥发能力不同，即具有不同的饱和蒸气压，故平衡共存的气、液两相的组成通常并不相同。因此在恒定压力下对不同组成的二组分液体进行蒸馏，测定两相平衡温度及馏出物(气相)和蒸馏液(液相)的组成，就可绘制出该系统的沸点与两相组成关系的T-x图，即沸点-组成图，通常称为蒸馏曲线。 二组分完全互溶液体系统蒸馏曲线可分为三类：(1)系统中两组分对拉乌尔定律的偏差都不大，在T-x图上溶液的沸点总是介于A、B两纯液体的沸点之间，如图6-1(a)所示。(2)两组分对拉乌尔定律都产生较大的负偏差，在p-x图上出现最小值时，在T-x图上将出现最高点，如图6-1(b)所示。(3)两组分对拉乌尔定律都产生较大的正偏差，在p-x图上出现最大值时，在T-x图上将出现最低点，如图6-1(c)所示。最高点和最低点分别称为最高恒沸点和最低恒沸点，对
应的组成称为恒沸组成，其相应的混合物称为恒沸混合物。恒沸混合物蒸馏所得到的气、液两相组成相同，故不能用一次精馏的办法同时分出两个纯组分。 本实验是在某恒定压力下则定乙醇—环己烷二组分系统的沸点与组成平衡数据，并绘制该液体混合物的蒸馏曲线，其类型如图6-1(a)所示，这种类型的液态混合物中总是易挥发组分在平衡气相里的组成大于它在液相里的组成。图6-1(a)中，与沸点t1对应的气相线上D 点的组成是w B(g)、液相线上C点的组成是w B(l)。t A＜t B，A较B易挥发，故w B(l)＞w B(g)，而w A(g)＞w A(l)。 测定混合物组成的方法分为物理法和化学法。物理法是通过测定与系统组成有一定关系的某—物理性质(如电导、折射率、旋光度、吸收光谱、体积、压力等)而求出系统组成的方法。本实验是采用测定折射率的方法，采用此法是因为液体乙醇与环己烷的折射率相差较大，而且它们的液体混合物的折射率与其组成有较好的线性关系。其步骤是预先测定一定温度下，一系列已知组成的二组分液体混合物的折射率，绘出折射率-组成图，亦称工作曲线，如图6-2所示。然后
百度文库 - 让每个人平等地提升自我！ 1 实验一 简单二元系统相图的绘制 一、目的与要求： 1．用热分析法测绘P b -S n 二元金属相图。 2．了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方法。 二、原理： 相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质（如温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的图形，图中能反映出相平衡的情况（相对数目及性质等），故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质以及多相体系相平衡情况的变化，都要用到相图。 图1-1是一种类型的二元简单低共熔物相图，图中A 、B 表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T ，横轴是组分B 的百分含量B%，在acb 线的上方，体系只有一个相（液相）存在，在ecf 以下，体系有二个相（晶体A 和B ）存在，在ace 包围的面积中，一个固相（A ）和一个液相（A 在B 中的饱和熔化物）共存，在bef 所包围的面积中，也是一个固相（B ）和一个液相（B 和A 中的饱和熔化物）共存。图中C 是ace 与bef 两个相区的交点，有三相（晶相A 、晶相B 、饱和熔化物）共存。所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的方法就是热分析实验法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度，将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间读体系温度一次，所以得历次温度值对时间作图，得一曲线，一般称为步冷曲线或冷却曲线。 在冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，因此步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子，若图1-2是图1-1中组成为P 的体系步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，求出各转折点，即能画出二元体系的最简单相图（对复杂的相图，还必须配合其它方法，方能画出）。 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点有： 1．被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。 2．测定时被测体系的组成必须与原来配制样品时的组成值一致，如果测定过程中样品处于不均匀或样品发生氧化变质。这一要求就不能实现。 3．测得的温度值必须能真正反映体系所测时间的温度值，因此，测温仪器的热容必须H P 5 G a b 冷却曲线 Bi(s L+Bi(s) L A B t T T B% a b c e f 1 2 3 4 图1-2 图1-1
第四章铁碳合金相图 教学目的及其要求 通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。 主要内容 1．铁碳合金的相组成 2．铁碳合金相图及其应用 3．碳钢的分类、编号及应用 学时安排 讲课4学时 教学重点 1．铁碳合金相图及应用 2．典型合金的结晶过程分析 教学难点 铁碳合金相图的分析和应用。 教学过程 第一节纯铁、铁碳合金中的相 一、铁碳合金的组元 铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。 由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。 碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。 二、铁碳合金中的基本相 相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。 铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。 1．铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。 2．奥氏体 碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。 3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。 渗碳体对合金性能的影响： （1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。 （2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关： 以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。 二、两相机械混合物 珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。 组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。 显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。 第二节铁碳合金相图 一、相图中的点（14个） 1．组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 2．同素异构转变点：N（0, 1394）δ-Fe ?γ-Fe；G（0, 912）γ-Fe?α-Fe 3．碳在铁中最大溶解度点： P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度 E（2.11，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度
Equilibrium pseudobinary Al±Mg2Si phase diagram J.Zhang,Z.Fan,Y.Q.Wang,and B.L.Zhou Preliminary experiments and phase diagram calculations were conducted to determine the equilibrium phase diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary section.It was found that there is a narrow ternary phase?eld of Al z Mg2Si z liquid in the diagram.At the pseudoeutectic composition of Al±13.9wt-%Mg2Si,a pseudoeutectic reaction takes place between the temperatures of583.5and5943C.The solubility of Mg2Si in Al at583.53C is calculated as1.91wt-%.MST/4537 At the time this work was carried out Dr J.Zhang and Dr Z.Fan were in the Department of Materials Engineering,Brunel University,Uxbridge UB83PH,UK.Dr Zhang is now in the Department of Materials Science and Engineering,University of Erlangen,Germany(jianzhang7232@y https://www.doczj.com/doc/4c12720184.html,).Professor Y.Q.Wang and Professor B.L.Zhou are in the Institute of Metal R esearch,Chinese Academyof Sciences,Sheny ang110015,China.Manuscript received20December1999;accepted14 November2000. #2001IoM Communications Ltd. Introduction In situ composites based on Al±Mg2Si or Mg±Mg2Si hypereutectic alloys have shown considerable potential because of their low speci?c weights.The microstructure of such composites is generally a eutectic matrix with primary Mg2Si particles as the reinforcing phase.To avoid the rather brittle character of the materials,advanced processing techniques such as rapid solidi?cation,1,2hot extrusion,3,4 and mechanical alloying5,6have been used.According to previous work,it is possible to embed hard Mg2Si particles in a plastically deformable matrix in an Al±Mg2Si composite with attractive properties by using a common gravity casting process.7Therefore,it is possible to prepare the composites by using a method that is more practical. However,the successful development of such composites depends on a good understanding of the equilibrium diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary system. Although there are a few publications on the pseudoeu-tectic section of Al and Mg2Si in an Al±Mg±Si ternary system,most attention has been paid to the Al rich corner.8 Moreover,detailed information on the pseudobinary system,such as the composition of the eutectic point and the solubility of Mg2Si in Al,were not conclusive in the literature,which is summarised in Table1.8±12Almost all of the previous publications also reported an isothermal eutectic line of Al z Mg2Si in the system with a eutectic temperature of593±5953C.Meanwhile,a ternary phase ?eld in the diagram was reported in the temperature range 590±5943C at the eutectic point.12Therefore,it is essential to investigate the pseudobinary system and to clear the confusion in the equilibrium diagram. Experimental Industrially pure Al,Mg,and Si(w99.8wt-%)was used to melt Al±Mg2Si composites of10and15wt-%Mg2Si.Extra Mg was added to balance the oxidation loss.All the extra Mg additions were determined by several experiments and subsequent compositional analysis in order to ensure the resulting composition changes were within1wt-%of the preset values.13A salt mixture was used for microstructural re?nement.14C2Cl6(99.9%)was pressed into the melt for degassing.The melt was cast in a steel mould and rod like specimens of10mm in diameter were obtained.All samples were etched and examined by optical microscopy and SEM (Jeol JXA840)with an energy dispersive X-ray analysis (EDS)accessory.Details of the experimental procedure are reported elsewhere.7,14Phase diagram calculation was done using the Thermo-Calc program and Al DATA,which was developed by Thermo Tech Ltd(Guildford,UK).A pseudobinary phase diagram of Al±Mg2Si was obtained as a vertical section of the Al±Mg±Si ternary system at a ?xed Mg/Si atomic ratio(2:1). Results and discussion Figure1compares the microstructures of two Al±Mg2Si alloys with different Mg2Si contents.According to EDS analysis,the bright phase was identi?ed as a-Al and the dark particles were identi?ed as Mg2Si.The lamella Mg2Si was obviously formed by coupled growth with a-Al as a result of the pseudoeutectic reaction.No other compounds were detected in the present work. The microstructure of Al±10wt-%Mg2Si alloy was mainly composed of a-Al dendrites and pseudoeutectics of Al z Mg2Si.It is worth noting that some small Mg2Si particles can also be observed in the microstructure,as marked by arrows in Fig.1a.The dendritic morphology of a-Al indicated that a-Al was the primary phase during solidi?cation.Afterwards,a-Al and Mg2Si cosolidi?ed as the lamella structure of the pseudoeutectic.The Mg2Si particles had a smaller size than the primary Mg2Si particles shown in Fig.1b,and a different morphology to the lamella structures produced by cogrowth of Al and Mg2Si.It is believed that these particles were formed after the solidi?cation of primary a-Al dendrites,which means Mg2Si particles as well as Mg2Si pseudoeutectics were produced simultaneously during the pseudoeutectic reaction. In the Al±15wt-%Mg2Si alloy,both primary particles of Mg2Si and a-Al can be observed besides the pseudoeutectic matrix.Experimental results shown in Fig.1b indicate that during solidi?cation Mg2Si particles formed as a primary phase and a-Al grains formed at a similar time to when the pseudoeutectic reaction occurred during the subsequent solidi?cation.The a-Al grains and Mg2Si particles observed in Fig.1b indicate that there may be a phase?eld in the phase diagram where a-Al and the pseudoeutectic cosolidify from the liquid. 494Materials Science and Technology May2001Vol.17ISSN0267±0836