一、实验目的及要求

（1）　掌握用步冷曲线法测绘PbSn二组分金属固液平衡相图的原理和方法。

（2）　掌握热分析法的测量技术及相图加热装置的使用方法。

二、实验原理

用来表示多相体系的温度、压力与体系中各组分的状态、组成之间关系的平面图形称为相图。二组分固液相图是描述体系温度与二组分组成之间关系的图形。由于固液相变体系属凝聚体系，一般视为不受压力影响，因此在绘制相图时不考虑压力因素。

若二组分体系的两个组分在固相完全不溶，在液相可完全互溶，一般具有简单低共熔点，其相图具有比较简单的形式。根据相律，对于具有简单低共熔点的二组分体系，其相图可分为三个区域，即液相区、固液共存区和固相区。绘制相图时，根据不同组成样品的相变温度（即凝固点）绘制出这三个区域的交界线——液相线，即图216（b）中的T1E和T2E，并找出低共熔点E所处的温度和液相组成。

步冷曲线法又称热分析法，是绘制相图的基本方法之一。它是将某种组成的样品加热至全部熔融，再均速冷却，测定冷却过程中样品的温度–时间关系，即步冷曲线。根据步冷曲线上的温度转折点获得该组成的相变点温度。

步冷曲线有三种形式，分别如图216（a）中的a、b和c三条曲线。a曲线是纯物质A的步冷曲线。在冷却过程中，当体系温度到达A物质凝固点时，开始析出固体，所释放的熔化热抵消了体系的散热，使步冷曲线上出现一个平台，平台的温度即为A物质的凝固点。纯B步冷曲线e的形状与此相似。

图216步冷曲线

b曲线是由主要为A物质但含有少量B物质样品的步冷曲线。由于含有B物质，使得凝固点下降，在低于纯A凝固点的某一温度开始析出固体A，但由于固体析出后使得B的浓度升高，凝固点进一步下降，所以曲线产生了一个转折，直到当液态组成为低共熔点组成时，A、B共同析出，释放较多熔化热，使得曲线上又出现平台。如果液相中B组分含量比共熔点处B的含量高，则步冷曲线形状与此相同，只是先析出纯B，如图中曲线d。

c曲线是当样品组成等于低共熔点组成时的步冷曲线。形状与A相同，但在平台处A、B同时析出。

配制一系列不同组成的样品，测定步冷曲线，找出转折点温度及平台温度，将温度与组成关系绘制在坐标系中，连接各点，即得二组分固液相图。

对于本实验所测定的铅锡体系，由于两种金属的固相在一定条件下能够形成合金，属于部分互溶固**系。部分互溶固**系相图与具有简单低共熔点的二组分相图相比，多了一个或两个固溶区（又称合金区），如图217所示。

图217铅锡固液相图

从相图上可以看出，铅锡固液相图，同样具有液相区、固相区和固液共存区，但在两侧还各有一个固溶区。左侧以铅为主要成分的固溶区称为α区，右侧以锡为主要成分的固溶区称为β区。

当某一组分的体系温度从液相区下降至液相线时，开始析出的固体并非单纯的Pb或Sn，而是同时会析出α区或β区所对应的固溶体，其组成会沿ab线或fg线变化。但液相组成仍会沿液相线下降，并最后降至低共熔点。当液相完全干涸时，合金相的组成将沿bc线和gh线变化。由于体系温度仍沿液相线改变，因此，采用步冷曲线法无法测出b、g、c、h各点，也无法进一步绘制出完整的相图，而只能绘制出与固相互不相溶的简单二组分固液相图类似的图形。合金区的存在及abc、fgh曲线的绘制，可利用金相显微镜、X射线衍射及化学分析等手段进行推测。

利用本实验数据绘制相图时，请根据文献值补充合金区数据，绘制出完整的相图。

某些体系在析出固体时，会出现“过冷”现象，即温度到达凝固点时不发生结晶，当温度到达凝固点以下几度时才出现结晶，出现结晶后，体系的温度又回到凝固点。在绘制步冷曲线时，会出现一个下凹。在确定凝固点温度时，应以折线或平台作趋势线，获得较为合理的凝固点，如图218所示。

图218过冷现象

三、仪器与试剂

仪器：JX3D金属相图实验装置，电子分析天平。

试剂：铅粒，锡粒，石墨粉。

四、实验步骤

1.　配制样品

分别配制含铅量为100%、80%、60%、38.1%、20%、0%的铅锡混合物100g，装入6个样品管中。样品上覆盖一层石墨粉以防止加热时金属氧化。

2.　仪器的安装

将加热装置与控温装置连接好，把测温探头插入到样品管中，加热装置上的加热控温开关拨到“1档”。打开冷却风扇开关，注意风扇是否转动正常。

3.　测量样品的步冷曲线

打开加热装置和控温装置的电源，设置升温值为380℃，按“温度切换”按钮共5次，直至控温装置上的1～4号灯全部显示为亮灯后再一起熄灭，接着按次序从1号灯开始，自动巡检到4号灯亮，重复显示巡检温度状态。按“加热”按钮，加热装置开始升温。

当温度升到最高温度，仪器自动停止加热时，保持五分钟使样品熔解完全。以测定样品冷却时的实际温度。当温度显示灯号达到所要求的温度测量范围时，开始记录控温装置上的显示温度，控温装置上的巡检频率与时间记录按钮保持一致。当温度下降到160℃以下时，停止记录。

按照同样的步骤，测定不同组成金属混合物的温度时间曲线。

五、注意事项

1．　金属相图实验加热装置温度较高，实验过程中不要接触样品管和温度探头，以防烫伤。开启加热按钮后，操作人员不要离开，防止出现意外事故。

2．　实验炉加热时，温升有一定的惯性，控温显示温度即探头温度可能会超过380℃，但如果发现炉体温度超过420℃还在上升，应立即按停加热按钮，防止温度过高，对温度探头产生损坏。在温度显示下降过程中，转入测量步冷曲线的实验过程。

六、数据记录与处理

本实验记录各样品冷却时的温度时间关系。

将实验数据输入计算机，绘制温度时间曲线，找出各不同组成的步冷曲线上的转折点温度和平台温度。以质量百分数为横坐标，温度为纵坐标，绘制合金相图，根据文献值补齐合金区数据，绘制出完整的铅锡二组分相图，并在相图上标示出各区域的相数、自由度数和意义。

七、思考题

（1）　试用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因。

（2）　步冷曲线上各段的斜率及水平段的长短与哪些因素有关？

（3）　是否能用加热熔融的方法获得相变温度并制作相图？