实验五 二元合金相图
一、目的要求
1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。
2.了解热分析法的测量技术。
二、基本原理
相图是多相(二相或二相相以上)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情况(相的数目及性质等)，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什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。
图4.1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线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。
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(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将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。若图4.2是图4.1中组成为P的体系的步冷曲线，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，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。
图4.1 A-B体系相图 图4.2 步冷曲线
从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下：
⑴ 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。若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。
⑵ 测定时被测体系的组成值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各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。
⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，测温探头必须深入到被测体系的足够深度处。
本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY数字控温仪，通过KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。
三、仪器和药品
1.仪器
SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台；样品管一只。
2.药品
铅(CP)；锡(CP)。
四、实验步骤
（一）、步骤
1.如图4.3实验装置所示连接实验仪器。
图4.3 步冷曲线测量实验装置示意图
2.测定被研究体系的步冷曲线
⑴ 配制样品
用感量为0.1克的台称分别配制含锡量为20％、40％、61.9％、80%的铅—锡混合物各100克，另外称纯铅100克，纯锡80克，分别放在6个硬质破璃样品管中。
⑵ 依次测锡、铅以及含锡61.9％、80％、40％、20％等样品的步冷曲线。将样品管放在加热电炉中，让样品熔化(在样品上方覆盖一层石墨粉，以防止样品氧化)，加热方法见KWL-08可控升降温电炉使用方法和SWKY数字控温仪操作步骤。样品的温度不宜升得太高，一般在样品全部熔化后，再升高30℃左右即可(如升得太高，样品易氧化变质，而且将增加冷却时间；如太低，则不能明显地测得转折点)。将KWL-08可控升降温电炉的冷风量调节逆时针旋转到底（最小），加热量调节顺时针旋转到底（最大），“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源“开”“关”置于“开”。采用SWKY数字控温仪控温时，由于玻璃试样料管内温度较炉膛内温度的滞后性，故当设置完成进行加热时，必须将温度传感器置于炉膛内。系统需降温时，再将温度传感器置于玻璃试样料管内（注意：当温度离设置温度30℃左右时，将加热量调节逆时针旋转减少加热电压，降低加热速度）。样品全部熔化后，电源“开”“关”置于“关”，让其缓慢冷却，每隔30秒钟或一分钟记录一次温度，直到步冷曲线的水平部分以下为止。
（二）、实验注意事项
1.实验中要注意控制升温熔化和降温冷却的速度。
2.每次实验要保证样品完全熔化，熔化完以后还要使温度升高30℃左右。
3.冷却时间要充分，直到温度下降到步冷曲线水平部分以下为止。
4.实验中保证样品不被影响物污染。
五、原始数据
锡含量 20% 40% 61.9% 80%
时间/min 温度/
六、数据处理
1.作各样品在冷却时，温度读数随时间的步冷曲线。
2.查表确定纯铅和纯锡的熔点。
3.列表表明各样品的组成以及它们在步冷曲线上所有的转折点的温度，并以此作出Pb—Sn相图。
含锡20%
含锡40%
含锡61.9%
含锡80%
七、思考题
1.何为热分析法？用热分析法测绘相图时，应注意哪些问题？
答：热分析法就是将系统缓慢而均匀的冷却（或加热）时，当系统内不发生相变时，则温度将随时间均匀（或线性的）慢慢改变，当系统内发生相变时，由于相变伴随的吸热或放热现象，所以温度—时间图上就会出现转折点或水平线，依次而绘制步冷曲线，从而可以得出共熔物的一些性质方法。
实验注意事项：（1）实验中要注意控制升温熔化和降温冷却的速度。
（2）每次实验要保证样品完全熔化，熔化完以后还要使温度升高30℃左右。（3）冷却时间要充分，直到温度下降到步冷曲线水平部分以下为止。（4） 实验中保证样品不被影响物污染。
2.用相律分析在各条步冷曲线上出现平台的原因。
答：这是由于相变时伴随着吸热或放热现象，在各步冷曲线上就会出现平台。
3.为什么在总质量相同但组成不同的熔融液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？
答：由于Pb-Sn的组成不同，而Pb熔化热和Pb熔化热不同，放热量和吸热量也就不相同，所以最低共熔点的水平线段长度不同。
八、实验总结
这个实验相对来说是最简单的一个实验，待温度达到后仅仅是自然冷却每30s记录温度一次，虽然看似简单，但仍然有一些要注意的，如果实验前老师不给我们讲解装置的传热并要求我们在远低于实验温度的某一刻拔掉插头，待温度完全被温度传感器感触，那么等你让热炉加热到预定温度，那么温度将会远远超过预定温度，对于实验装置有很大影响，同时这个实验我们是分组做，数据处理是集中处理，这也就要求了，每一个组数据要准确，要一起合作，资源共享才行。
第二篇：材料成型综合实验开题报告
材料成型综合及创新实验开题报告
课题名称: 铝镁(ZL301)合金的熔炼及观察
学生姓名: 学号:
结果形式: 研究报告
指导教师:
所在学院: 材料科学与工程学院
专业名称: 材料成型及控制工程
辽宁工程技术大学
20##年1月6日
一、研究的意义
1.发展前景
近十年来，中国镁的产量大幅度增长，据统计，20##年中国镁产量占全球总产量的80%以上，镁的生产工艺逐步成熟、完善，镁的应用开发也取得不小进展，在一些应用领域甚至还出现了与铝竞争的现象。这种情况下，以镁替代铝的话题也不时付出水面，有段时间甚至甚嚣尘上，一度引起社会的广泛关注。
那么镁在未来能否替代铝，镁业分会会长徐晋湘在一次采访中纠正“替代”概念，他表示，镁和铝不存在替代的问题，它俩各自的应用角色与其它材料一样，都是在历史发展过程中逐渐形成的，这些角色可能在某些领域的某段时间出现相互转换，但不是“代替”而是“接替”。从理论上讲，任何材料都有其独有的、别的材料无法替代的性能，人类使用数千年的陶土和木材至今仍不能被别的材料所完全替代，更何况性能极其优越的铝及铝合金材料。角色的定位应是在“正视现实”、着眼发展”的辩证基础上用“两点论”而不能用“一点论”来定义。
从消费量来看，目前全球铝年产消费量超过5000万吨，在人类生活的各个领域都得到了广泛的应用，而全球镁的产量才有区区的80万吨，因此用镁代替铝是不现实的，也不是镁业发展追求的方向，但从市场的角度，镁和铝在某些领域内即便出现一定竞争也是正常的，因镁及镁合金材料各自有其独特的性能优势。
2.铝镁合金的特性
铝镁合金铝板主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。以Mg为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。因本身就是金属，其导热性能和强度尤为突出。铝镁合金质坚量轻、密度低、散热性较好、抗压性较强，能充分满足3C产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求。其硬度是传统塑料机壳的数倍，但重量仅为后者的三分之一。
3. 铝镁合金的应用
电子产品.
通常被用于中高档超薄型或尺寸较小的笔记本的外壳。银白色的铝镁合金外壳可使产品更豪华、美观，易于上色，并且可以通过表面处理工艺变成个性化的粉蓝色和粉红色，为笔记本电脑增色不少，这是工程塑料以及碳纤维所无法比拟的。因而铝镁合金成了便携型笔记本电脑的首选外壳材料，目前大部分厂商的笔记本电脑产品均采用了铝镁合金外壳技术。缺点：铝镁合金并不是很坚固耐磨，成本较高，比较昂贵，而且成型比ABS困难(需要用冲压或者压铸工艺)，所以笔记本电脑一般只把铝镁合金使用在顶盖上，很少有机型用铝镁合金来制造整个机壳。
门窗产品
铝镁合金材质性能出色，强度高，耐腐蚀，持久耐用，易于涂色，用来制作高档门窗.
二、研究的目的
1.根据要求和试验设想查阅资料，制定试验方案，写出开题报告.
2.提高学生综合运用课堂上所学到的知识进行分析问题和解决问题的能力.
3.了解铸造熔炼实验设备的工作原理.
4.掌握实验设备的操作方法，相关仪器的使用及读数方法，并能进行数据处理.
5.通过对铸件性能的测试了解铝镁合金的综合性能.
三、研究的主要内容
1.确定成品铝镁合金的成分并准备实验所需的材料和设备.
2.制定铝镁合金熔炼的工艺步骤,并成功浇筑一件铸件.
3.对浇筑后的铸件进行金相分析及硬度测定.
4.根据所作实验完成开题报告和文献综述.
四、研究方法和手段
学生按所学专业方向根据试验要求或试验设想分组进行实验，通过上网和查阅相关书籍或在指导教师的指导下独立的进行试验方案的制定。并根据试验方案独立的进行设备操作与数据记录及处理.
五、实施研究的步骤
本实验供时一周时间
第1天为实验准备阶段,主要根据自己的兴趣选择研究方向和课题并查阅相关资料
第2至3天为制造合金阶段,主要包括材料用量、成分的计算,材料的准备,合金的熔炼、浇筑成型.
第4天为观察前准备阶段,主要任务是取铸件合金的横截面为研究对象进行磨金相并抛光.
第5天为金相组织观察阶段,对所做合金进行显微组织观察并拍照,如有需要可对合金进一步做硬度测试等检测其性能的实验.
最后完成开题报告及文献综述.
关于铸造铝镁合金（ZL301）文献综述
摘要：通过查阅相关文献，了解铝镁合金的铸造及相关工艺，对研究铝镁合金起指导作用，并论述自己的观点 .
关键词：ZL301铝镁合金；铸造；缺陷；组织；性能
一、引言
铝镁合金铝板主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。以Mg为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。因本身就是金属，其导热性能和强度尤为突出。铝镁合金质坚量轻、密度低、散热性较好、抗压性较强，能充分满足3C产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求。其硬度是传统塑料机壳的数倍，但重量仅为后者的三分之一。
二、ZL301应用前景及国内研究状况：
ZL301合金成分及组织性能：
铝镁二元合金的牌号为ZAlMg10,代号ZL301,成分Mg9.5%～11%,铸态组织由α(Al)+离异共晶Al3Mg2所组成,砂型试棒σb≥280MPa,δs≥9%.由于密度小,比强度比其余铸铝高,因为是单相合金,故抗蚀性高,铸造性能尚好.
ZL301的含镁量高,熔炼时铝夜表面层有MgO组成,对铝夜没有保护作用,必须在溶剂保护下熔炼,熔炼工艺较复杂.另一个缺点是,即使在室温下长期工作也会发生实效过程,沿晶界析出Al3Mg2并不断聚集长大,力学性能明显下降,合金老化,抗蚀性随之降低.当工作温度超过100℃时,老化过程加速,故工作温度不允许超过100℃,也不作人工时效处理,只进行固溶处理.ZL301的壁厚效应大,密度小,需采用大尺寸冒口,成品率低,故使用受到一定限制.
镁是常用金属结构材料中最轻的一种，熔点650"C和铝的熔点差不多，但密度是铝的2／3。镁的化学活性很强，燃点低(520"C左右，低于熔点)在空气中易氧化，尤其在高温时，氧化反应放出的热量不能及时散失，很容易起火燃烧．镁中添加铝、锌、锰、稀土元素构成了镁合金，密度通常为1．75．1．859／cm3，比强度、比刚度均比铝高，切削加工性能好，能进行高速切削，承受冲击载荷的能力强，有很好的阻尼性能，尺寸稳定性较好．铝镁合金虽然铸造性能不如铝硅合金，但是，由于其综合力学性能优异，抗腐蚀性能好，以及加工后表面光亮而越来越受到机械设计人员的青睐。
ZL301用作在潮湿空气或海水中工作的承受冲击载荷的零件,如发动机的机匣、飞机起落架零件、船用舷窗等.
ZL301的切削性能很好,工件的表面光洁程度高,表面经抛光后,光亮如镜,且能较长期保持原来的光泽,添加微量稀土能稳定其性能,称为“光亮铝合金”,可用作装饰零件.
ZL301合金具有优良的耐腐蚀性能，在硫化氰酸铝、弱碱溶液、海水中耐蚀性比纯铝和其他铝合金高。在硝酸铵、氨、氢氧化钙、明矾、过氧化氢、硫化氢、硫化铵、硫化钾、碳酸铵、碳酸钾、碳酸镁等溶液中(20℃)以及在潮湿的大气中，具有与纯铝相近
国内研究概况：
国内各大汽车集团都建立自己的铝、镁合金生产基地与产品开发项目。铝、镁合金材料生产研究单位形成并发展了轻合金的压铸、半固态铸造、低压铸造、挤压、轧制、热冲成形、热锻、热冲锻、等温锻造、超塑成形技术。近年来发展成功或正在研制的新型铝合金及技术。我国的ZL205A，抗拉强度为510 MPa，延伸率可达13％。北京航空材料研究院研制出一种与ZL205A成份相近、韧性特别好的铸造铝合金，其延伸率达19%~23%，冲击韧性为ak181~304KJ/m2。
Al-Mg二元相图铝角:
三、ZL301组织金相相图：
（取样、粗磨、细磨、抛光、浸蚀、清洗、显微镜观察拍照）侵蚀剂为氢氟酸
组织由α（Al）+离异共晶Al3Mg2所组成.当有杂质铁存在时,晶界上有少量的Al3Fe.经固溶处理后, Al3Mg2溶入α（Al）中, Al3Fe继续存在.
四、实验原料的配比与计算
纯铝Al:281g 铝的烧损率5% 预得到代号ZAlMg10的合金,镁的含量在10%左右.
纯镁Mg:((281X(1-5%)/0.9X10%)/(1-20%)=37g
Al+Mg=281+37=318g
精炼剂m:318X0.5%=1.6g
五、铝镁合金的熔炼工艺
ZL301合金熔炼工艺的要点是:
熔炼该合金时不宜采用石墨坩埚或反射炉，熔炼温度不超过700℃，铝液始终在覆盖剂下熔炼，待铝锭熔化后加Mg ，使Mg浸入铝液里，防止Mg氧化烧损。本实验选择的铸造方法为金属型铸造.
ZL301合金熔炼工艺步骤:
1.将坩埚电阻炉加热至750℃,并保温半小时.同时将焙烧好的坩埚随炉加热.
2.将坩埚取出同时将准备好的脱模剂均匀地涂抹在坩埚和金属型的内壁,然后将金属型与坩埚放入烘干炉中烘干,注意烘干要充分,否则在熔炼的过程中可能引起炸锅.
3.先将纯铝加入到预热好的坩埚中,然后放到坩埚电阻炉中等待其熔化.
4.将纯镁加入到坩埚中使镁浸入到铝液中,加入覆盖剂盖住整个液面.
5.将炉温降至720℃,继续放入坩埚电阻炉中加热,保温5到10分钟.
6.加入六氯乙烷C2Cl6进行精炼除气并搅拌,保温5到10分钟.
7.待合金熔炼充分,将坩埚取出迅速扒渣然后浇注到预热好的模具中.
六、参考文献
[1] 陆文华，李隆盛，黄良余。《铸造合金及其熔炼》 机械工业出版社 2013,1
[2] 崔忠圻，刘北兴。《金属学与热处理原理》 哈尔滨工业大学出版社
[3] 《热加工工艺》 中国船舶重工集团热加工工艺研究所;中国造船工程学会船舶材料学术委员会，出版地：陕西省兴平市
[4] 《特种铸造及有色合金》 中国机械工程协会铸选分会 出版地：湖北省武汉市 1988年底5期
[5] 刘庄，吴肇基，吴景之，张毅. 《热处理过程的数值模拟》. 北京: 科学出版社，1996.10.
[6] 潘健生，胡明娟，张伟民，阮东，田东. 《我国热处理计算机模拟研究与应用进展. 热处理》.1999，(1)：1-8.
[7] 潘健生，胡明娟. 《计算机模拟与热处理智能化. 金属热处理》.1998.7
[8] 铸造工程师手册编写组. 《铸造工程师手册》. 北京:机械工业出版社,1997.12.