镓锡合金相变特性的DSC测试分析

3.3.3.1　镓锡合金相图

图3-36所示为镓锡合金的相图，其横坐标为锡的原子百分比。同镓铟合金一样，镓锡合金也是共晶合金，其共晶成分为7.7 at.%Sn，折算成质量百分比是12.44 wt.%Sn，共晶温度为293.8 K，即20.7℃。因为少量的镓原子可以溶入锡晶体的晶格中形成金属固溶体，而锡原子很难溶入镓的晶格中，所以图中右端存在固溶线而左端没有。镓锡合金在共晶点的结晶和熔化相变如下：

图3-36　镓锡合金相图［15］

相变潜热为5 911.0 J／mol，即80.45 J／g。其中，A11为α-Ga晶体，bct为锡固溶体，其组成为Ga7Sn93。锡固溶体的质量百分比为95.77 wt.%Sn，根据杠杆定律，镓锡合金发生共晶相变时，所生成两种晶体的质量百分比分别为：

与镓铟合金不同的是，镓锡合金相图中除了存在共晶转变，还存在共析转变。所谓共析转变，是指一定成分的固相在恒温下转变为两个不同固相的过程。共析转变与共晶转变的相图特征十分相似，区别仅在于共析转变的反应相是固相而共晶转变的反应相是液相，如镓锡相图中右下角所示。镓锡合金共析点的成分为96.0 at.%Sn，温度为1.1℃，其在共析点的相变如下：

相变潜热为2 287.0 J／mol，其中A4为锡的晶体。

3.3.3.2　镓锡合金相变特性的DSC测试

如下给出了镓锡共晶合金（EGaSn）、Ga95Sn5亚共晶合金以及Ga80Sn20过共晶合金的DSC曲线［2］，表3-4列出了3种合金的液相线温度以及匀晶相变和共晶相变的相对量。

表3-4　镓锡合金的液相线温度及匀晶、共晶相变相对量(www.xing528.com)

图3-37所示为EGaSn合金的DSC曲线，样品的质量为12.40 mg，升降温速率为10 K／min。从图中可以看出，样品在降温过程中形成两个放热峰，其中peakⅠ的峰温为-9.7℃，其峰形平缓、开阔，峰高和峰面积都很小，对应于合金的共晶结晶过程；peakⅡ的峰温为-22.7℃，其峰形尖锐，峰高和峰面积都很大，占合金结晶相变的主要部分，对应于合金的共晶结晶过程。测得合金总的结晶潜热为76.59 J／g。之所以图中存在两个结晶峰，是因为合金的实际成分略微偏离共晶成分，这是在配制合金的过程中，由人为操作和仪器测量误差所造成的。此外，两结晶峰的峰温接近，都远小于共晶温度20.70℃，说明合金的匀晶相变也能达到较大的过冷度，应为析出α-Ga晶体的结晶相变，该合金实际为亚共晶合金。

图3-37　EGaSn合金的DSC曲线

从升温曲线来看，该合金的熔化峰和纯金属的相似，比较符合共晶合金的特征。尽管实际上合金中存在匀晶组织，但是其量很少，其非一致性熔化相变在熔化峰中几乎没有体现。测得合金的起始熔化温度为20.4℃，总熔化焓为80.29 J／g，与理论值都十分接近。

图3-38所示为Ga95Sn5亚共晶合金的DSC曲线，样品质量为12.45 mg，升降温速率为10 K／min。从图中可以看出，样品在降温过程中只形成一个尖锐的放热峰，这是因为，镓锡亚共晶合金在匀晶相变中生成α-Ga晶体，该结晶相变能达到较大的过冷度，从而出现与共晶结晶完全重叠的情况［2］。测得合金的结晶温度为-33.5℃，总的结晶潜热为78.84 J／g。从升温曲线来看，Ga95Sn5合金的熔化峰和纯金属的明显不同，在其左侧的上升曲线中存在一个拐点。这是因为，Ga95Sn5合金的匀晶组织占合金总量的59.8%，相对较大，因而其非一致性熔化相变对合金熔化曲线的形成有较大影响，使得熔化峰产生变形。测得合金的起始熔化温度为21.4℃，熔化焓为83.66 J／g。锡的熔化焓为60.5 J／g，镓的熔化焓为80.0 J／g，Ga95Sn5合金的总熔化焓比两者都高，这是因为液态金属的混合是一个吸热过程。

图3-38　Ga95Sn5合金的DSC曲线

图3-39所示为Ga80Sn20过共晶合金的DSC曲线，样品的质量为20.72 mg，升降温速率为10 K／min。从图中可以看出，样品在降温过程中形成两个放热峰，其中peakⅠ的峰温为8.5℃，其峰高和峰面积都较小，对应于锡固溶体的析出过程；peakⅡ的峰温为-17.9℃，其峰形尖锐，峰高和峰面积都很大，占合金结晶相变的主要部分，对应于合金的共晶相变。因为Ga80Sn20合金的液相线温度高达44.0℃，而且析出锡固溶体的结晶相变所能达到的过冷度较小，所以合金匀晶结晶峰的峰温较高，两结晶峰之间产生较大分离。测得合金总的结晶潜热为74.34 J／g。

图3-39　Ga80Sn20合金的DSC曲线

从升温曲线来看，该合金样品的熔化峰和纯金属的接近，这是因为Ga80Sn20合金的匀晶组织只占合金总量的9.1%，相对较少，因而其非一致性熔化相变在熔化曲线中几乎没有体现。测得合金的起始熔化温度为20.5℃，总熔化焓为77.48 J／g。