实验6 二组分合金相图

实验六二组分合金相图引言实验目的用热分析法（步冷曲线法）测绘Bi-Sn二组分合金相图掌握热电偶测定温度的基本原理和校正方法学会使用计算机记录和处理数据实验原理二组分合金相图人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质组成为自变量，温度为应变量所得到的T－x图是常见的一种相图。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固－液相图多用于冶金、化工等部门。较为简单的二组分金属相图主要有三种：液相完全互溶，凝固后，固相也能完全互溶成固熔体的系统，最典型的为Cu－Ni系统；液相完全互溶而固相完全不互溶的系统，最典型的是Bi－Cd系统；液相完全互溶，而固相部分也互溶的系统，如Pb－Sn系统。本实验研究的Bi－Sn系统就是这一种。在低共熔温度下，Bi在固相Sn中最大溶解度为21％（质量百分数）。热分析法（步冷曲线法）热分析法（步冷曲线法）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，先做步冷曲线，然后根据步冷曲线作图。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（如图6.1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，步冷曲线上出现转折（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，可根据它的步冷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）。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图6.2所示。严格地讲，Bi－Sn合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，无法测得固熔体相界数据，所以，我们通过本实验得到的是Bi－Sn二元合金的简化相图。图6.2图图6.2图6.1实验操作实验用品热电偶一支（铜—康铜）、CK-1（A）型温度测量控制仪，立式电炉（500W）3个、TT-1型调压器3个、硬质玻璃试管5个、热电偶套管（一端封死的细玻璃管）5支、沸点仪一套、计算机接口，计算机。纯Bi，30%Bi，57%Bi，80%Bi，纯Sn样品若干份。实验环境室温：19.5℃，气压：102.43kPa实验步骤绘制样品分别配制含Bi为30％、57％、80％（均为质量百分比）的Bi－Sn混合物各50g。另外称纯Bi、纯Sn各50g，分别装入5个硬质玻璃试管。管内加少量松香，以防金属氧化。插入热电偶套管于样品中部，热电偶套管中加入少量液体石蜡（用于导热，防止热电偶的热滞后现象）。连接仪器将热电偶插入玻璃试管中，并与温度控制仪相连，温度控制仪输出信号经计算机接口输入计算机中加热样品本实验所用的三个电炉，两个作为熔融样品的电炉，一个作为记录步冷曲线时的保温电炉。将制作好的样品放入立式小电炉内，接通电源，样品熔化后用热电偶套管将金属样品搅拌均匀，迅速放入保温电炉。对于纯金属样品保温电压约30～40V，合金样品保温电压约为10～20V。调整好热电偶套管位置（位于金属样品中下部），打开记录仪开始记录冷却曲线.加热下一个样品时应使用另外一个熔融电炉，两个电炉交替使用，待电炉温度降到接近室温时才可再次使用。测量水的沸点、将热电偶热端插入沸点仪的气液喷口处，测水的沸点，作为标定热电偶温度值的一个定点。沸点仪加热电压控制在30V左右。注意事项样品加热初期电压不宜高过10V，熔化后可加大电压，57%Bi的样品加热到250度以上，其余加热到300度以上。为了准确测定相变点，必须将热电偶放在熔融体中下部，同时搅拌均匀。冷的样品不可放入热的炉子中，以防样品碎裂。搅拌样品时，样品不要脱离电炉时间不长（也可直接在电炉中将样品搅拌均匀），防止样品冷却凝固。不要是电线或信号线与电炉接触。结果与讨论原始数据纯Sn30%Bi57%Bi80%Bi纯Bi数据处理Bi质量分数（%）01.02.75.38.211.615.821305780100温度（K）231.89293.15313.15333.15353.15373.15393.15407.51400.63407.51409.57271.3Bi质量分数（%）0510152130温度（K）505.15483.15458.15435.15407.51400.63Bi质量分数（%）0305780100温度（K）505.15456.81407.51524.17524.17相图如下：实验结论根据所测数据及已知数据可画出相图参考文献贺德华麻英张连庆。基础物理实验化学。北京：清华大学出版社。2008年附录思考题为什么能用步冷曲线确定相界？答：步冷曲线斜率突变点是相变的温度，相变时放出温度，使曲线斜率发生改变，在平台出温度不变，可以确定熔点。热电偶测量温度的原理是什么?为什么要保持冷端温度恒定？答：将两种金属导线A与B的两端分别接合在一起，保持其中一端接点的温度T0不变，改变另一端接点的温度T，则因为电子的扩散速度不同，会产生环路中电势的差异，通过电子分析器接收电势的差异，从而可以获得关于温度差的信号与数据。当测量端的温度改变后，势电势也随之改变，并且温度和热电势之间有一固定的函数关系，利用这个关系就可以测