二组分金属固液相图的绘制

专业：材料化学学号：080240008实验人：胡文想同实验人：李会勇实验名称：物化实验气压：101.325Kpa温度：25℃二组分金属固液相图的绘制实验目的掌握热分析法（步冷曲线法）测绘Bi-Sn二组分固-液相图的原理和方法。了解简单二组分固-液相图的特点。掌握KWL-07可控升降温电炉及SWKY-Ⅲ数字控温仪的使用方法。实验原理热分析法则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系，这是绘制金属相图最常用的实验方法。其原理是将系统加热熔融，然后使其缓慢而均匀地冷却，每隔一定时间记录一次温度，绘制温度与时间关系曲线——步冷曲线。若系统在均匀冷却过程中无相变化，其温度将随时间均匀下降。若系统在均匀冷却过程中有相变化，由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。二组分系统相图有多种类型，其步冷曲线也各不相同，但对于简单二组分凝聚系统，其步冷曲线有三种类型，见图II-7-1。图II-7-1生成简单低共熔混合物的二组分系统图II-7-1A为纯物质的步冷曲线。冷却过程中无相变发生时，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有固体析出，建立单组分两相平衡，f=0，温度不变，步冷曲线出现水平段bc，直至液体全部凝固(c点)，温度又继续均匀下降。水平段所对应的温度为纯凝固点。图II-7-1B为二组分混合物的步冷曲线。冷却过程中无相变发生，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有一种固体析出，随着该固体析出，液相组成不断变化，凝固点逐渐降低，到c点，两种固体同时析出，固液相组成不变，系统建立三相平衡，此时f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段cd，当液体全部凝固(d点)，温度又继续均匀下降。水平段cd所对应的温度为二组分的低共熔点温度。图II-7-1c为二组分低共熔混合物的步冷曲线。冷却过程中无相变发生，系统温度随时间均匀降低，至b点，两种固体按液相组成同时析出，系统建立三相平衡，f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段bc，当液体全部凝固（c点），温度又继续均匀降低。由于冷却过程中常常发生过冷现象，其步冷曲线如图II-7-1虚线所示。轻微过冷有利于测量相变温度；严重过冷，却会使相变温度难以确定。图II-7-1生成简单低共熔混合物的二组分系统一横坐标表示混合物的组成，纵坐标表示温度，利用不冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，就可以绘制相图，见图II-7-2。仪器与试计KWL-07可控升降温电炉1台不锈钢样品管5只SWKY-Ⅲ数字控温仪1台钳子1把已配置好的Bi和Sn混合物实验步骤 连接数字控温仪和可控升降温电炉，接通电源。由于本仪器可同时测量份样品，样品搭配为1号（0%的Bi）和3号（58%的Bi）,2号（30%的Bi）和4号（80%的Bi），最后测5号（100%的Bi）。先取1号和3号样品管放至控温区电炉的两炉膛，传感器1置于传感器插孔测炉温，传感器2置于任一样品管测样品温度。打开数字控温仪的开关，设定温度，一般为样品全部熔化后再升高50℃为宜。设好后，将控温仪调制工作状态，控温区电炉开始加热，在样品熔化的过程中，同时对试样进行搅拌，待样品完全熔化后，打开电炉电源开关，调节“加热量调节”旋钮对测温区电炉进行补热，补热大小为比转折点或平台所对应的温度低50℃。补热合适时，关闭“加热量调节”，用钳子将熔化好的样品管小心移至测温去炉膛，并将两只传感器1和2插入样品管中，记住两支传管器所对应的样品组成，同时将下面要测的2号和4号样品管置于加热区炉膛，进行预热。按下控温仪上的“工作/置数”键，置数灯亮，设置时间为30s，设置完毕后按下“加热控制”键，此时控制灯，置数灯同时亮，仪器处于跟踪测量状态，控温区电炉不再加热。让其在自燃状态下冷却。当体系温度处于稳定的下降趋势时，开始记录数据。1号样品管的温度降到250℃开始记录数据，2号是220℃，3号是180℃，4号是230℃，5号为300℃。1号和3号样品测完后，换预热的2号和4号样品，最后是5号样品，重复以上操作，依次测出所配样品的不冷曲线数据。实验完毕后，将样品管放入实验试管摆放区进行冷却，最后关闭电源，整理试验台。注意事项用热分析法绘制相图时，被测体系必须时时处于或接近于相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的效果，尽量采用自然冷却的方法。用电炉加热使样品熔化时，注意温度适当，温度过高样品易氧化变质，温度过低或加热时间不够则样品没有完全熔化，不冷曲线转折点则部出现。熔融样品应该搅拌。在侧一组样品时，可将另一组样品放入加热炉内进行预热，以便节约时间。由于炉温过高，移动样品时要注意使用钳子，且不要接触控温炉上的金属面板，以防烫伤。当体系处于冷却测量状态时，需控制灯，置数灯同时亮，工作灯不亮，否则会影响测量结果。样品上要撒一层石墨粉或松香，以防金属氧化。数据记录与处理t/s0306090120150180210240270300T/℃259.9248.8237.9232.6231.2230.7230.4230.3230.2230.2230.1t/s330360390420450480510540570600T/℃229.9229.8229.6229.2228.7227.9226.4220.9213.3205.3t/s0153045607590105120135150165180T/℃211.6206.5201.9197.8195.7195194.7194.2193.7193192.2191.4190.5t/s195210225240255270285300315330345360375T/℃189.5188.6187.5186.6185.5184.3183.1182180.8179.6178.3177175.5t/s390405420435450465480495510525540555570T/℃174.3173171.6170.2168.7167.3166164.6163.1161.7160.3158.9157.5t/s585600615630645660675690705720735750765T/℃156.2155153.5152.1150.8149.4148.2147146146.2146.3146.4146.5t/s780795810825840855870885900915930945960T/℃146.5146.5146.5146.5146.5146.4146.2146145.7145.4144.8144143t/s97599010051020103510501065108010951110112511401155T/℃141.6140.1138.5137135.4133.9132.4131129.5128126.6125.3123.9t/s11701185T/℃122.7121.4t/s0306090120150180210240270300330360390420450T/℃180.9172.8165.6158.8152.6146.9141.5136.6133.2132.8133.6133.9134.1134.3134.4134.4t/s480510540570600630660690720750780810840870900930T/℃134.4134.4134.3134.3134.2134.1134133.9133.8133.7133.6133.5133.5133.2133132.8t/s96099010201050108011101140117012001230126012901320T/℃132.3132131.6131.3130.8130.2129.5128.5127124.7121.7118.7115.8t/s0153045607590105120135150165180195210225T/℃248.6229.2220.9213.2206.9201.4198.2196.3195193.8192.7191.9190.5188.9187.3185.5t/s240255270285300315330345360375390405420435450465T/℃183.7182180.2178.3176.5174.7172.8170.8168.9167165.1163.1161.2159.1157.2155.4t/s480495510525540555570585600615630645660675690705T/℃153.4151.6149.7147.7145.8144142.3140.5138.8137.3136.2135.7135.6135.5135.4135.3t/s720735750765780795810825840855870885900915930945T/℃135.2135134.8134.7134.5134.3134.2134133.8133.6133.2132.9132.4132.1131.6131.2t/s960975990100510201035105010651080109511101125114011551170T/℃130.7130.2129.7129.1128.6127.9127.1126.3125.2123.8122.1120.2118.4116.5114.7t/s0153045607590105120135150165180195210225T/℃298.5291.7285.4279.6274.6271.5269.2267.6266.9267.4268268.4268.5268.6268.6268.6t/s240255270285300315330345360375390405420435450465T/℃268.6268.6268.6268.6268.5268.5268.5268.4268.4268.3268.3268.3268.3268.2268.2268.2t/s480495510525540555570585600615630645660675690705T/℃268.2268.2268.2268.2268.1268268267.9267.7267.5267.3267.1266.9266.5266265.5t/s720735750765780T/℃264.9264.1263.3262.3260.8金属相图问题与讨论二组分金属相图的绘制采用哪些方法？答：溶解度法和步冷曲线法。不冷曲线各段的斜率及水平段的长短与哪些因素有关？答：步冷曲线各段的斜率与金属的物相和组分有关，水平段的长短则由液相释出的凝固热使已析出的固体在低共熔温度维持的时间来决定。为什么步冷曲线上会出现转折点？纯金属，低共熔混合物及合金的转折点各有几个？曲线状态为何不同？答：因为金属熔融系统冷却时，由于金属凝固放热对体系散热发生一个补偿，因而造成冷却曲线上的斜率发生改变，出现折点。纯金属、低共熔金属各出现一个水平段，合金出现一个折点和一个水平段。由于曲线的形状与样品熔点温度和环境温度、样品相变热的多少、保温加热炉的保温性能和样品的数量均有关系，所以样品的步冷曲线是不一样的。对于纯金属和低共熔金属来说只有一个熔点，所以只出现平台。而对于合金来说，先有一种金属析出，然后2种再同时析出，所以会出现一个折点和一个平台。为什么要缓慢冷却合金作步冷曲线？答：使温度变化均匀，接近平衡态。因为被测体系必须时时处于或接近于相平衡状态，才能得到较好的效果。出现过冷现象的原因是什么？此时应如何读取相图转折温度？答：少量固相开始析出，所释放的热量远不足以抵消外界冷却所吸收的热量，体系进一步降低至相变温度以下，这就促使众多的微小晶粒同时形成，温度得以回升。此时应读取温度回升后的水平段的温度。对于含有粗略相等的两组分混合物,步冷曲线上的每一个拐点将很难确定,而其低共熔温度却可以准确测定.相反，对于一个组分含量很少的样品,第一个拐点将