实验 二组分金属相图的绘制.

二组分固---液相图的绘制

一、实验目的

1.学会用热分析法测绘Sn—Bi二组分金属相图。 2.了解热分析法测量技术。

3.掌握SWKY数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。

二、预习要求

了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

三、实验原理

测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。

二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。

L

A+L

A+B

B+L

平台

拐点：相变温度

图1 根据步冷曲线绘制相图

拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低 共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。

用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足

够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2。遇此情况，可延长DC线与AB线相交，交点E即为转折点。

图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。 当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。若图III-5-4中的步冷曲线为图III-5-5中总组成为P的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G点，为纯固相开始析出的状态。水平段3~4相当于相图中H点，即低共熔物凝固的过程。因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷

《物理化学实验》 ：王敦青 第三部分：实验

却曲线就可以绘制出完整的二组分固液平衡相图。

四、仪器药品 1.仪器

硬质玻璃样品管（石英管），3个 数字温度计（SWJ-IB） 1个 SWKY数字控温仪，1个 托盘天平 1台 KWL-08可控升降温电炉 1台 炉膛保护筒 1个

2.药品 Sn(化学纯，熔点232℃=505k)； Bi(化学纯，熔点271℃=544k)；石腊油

A

1TTTD

234GH5B %t

图2 有过冷现象时的步冷曲线图 图3 步冷曲线 图4两组分金属固液相图

0P100

五、实验步骤 1.样品配制

用感量0.1g的台称分别称取一定量的纯Sn、纯Bi，配制含锡25%（纯Sn10g、纯Bi30g）、50%（纯Sn、纯Bi各20g）、75%（纯Sn30g、纯Bi10g）的铋锡混合物共40g，分别混合均匀，装入3个硬质玻璃样品管内,加入适量石蜡油（约3克）,以将金属全部覆盖且以防止金属加热过程中接触空气而氧化。 。

2. 连接仪器

将测量仪器连接好。

将SWKY数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉连接好，接通电源。将电炉置于外控状态。

3. 测量样品的步冷曲线

分别测定三种样品的步冷曲线

（1）把不锈钢炉膛保护筒放进炉膛内，然后把料管和传感器（PT100）放在保护筒内。SWKY数字控温仪置于“置数”状态，设定温度为320C（参考值），再将控温仪置于“工作”状态。“加热量调节”旋钮顺时针调至最大，使样品熔化。 （2）待温度达到设定温度后，保持2-3分钟，再将传感器取出并插入玻璃试管中。 （3）将数字控温仪置于“置数”状态，“加热量调节”旋钮逆时针调至零，停止加热。电炉置于内控状态。调节“冷风量调节”旋钮（电压调至6-8 V左右），使冷却速度保持在6C/min—8/min，设置控温仪的定时间隔，30秒记录温度一次，当温度降至230--220C，可将“冷风量调节”旋钮（电压调至3-4 V左右），使冷却速度保持在3C/min—4C /min，直到步冷曲线平台以后，降温至100C, 结束一组数据，得出该配比样品的步冷曲线数据。

（4）重复（1）--（3）。一次测出所配各个样品的步冷曲线数据。

（5）根据所测数据，绘出相应的步冷曲线图。在进行Sn、Bi二组分体系相图的绘制。注出相图中各区域的相平衡。

六、数据记录和处理

0 % 25 % 75 % 100 % 1

《物理化学实验》 ：王敦青 第三部分：实验

T t T t T t T t 数据处理：

1.根据表1作温度（T）—时间（t）的曲线（步冷曲线图）。 2.找出各步冷曲线中拐点和平台对应的温度值。

3.查出各拐点温度和平台温度和已知纯Bi、纯Sn的熔点，以温度为纵坐标，以质量百分数为横坐标，绘出Sn—Bi合金相图。从相图中找出低共熔点的温度和低共熔混合物的成分。

七、注意事项

1.用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度过高样品易氧化变质,石蜡油也易炭化,一般不超过金属的熔点的30～50℃;温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。

2.冷却速度不宜过快,以防步冷曲线转折点不明显.

3.在体系冷却过程中总组成不能发生变化，要防止挥发、氧化、或熔入其它杂质等。 4.加热时 ，将传感器置于炉膛内；冷却时，将传感器放入玻璃试管中，以防温度过冲。 【思考问题】

1. 试用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因。

2. 何谓步冷曲线法？用步冷曲线法测绘相图时，应注意哪些问题？

3. 为什么在不同组分的融熔液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？ 4. 作相图还有哪些方法?

5.步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔物及合金等的转折点各有几个?曲线形状有何不同?为什么?

6.通常认为，体系发生相变时的热效应很小，则用热分折法很难测得确准相图，为什么? 在25%和75%的二样品的步冷曲线中的第一个转折点哪个明显? 为什么?

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