物化实验报告-二组分合金相图

实验6二组分合金相图

姓名曹峻华学号2010011970班级材03同组实验者李琦

实验日期2011-10-21提交报告日期2011.10.27

带实验的老师柳清

1 引言

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；一种是液相完全互溶，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；另一种是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；还有一种是液相完全互溶，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）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2-6-1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2-6-2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。

一般说来，根据步冷曲线即可定出相界，但对于复杂相图还必须有其它方法配合。才能画出相图。

用热分析法（步冷曲线法）绘制相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器及测试装置示意图

药品：Sn（AR）、Bi（AR）、松香、液体石蜡。

仪器：热电偶一支、立式电炉（500W）3个、调压器3个、保温杯1只、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、自动平衡记录仪1台。

2.2 实验条件

气温：20.5℃

大气压：101.14kpa 相对湿度：70％

2.3 实验操作步骤及方法要点

1、配制样品

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）。 2、仪器安装与调整

连接电脑数据记录装置 3、测量样品的步冷曲线

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。 4、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：

1.通过升温曲线判断样品是否熔化，全部熔化后即可停止加热，温度不宜升得过高。 2.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。 3.冷的样品不可放入热的炉子中，以防样品碎裂。

4.搅拌样品时，样品不要脱离电炉时间过长（也可直接在电炉中将样品搅拌均匀），防止样品冷却凝固。

5.注意桌面整洁，不要使电线或信号线与电炉接触。

3、结果与讨论 3.1原始实验数据

实验中用电脑采集数据得到的结果：

样品中Bi的质量分数ω（％） 0 1.0 2.7 5 5.3 8.2 10 11.6 15 15.8 21 30 30 57 80 80 100

拐点温度T（K） 505.15 293.15 313.15 483.15 333.15 353.15 458.15 373.15 435.15 393.15 406.84 400.32 462.35 406.84 461.41 402.06 544.15

课本中给出的补充点数据：

Bi的质量分数ω（％） 拐点温度T（K） 5 15 21 11.6 5.3 1 98.3 98 98.4 483.15 435.15 406.84 373.15 333.15 293.15 473.15 448.15 406.84

3.2计算的数据、结果

绘制出的二组分合金相图如下：

温度（T/K） A B D F G C E

3.3 讨论分析

Bi的质量分数（％） 3.3.1 相图分析

A区域：Bi-Sn合金的液相完全互溶区，在此区域内，两个组分呈现出共溶态，体系为单相；

B区域：Bi-Sn合金的固相与液相混合的固溶物（Ⅰ）与熔化物区，体系为两相； C区域：Bi-Sn合金的固相与液相混合的固溶物（Ⅱ）与熔化物区，体系为两相； D区域：Bi-Sn合金的固溶物（Ⅰ）区，体系为单相； E区域：Bi-Sn合金的固溶物（Ⅱ）区，体系为单相； F线：Bi-Sn的熔液、固溶体α与固溶体β三相共存

G区域：Bi-Sn合金两种固溶物共存区，体系为两相。

下面用相律分析相图：实验时气压可视为恒定，则由于无化学反应发生，Bi-Sn二组分系统的条件自由度为：f =K?Φ +1，

其中：f ：自由度；K ：独立组分数，本实验体系中为2；Φ：相数；

则f = 3 ?Φ，在相图中每一部分应用上式，得：

区域

相数

?组分数C 自由度数f

A B C D E F G

1 2 2 1 1 3 2

2 2 2 2 2 2 2

2 1 1 2 2 0 1

3.3.2 误差分析 实验中测到的步冷曲线转折点都比较明显，说明误差并不大。从图中来看，30％和80％的第二个转折点跟57％时测得的步冷曲线转折点不同，而理论上应该相同，估计误差主要出现在以下几点：

1、步冷曲线测定时并没有采用在电炉中保温降温的方法而是在空气中冷却，可能会使降温速度太快，产生误差。

2、样品在实验前已经反复使用，可能会使内部组分发生一些变化，使测量不准确。 3、温度是通过测定水的沸点来确定的，水中可能会混有杂质使测量不准确。

4、结论

实验测得的Bi-Sn二组分合金相图如下： 温度（T/K）

Bi的质量分数（％） 5、参考文献

1、清华大学化学系物理化学实验编写组．物理化学实验．北京：清华大学出版社，1991．58～66。

2、朱文涛，物理化学（上册）．北京：清华大学出版社，1995．250～251。

3、虞觉奇,易文质等编译，二元合金状态图集．上海：上海科学技术出版社，1997．236。

6、附录

思考题：

1. 为什么能用步冷曲线来确定相界？

答：在发生相转变的时候，系统温度的变化曲线会出现拐点。步冷曲线上拐点的位置

与相转变的温度、组成（相界），存在着对应关系。因此可以用步冷曲线确定相界。 2. 请用相律分析各冷却曲线的形状？

答：如图，a-b段表征液态是的降温过程，液相自由度f=2-1+1=2；b-c段表征液固两相区中的降温过程，自由度f=2-2+1=1；由于析出新相，自由度发生变化，所以b点处出现拐点。c-d段表征共晶过程，在共晶时f=2-1-2+1=0，温度保持恒定，故出现平台。d-e段表征固态时的降温过程。

3. 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A，B的两端分别焊接在一起，保持一个结点（冷端）温度不变，改变另一个接点（测温端）温度，则在线路里会产生相应的热电势。测得热电势，进而即可求得热端温度。

由于测量原理是相对测量法，冷端温度起基准的作用，所以在测温的整个过程中冷端的温度要恒定。

4. 步冷曲线各段的斜率以及平台的长短与哪些因素有关？

答：步冷曲线的斜率表征温度变化的速率，平台长短表征共晶过程进行的快慢，这与体系与环境的温度，体系的热容和热导率，相变情况等因素有关。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9d5.html