物化实验报告-合金相图.pdf

物化实验报告 二组分合金相图二组分合金相图 实验者：黄浩 2011011743 分 1 同组实验者：李奕 实验日期：2013-9-28 提交报告日期：2013-10-1 实验老师：吉岩 1. 引言引言 1.1 实验实验目的目的 a.用热分析法（步冷曲线法）测绘Bi－Sn 二组分金属相图 b.掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法 c.学会使用自动平衡记录仪 1.2 实验原理实验原理 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） 物化实验报告 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. 实验操作实验操作 2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图实验药品、仪器型号及测试装置示意图 药品： 纯 Sn， 纯 Bi， 质量分数为 30%、 57%和 80%的 Bi-Sn 混合物， 松香、 液体石蜡 仪器： 热电偶 1 个、 立式电炉 2 个、 调压器 2 个、 陶瓷套管 5 个、 硬质玻璃试管 5 个、套管架 1 个、热电偶套管 5 支、沸点仪一套、自动平衡记录仪 1 台、计算机 1 台 测试装置示意图： 2.2 实验条件实验条件 温度：20.7℃ 绝对气压：100.36kpa 物化实验报告 2.3 实验操作步骤及方法要点实验操作步骤及方法要点 2.3.1 配制样品： 在实验前，样品已经由老师配好，套管等也已经安装到位。

2.3.2 仪器安装与调整： 实验前，实验老师已经调整完毕 2.3.3 测量样品的步冷曲线： 本实验所用的两个电炉， 都可作为熔融样品的电炉， 但需注意， 不能将冷样品放入热电炉中，也不要将样品在电炉中加热时间太长，否则温度太高会使得降温困难 将样品放入小电炉内， 旋动旋钮、 缓慢升温， 待听到电炉的“嚓嚓”声后， 停止旋动， 使起始升温速率缓和、 防止受热不均而使套管开裂 待升温 5min 后， 即可加快升温速率， 电压可调至 40V 大约 20min 后， 样品熔化完全， 用热电偶套管将金属样品搅拌均匀， 迅速放入套管架中冷却 调整好热电偶套管位置 （位于金属样品中下部、 且不与样品套管壁接触） ， 之后就不要再摇动或打开塞子， 以使降温缓慢、 均匀地进行， 打开记录仪开始记录冷却曲线， 注意观察相变平台，待平台全部出现后，即可取出热电偶 在绘制步冷曲线的同时， 冷电炉应放入样品开始加热， 热电炉应迅速用吹风机降温， 冷却后也可以放入另外的样品进行预热， 但预热速度应保持一定的梯度， 防止加热时间过长，冷却困难， 反而会浪费时间 在本实验中， 我们按照纯 Sn、 80%Bi、 57%Bi、 30%Bi和纯 Bi的顺序，进行的步冷曲线的绘制。

在步冷曲线绘制完成后，可使用数据处理程序，寻找相变点 2.3.4 测量水的沸点 沸点仪加热电压控制在 30V左右， 将热电偶热端插入沸点仪的套管中， 待 4min 后， 内部的水开始沸腾，待温度基本恒定后，测水的沸点，作为标定热电偶温度值的一个定点 3. 结果与讨论结果与讨论 3.1 原始实验数据原始实验数据 3.1.1 水的沸点 表 1 水的沸点测量数据 标准值标准值/℃℃ 测量值测量值/℃℃ 校正误差校正误差/℃℃ 100 98.76 +1.24 3.1.2 各样品的相变点 表 2 不同样品的相变点测量数据 样品名称样品名称 相变点相变点 T1/℃℃ T1修正温度修正温度/℃℃ 相变点相变点 T2/℃℃ T2修正温度修正温度/℃℃ 纯纯 Sn 223.2 224.44 --- --- 30%Bi 162.82 164.06 125.97 127.21 物化实验报告 样品名称样品名称 相变点相变点 T1/℃℃ T1修正温度修正温度/℃℃ 相变点相变点 T2/℃℃ T2修正温度修正温度/℃℃ 57%Bi 127.6 128.84 --- --- 80%Bi 179.28 180.52 132.70 133.94 纯纯 Bi 243.07 244.31 --- --- 注 1：修正温度=相变点温度+校正误差 注 2：30%Bi 和 80%Bi两样品有两个相变点，这分别为两种固溶体的相变温度。

3.1.3 课本中的已知数据 表 3 课本中的相图数据 温度温度 t/℃℃ 210 162 128.84 100 60 20 𝛚(𝐁𝐢)/% 5 15 21 11.6 5.3 1 温度温度 t/℃℃ 200 175 128.84 100 50 𝛚(𝐁𝐢)/% 98.3 98 98.4 99 100 3.2 计算的数据、结果计算的数据、结果 由表 2 和表 3，可绘制 Bi-Sn 二元相图，如下所示： 图 1 Bi-Sn 二元相图 3.3 讨论分析讨论分析 3.3.1. 相图分析相图分析 因气压恒定，温度可变，因而使用公式 f =K−Φ+1 a. 相区分析 FPE 之上：液相区，Φ=1，f=2 FBP 内：液相+固溶体 α，Φ=2，f=1 FEDCPBA0501001502002500102030405060708090100温度/℃w(Bi)/%物化实验报告 EPC 内：液相+固溶体 β，Φ=2，f=1 ABPCD 内：固溶体 α+固溶体 β，Φ=2，f=1 FBA内：固溶体 α，Φ=1，f=2 ECD 内：固溶体 β，Φ=1，f=2 b. 相线分析 三相线：BPC，液相（含 57%Bi） 、固溶体 α（含 21%Bi） 、固溶体 β（含 98.4%Bi）共存，Φ=3，f=0。

其余的相线皆为两相共存线，在此不一一赘述 3.3.2. 异常现象异常现象 在实验过程中，由于我们严格按注意事项操作，因此未遇到异常现象只是发现，纯Bi和纯 Sn 的实测熔点与标准值相差很大，这可能是由于样品不纯的缘故 3.3.3. 改进意见改进意见 在实验过程中，为了节省时间，在步冷曲线绘制的同时，两台电炉实际上都可以进行预热，但随之而来的一个问题是，预热速度的控制以及当前温度的确定，由于只有一个温度计量装置，所以预热的样品不是太凉就是太热，太凉则要继续加热，太热则增加了冷却时间，都会耽误实验进程我们希望的最佳的状态是，当步冷曲线绘制完毕的时候，某个加热的样品刚刚熔化（约 200℃） ，而另一个加热的样品应刚刚开始加热（约 60℃） ，这样既能有效利用电炉，又能形成次序的梯度，实验时间会大大减少 因此我提出的建议是，每个实验小组再配 2 个温度传感器（不能是水银温度计，否则高热环境下，一旦打碎温度计，汞蒸气的挥发会非常剧烈） ，这样会大大节省实验时间 4. 结论结论 本实验我们通过测量 5 个不同样品的步冷曲线，获得了 5 组相变点，再结合书中给出的补充数据，在进行修正后得到了 Bi-Sn 的二元相图。

从外形上看，该相图与之前理论课中的非常相似，曲线走势也比较平滑，说明实验操作合理、没有出现较大的实验失误；但由于样品的纯度问题，该相图的准确性是较差的，这是由实验药品本身造成的 5. 参考文献参考文献 1. 《基础物理化学实验》 ，高等教育出版社，贺德华、麻英、张连庆，2008 年 5 月第 1 版 2. 《物理化学》 ，清华大学出版社，朱文涛,2011 年 9 月第1 版 6. 附录附录——思考题思考题 6.1 为什么能用步冷曲线来确定相界？为什么能用步冷曲线来确定相界？ 答： 步冷曲线是熔体缓慢降温时， 体系温度随时间的变化曲线 当熔体发生相变时， 会放出潜热， 导致曲线的斜率变化， 体现为转折点或平台 因此， 只要能够确定转折点或平台的温度，就能够得知该样品的相变温度，即确定相界 物化实验报告 6.2 请用相律分析各冷却曲线的形状？请用相律分析各冷却曲线的形状？ 答：在本实验中，步冷曲线的类型共有三种，可用下图的步冷曲线为例进行说明 左数第一条曲线，可代表纯 Sn 的步冷曲线在熔点之上，Φ=1，f=1，温度随时间迁移而减小；到达熔点时，Φ=2，f=0，温度不随时间而发生变化，曲线出现平台；当全部固化后，Φ=1，f=1，温度继续下降。

左数第二条曲线，可代表含 30%Bi的步冷曲线在固溶体出现之前，Φ=1，f=2，温度随时间迁移而下降；当固溶体开始出现时，Φ=2，f=1，温度仍为自由变量，因此仍然下降，但由于潜热的放出，导致温度下降变缓；当另一种固溶体开始出现时，即到达三相线时，Φ=3，f=0，浓度、温度均不可变，因此出现平台；当液相全部消失时，体系中只有两种固溶体存在，Φ=2，f=1，温度继续下降 左数第三条曲线，可代表含 57%Bi的步冷曲线因为该样品具有最低共熔点，因此两种固溶体会同时出现，即当体系温度到达三相线时，Φ=3，f=0，步冷曲线出现平台；当液相全部消失时，Φ=2，f=1，温度继续下降 左数第四条曲线和第五条曲线，可分别代表含 80%Bi和纯 Bi的样品，因过程与第二条、第一条基本一致，在此不再赘述 6.3 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？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： 热电偶是将两种金属导线的两头焊接在一起， 形成一根长导线， 保持冷端温度t0不变， 改变另一接点温度 t， 则在结点处产生热电势， 只要事先知道热端温度与热电势对应关系，便可测得任意温度。

冷端温度需要恒定的原因， 是因为它的变化也会影响热电势， 如果冷、 热端温度均发生了变化时，则原有的热电势与热端温度的对应关系就无法继续使。