物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告二組分簡單共熔合金相圖繪制

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握步冷曲線法測繪二組分金屬的固液平衡相圖的原理和方法。2、了解固液平衡相圖的特點(diǎn)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和鞏固相律等有關(guān)知識(shí)。二、主要實(shí)驗(yàn)器材和藥品1、儀器：KWL-II金屬相圖(步冷曲線)實(shí)驗(yàn)裝置、微電腦控制器、不銹鋼套管、硬質(zhì)玻璃樣品管、托盤天平、坩堝鉗2、試劑：純錫（AR）、純鉍（AR）、石墨粉、液體石蠟三、實(shí)驗(yàn)原理壓力對(duì)凝聚系統(tǒng)影響很小，因此通常討論其相平衡時(shí)不考慮壓力的影響，故根據(jù)相律，二組分凝聚系統(tǒng)最多有溫度和組成兩個(gè)獨(dú)立變量,其相圖為溫度組成圖。較為簡單的組分金屬相圖主要有三種:一種是液相完全互溶，凝固后固相也能完全瓦溶成固體混合物的系統(tǒng)最典型的為Cu- Ni系統(tǒng);另一種是液

2、相完全互溶，而固相完全不互溶的系統(tǒng),最典型的是Bi- Cd 系統(tǒng);還有一種是液相完全互溶，而固相是部分互溶的系統(tǒng)，如Pb- Sn或Bi- Sn系統(tǒng)。研究凝聚系統(tǒng)相平衡,繪制其相圖常采用溶解度法和熱分析法。溶解度法是指在確定的溫度下，直接測定固液兩相平衡時(shí)溶液的濃度，然后依據(jù)測得的溫度和溶解度數(shù)據(jù)繪制成相圖。此法適用于常溫F易測定組成的系統(tǒng)，如水鹽系統(tǒng)。熱分析法(步冷曲線法)則是觀察被研究系統(tǒng)溫度變化與相變化的關(guān)系，這是繪制金屬相圖最常用和最基本的實(shí)驗(yàn)方法。它是利用金屬及合金在加熱和冷卻過程中發(fā)生相變時(shí)，潛熱的釋出或吸收及熱容的突變，來得到金屬或合金中相轉(zhuǎn)變溫度的方法。其原理是將系統(tǒng)加熱熔融，然

3、后使其緩慢而均勻地冷卻，每隔定時(shí)間記錄一次溫度，物系在冷卻過程中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線稱為步冷曲線(又稱為冷卻曲線)。根據(jù)步冷曲線可以判斷體系有無相變的發(fā)生。當(dāng)體系內(nèi)沒有相變時(shí)，步冷曲線是連續(xù)變化的;當(dāng)體系內(nèi)有相變發(fā)生時(shí)，步冷曲線上將會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)或水平部分。這是因?yàn)橄嘧儠r(shí)的熱效應(yīng)使溫度隨時(shí)間的變化率發(fā)生了變化。因此，由步冷曲線的斜率變化可以確定體系的相變點(diǎn)溫度。測定不同組分的步冷曲線，找出對(duì)應(yīng)的相變溫度，即可繪制相圖。圖3- 15(b)是具有簡單低共熔點(diǎn)的A- B二元系相圖,左右圖中對(duì)應(yīng)成分點(diǎn)a.b.c、d.e的步冷曲線。下面對(duì)步冷曲線作簡單分析。在固定壓力不變的條件下,相律為: f=c-+

4、1 (3-6-1)式中:c為獨(dú)立組分?jǐn)?shù);為相數(shù)。對(duì)于純組分熔融體系,c=1,q=1。在冷卻過程中若無相變化發(fā)生，其溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線為平滑曲線。到凝固點(diǎn)時(shí)，固液兩相平衡,=2,自由度為0,溫度不變，出現(xiàn)水平線段。等體系全部凝固后,其冷卻情況同純?nèi)廴隗w系一樣，呈一平滑曲線。圖3- 15(a)中曲線ave屬于這種情況。曲線C是低共培體冷卻曲線,情況與a.c相似.水平線段的出現(xiàn)是因?yàn)楫?dāng)冷卻到頭能點(diǎn)溫度r。時(shí)，A和B同時(shí)標(biāo)出，且固相中的比例與溶液中相同,因此溶液濃度不變,從街具備了穩(wěn)定的凝固點(diǎn)。此時(shí)固體A.B和液相三相共存，體系自由度f為0(c=2=3)溫度不變。對(duì)于曲線b,當(dāng)溫度冷卻至T時(shí)，有固

5、相A析出，由于放出凝固熱，使體系冷卻速度變慢,步冷曲線斜度減小。此時(shí)體系為兩相,根據(jù)相律，f為1(c=2, =2)，溫度和溶液的組皮中只有一個(gè)獨(dú)立變量(即兩者相互關(guān)聯(lián))。隨著A的不斷析出，溶液中B的含量增加，而被相組成沿液相線朝最低共熔點(diǎn)方向移動(dòng)。當(dāng)溫度降至T時(shí),B也析出，此時(shí)體系三相共存，自由度為0,出現(xiàn)水平線段。水平段代表二元系中三相平衡的情況，在此段只是溶液量減少固相量增加,而溫度保持不變。當(dāng)液相完全消失后，溫度又開始下降，曲線與液體冷卻曲線相似。曲線d與b的冷卻情況相同，只是冷至T時(shí)，所析出的固體為純B。由此可知,對(duì)組成一定的二組分低共熔混合物 7$系統(tǒng)，可以根據(jù)它的步冷曲線得出有固體

6、析出的溫度和低共熔點(diǎn)溫度。根據(jù)-系列組成不同系統(tǒng)的步冷曲線的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即可畫出組分系統(tǒng)的相圖(溫度組成圖)。用熱分析法(步冷曲線法)繪制相圖時(shí)，被測系統(tǒng)必須時(shí)時(shí)處于或接近相平衡狀態(tài)，因此冷卻速率 b要足夠慢才能得到較好的結(jié)果。此外，在冷卻過程 圖3-16中，一個(gè)新的固相出現(xiàn)以前，常常發(fā)生過冷現(xiàn)象,輕 具有過冷現(xiàn)象時(shí)的步冷曲線微過冷則有利于測量相變溫度，但嚴(yán)重過冷現(xiàn)象.卻會(huì)使折點(diǎn)發(fā)生起伏，使相變溫度的確定產(chǎn)生困難，如圖3- 16。 遇此情況，可延長dc線與ab線相交,交點(diǎn)e 即為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。五、實(shí)驗(yàn)過程（包括步驟、裝置圖、注意事項(xiàng)）實(shí)驗(yàn)步驟1.配制樣品用最小刻度為0.1 g的托盤天平分別配制含錢25

7、% .58%、70% .90%的鉍錫混合物和純錫純鉍各100g.裝人6個(gè)樣品管中。樣品上覆蓋層石器粉以防止金屬氧化。2.測量樣品的步冷曲線將裝有樣品的試管放人爐內(nèi)，把鉑電極溫度計(jì)插人樣品管中使其頂部離樣品管底約1 cm)。接通電源，根據(jù)不同組成設(shè)置加熱溫度,使樣品加熱熔融。爐溫控制在以樣品全部熔化后再升高50為宜。調(diào)節(jié)加熱功率和冷卻風(fēng)速控制電爐的冷卻速率，通常為每分鐘下降68每隔30s讀取一次溫度數(shù)值,直至三相共存溫度以下約50。六、數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)的列表、整理計(jì)算、作圖、結(jié)果討論。注：必須把原始數(shù)據(jù)按照教材上表格的形式列表）（1） 數(shù)據(jù)記錄（2）室溫：13.3 大氣壓：107.34kPa鉍

8、的含量（質(zhì)量百分比）0%25%58%70%90%100%平臺(tái)/拐點(diǎn)/231.9203.8263.4271.0271.4最低共熔點(diǎn)/134.9134.6134.0133.9液相區(qū)，f=2，=1固液兩相區(qū)，f=1，=2三相平衡區(qū)，f=0，=3（低共熔點(diǎn)）七、思考題1、試用相律分析各步冷曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的原因？因?yàn)榻饘偃廴谙到y(tǒng)冷卻時(shí)，由于金屬凝固放熱對(duì)體系散熱發(fā)生一個(gè)補(bǔ)償，因而造成冷卻曲線上的斜率發(fā)生改變，出現(xiàn)折點(diǎn)。當(dāng)溫度達(dá)到了兩種金屬的最低共熔點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)。2、 何為步冷曲線？用步冷曲線法繪制相圖時(shí)，應(yīng)注意哪些問題？步冷曲線是熱分析法繪制凝聚體系相圖的重要依據(jù)。步冷曲線上的和轉(zhuǎn)折點(diǎn)表征某一溫度下發(fā)生相變的信息,二元凝聚體系相圖可根據(jù)步冷曲線來繪制.常規(guī)的手工繪圖方法不僅繁瑣而且不可避免地會(huì)引入人為誤差,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用,可利用計(jì)算機(jī)編輯。步冷曲線是晶體的熔點(diǎn)組成的曲線,可以得到晶體在不同溫度時(shí)的組成和熔點(diǎn)的變化情況。3、 為什么在不同組分的步冷曲線上，最低共熔點(diǎn)的水平線段長度不同？因?yàn)樽畹凸踩刍旌衔锔鹘M分含量不同，完全凝固所用時(shí)間不同，故水平線段不同，含量大的，平臺(tái)長；組成越接近低共熔，析出越多，平臺(tái)越長。4、 對(duì)于不同組成的混合物的步冷曲線，其水平段對(duì)應(yīng)的溫度值是否相同？不相同。5、為什么要緩慢冷卻合金做步冷曲線？因?yàn)椴嚼淝€要盡可能接近平衡態(tài),如果