二組分合金相圖

1、二組分合金相圖姓名：張騰 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：化21同組人姓名:田雨禾實(shí)驗(yàn)日期：2014年10月9日提交報(bào)告日期：2014年10月11日指導(dǎo)教師：馮天成1 引言 1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）用熱分析法（步冷曲線法）測(cè)繪 Bi-Sn 二組分金屬相圖。 （2）掌握熱電偶測(cè)量溫度的基本原理和校正方法。 （3）學(xué)會(huì)使用自動(dòng)平衡記錄儀。1.2 實(shí)驗(yàn)原理 人們常用圖形來(lái)表示體系的存在狀態(tài)與組成、溫度、壓力等因素的關(guān)系。以體系所含物質(zhì)組成為自變量，溫度為應(yīng)變量所得到的 T-x 圖是常見(jiàn)的一種相圖。二組分相圖已得到廣泛的研究和應(yīng)用。固液相圖多用于冶金、化工等部門(mén)。 較為簡(jiǎn)單的二組分金屬相圖主要有三種；一種是液相完全互溶，

2、凝固后，固相也能完全互溶成固熔體的系統(tǒng)，最典型的為 Cu-Ni 系統(tǒng)；另一種是液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，而固相部分也互溶的系統(tǒng)，如 Pb-Sn 系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)研究的 Bi-Sn 系統(tǒng)就是這一種。在低共熔溫度下，Bi 在固相 Sn 中最大溶解度為 21（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。 熱分析法（步冷曲線法） 是繪制凝聚體系相圖時(shí)常用的方法。它是利用金屬及合金在加熱或冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，潛熱的釋出或吸收及熱容的突變，使得溫度-時(shí)間關(guān)系圖上出現(xiàn)平臺(tái)或拐點(diǎn)，從而得到金屬或合金的相轉(zhuǎn)變溫度。由熱分析法制相圖，先做步冷曲線，然后根據(jù)步冷曲線作圖。 通常的做法

3、是先將金屬或合金全部熔化。然后讓其在一定的環(huán)境中自行冷卻，通過(guò)記錄儀記錄下溫度隨時(shí)間變化的曲線（步冷曲線）。圖 1 步冷曲線 圖 2 步冷曲線與相圖 以合金樣品為例，當(dāng)熔融的體系均勻冷卻時(shí)（如圖 1 所示），如果系統(tǒng)不發(fā)生相變，則系統(tǒng)溫度隨時(shí)間變化是均勻的，冷卻速率較快（如圖中 ab 線段）；若冷卻過(guò)程中發(fā)生了相變，由于在相變過(guò)程中伴隨著放熱效應(yīng)，所以系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間變化的速率發(fā)生改變，系統(tǒng)冷卻速率減慢，步冷曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（如圖中 b 點(diǎn)）。當(dāng)熔液繼續(xù)冷卻到某一點(diǎn)時(shí)（如圖中 c 點(diǎn)），此時(shí)熔液系統(tǒng)以低共熔混合物的固體析出。在低共熔混合物全部凝固以前，系統(tǒng)溫度保持不變，因此步冷曲線出現(xiàn)水平線段（

4、如圖中 cd 線段）；當(dāng)熔液完全凝固后，溫度才迅速下降（如圖中 de 線段）。 由此可知，對(duì)組成一定的二組分低共熔混合物系統(tǒng)，可根據(jù)它的步冷曲線得出有固體析出的溫度和低共熔點(diǎn)溫度。根據(jù)一系列組成不同系統(tǒng)的步冷曲線的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即可畫(huà)出二組分系統(tǒng)的相圖（溫度-組成圖）。不同組成熔液的步冷曲線對(duì)應(yīng)的相圖如圖 2 所示。嚴(yán)格地講，Bi-Sn 合金是固態(tài)部分互溶凝聚系統(tǒng)，只是由于普通的熱分析方法靈敏度較低，無(wú)法測(cè)得固熔體相界數(shù)據(jù)，所以，我們通過(guò)本實(shí)驗(yàn)得到的是 Bi-Sn 二元合金的簡(jiǎn)化相圖。 一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)步冷曲線即可定出相界，但對(duì)于復(fù)雜相圖還必須有其它方法配合。才能畫(huà)出相圖。 用熱分析法（步冷曲線法）

5、繪制相圖時(shí)，被測(cè)體系必須時(shí)時(shí)處于或接近相平衡狀態(tài)，因此冷卻速率要足夠慢才能得到較好的結(jié)果。 2 實(shí)驗(yàn)操作 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品、儀器型號(hào)及測(cè)試裝置示意圖 2.1.1實(shí)驗(yàn)藥品 Bi(AR)，Sn(AR)，Bi 組成分別為 30%、57%、80%的金屬混合物。 2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器 鉑熱電阻、立式電爐（500 W）2 個(gè)、調(diào)壓器 3 個(gè)、保溫杯 1 只、硬質(zhì)玻璃試管 5 個(gè)、鉑電阻套管（一端封死的細(xì)玻璃管）5 支、沸點(diǎn)儀一套、數(shù)字溫度計(jì) 1 臺(tái)（電腦采集信號(hào)）。 測(cè)試裝置示意圖： 2.2 實(shí)驗(yàn)條件 實(shí)驗(yàn)溫度：20.2 ，大氣壓：100.85 kPa 2.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn) 樣品的配制已經(jīng)完成，無(wú)

6、需自行配制。溫度的記錄也由電腦軟件完成。 主要操作步驟如下： （1）選取兩支樣品管放入電爐中至金屬熔化。用鉑熱電阻、電腦采集軟件監(jiān)測(cè)其中之一的溫度，大約升到 300 時(shí)可停止加熱，將熔化金屬?gòu)碾姞t中取出，置于立架上自然冷卻； （2）重新使用溫度監(jiān)測(cè)軟件，描繪熔化金屬液的步冷曲線。待金屬全部凝固后，約 100 時(shí)停止。保存步冷曲線； （3）換另一支樣品管重復(fù)上述步驟，直到完成所有金屬的步冷曲線； （4）打開(kāi)沸點(diǎn)儀，加熱至水沸騰，用鉑熱電阻測(cè)定水的加熱曲線。3 結(jié)果與討論 3.1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1. 金屬合金組成與拐點(diǎn)、平臺(tái)溫度原始數(shù)據(jù) 混合物組成 修正后溫度 T/ 含 Bi 30% 186.81

7、含 Bi 30% 131.33含 Bi 57% 135.67含 Bi 80% 216.88含 Bi 80% 134.99純Bi268.46純Sn235.16注：30%Bi和80%Bi兩樣品有兩個(gè)相變點(diǎn)，這分別為兩種固溶體的相變溫度。3.2 計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果書(shū)中給出了固溶體的相關(guān)數(shù)據(jù)表 2. Bi-Sn 固溶體相界線數(shù)據(jù) 溫度t/210162所測(cè)低共熔溫度1006020200175所測(cè)低共熔溫度10050(Bi)%5152111.65.31.098.39898.499100根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，組成為57%的混合物在步冷曲線上只出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，這說(shuō)明Bi-Sn體系在Bi的組成為57%時(shí)為低共熔點(diǎn)。因此可以

8、近似認(rèn)為三相線溫度為低熔點(diǎn)溫度，即127.97。 以下相圖中各條線的數(shù)據(jù)點(diǎn)分開(kāi)。 表 3. 凝固點(diǎn)線數(shù)據(jù) Bi含量T/0235.160.3186.810.57135.670.8216.881268.46表4. 三相線數(shù)據(jù)Bi含量T/0.3131.330.57135.670.8134.99表5. 固溶體數(shù)據(jù)Bi含量T/0.052100.151620.21135.670.1161000.01200.9832000.981750.984135.670.991001503.3 討論分析3.3.1 相圖由以上數(shù)據(jù)作出相圖：3.3.2 各區(qū)分析（1）三相線：PEG表示三相平衡共存：低共熔物wBi=57%，

9、固溶體a(Bi=21%)，固溶體b(Bi=98.4%)，相數(shù)=3，自由度數(shù)f*=0；（2）凝固點(diǎn)線：MEQME：液相l(xiāng)+，相數(shù)=2，自由度數(shù)f*=1；QE：液相l(xiāng)+，相數(shù)=2，自由度數(shù)f*=1。（3）區(qū)域：MEQ 以上：液相混合物L(fēng)，相數(shù)=1，自由度數(shù)f*=2；MPE 區(qū)：液相l(xiāng) +，相數(shù)=2，自由度數(shù)f*=1；QEG 區(qū)：液相l(xiāng) +，相數(shù)=2，自由度數(shù)f*=1；MPF 區(qū)：固溶體，相數(shù)=1，自由度數(shù)f*=2；QGH 區(qū)：固溶體，相數(shù)=1，自由度數(shù)f*=2；FPEGH 區(qū)：固溶體+，相數(shù)=2，自由度數(shù)f*=1；4 結(jié)論本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量5個(gè)不同樣品的步冷曲線，獲得了5組相變點(diǎn)，結(jié)合書(shū)中給出的補(bǔ)充數(shù)

10、據(jù)，在進(jìn)行修正后得到了Bi-Sn的二元相圖。Bi-Sn低共熔混合物組成為Bi=57%；Bi可在Sn中形成部分固熔體。從外形上看，該相圖與之前理論課中的非常相似，曲線走勢(shì)也比較平滑，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)操作合理、沒(méi)有出現(xiàn)較大的實(shí)驗(yàn)失誤。5 參考文獻(xiàn) （1）清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫(xiě)組. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn). 北京：清華大學(xué)出版社，1991. （2）賀德華，麻英，張連慶編. 基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，2008.5. （3）朱文濤編著. 物理化學(xué). 北京：清華大學(xué)出版社，1995.8. 6 附錄6.1 思考題（1）為什么能用步冷曲線來(lái)確定相界？當(dāng)液態(tài)合金體系在室溫下冷卻時(shí)，溫度隨時(shí)間變化是均勻的，

11、且冷卻速率較快。但是如果發(fā)生了相變，將會(huì)釋放相變潛熱，相變過(guò)程中系統(tǒng)溫度較為穩(wěn)定。此時(shí)冷卻速率會(huì)明顯降低，在步冷曲線上會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此在步冷曲線，一旦出現(xiàn)冷卻速率降低，或是圖像出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、回升，都表示相變過(guò)程。（2）請(qǐng)用相律分析各冷卻曲線的形狀？第一條：此條曲線表示純Sn，熔融狀態(tài)是單組分液相體系，自由度為1。樣品在自然冷卻時(shí)溫度均勻降低，在凝固時(shí)析出純Sn固體，變?yōu)?相，此時(shí)自由度為0，溫度不變。直到完全凝固后又變?yōu)閱蜗?，自由度?，此后溫度降低。第五條為純Bi，同理。第二條：此條曲線表示兩組分合金。當(dāng)降溫后先析出其中一種金屬此時(shí)自由度f(wàn)=2-2+1=1，因此溫度持續(xù)下降。但是由于會(huì)放出凝固

12、熱，降溫變慢，斜率變緩。當(dāng)降溫到低共熔點(diǎn)時(shí)，Bi-Sn將以一個(gè)固定的比例共同析出。此時(shí)體系為熔液、Sn、Bi三相共存，f=0，溫度不會(huì)變化，出現(xiàn)平臺(tái)。液相消失后，剩下兩種固相，f=1，溫度又會(huì)繼續(xù)下降。第四條同理。第三條：此條曲線表示低共熔組成的合金。此時(shí)溫度一直下降到凝固點(diǎn)時(shí)，兩種金屬一起析出。f=2-3+1=0，此時(shí)組成、溫度均不變化。故此時(shí)直接與熔液同組成比例地析出Sn、Bi固體。直到熔液全部凝固，剩下與熔液同組成的金屬固體，溫度繼續(xù)下降。（3）熱電偶測(cè)量溫度的原理是什么？為什么要保持冷端溫度恒定？熱電偶測(cè)量原理如下：將不同金屬材料的兩根導(dǎo)線的一段焊接在一起，保持一個(gè)接點(diǎn)（冷端）溫度T0不變，改變另一接點(diǎn)溫度T，在線路中則會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，通過(guò)熱端溫度與熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系便測(cè)得熱端溫度。測(cè)量過(guò)程需保持冷端溫度必須恒定，是因?yàn)樗淖兓矔?huì)導(dǎo)致測(cè)得電勢(shì)差的變化，也就無(wú)法根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系確定熱端溫度了。（4）步冷曲線各段的斜率以及平臺(tái)的長(zhǎng)短與哪些因素有關(guān)？斜率主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：a. 由于二者熱容不同，因此斜率與合金組成有關(guān)；b. 保溫溫度和熔體溫度：溫差越大，降溫速率越大，從而斜率也越大；c. 混合物質(zhì)量；d. 系統(tǒng)傳熱面積A和總傳熱系數(shù)K。水平段的長(zhǎng)短則與析出物的凝固熱、低共熔體的熱容有關(guān)。6.2 實(shí)驗(yàn)小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)總體沒(méi)有出現(xiàn)大的