二元合金相圖的繪制與應(yīng)用

1、二元合金相圖的繪制與應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 二元合金相圖的繪制與應(yīng)用一、目的要求1 、理解步冷曲線，學(xué)會(huì)用熱分析方法測繪 Sn-Bi 二元合金相圖2 、學(xué)會(huì)鉑電阻的測溫技術(shù)，嘗試用金屬相圖測量裝置測量溫度的方法3 、掌握微電腦控制器的使用方法4 、理解產(chǎn)生過冷現(xiàn)象的原因及防止產(chǎn)生過冷現(xiàn)象的方法二、根本原理相圖是用幾何圖形來表示多相平衡體系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相對 量是多少，以及它們隨濃度、溫度、壓力等變量變化的關(guān)系圖。對蒸氣壓較小的二組分凝 聚體系，常以溫度 - 組成圖來描述。 熱分析方法與步冷曲線熱分析方法是繪制相圖常用的根本方法之一。將兩種金屬按一定比例配成并把它加熱 成均勻的液相體系，

2、然后讓它在一定的環(huán)境中自行冷卻，并每隔一定的時(shí)間例如 0.5min 或 1min 記錄一次溫度，以溫度 T 為縱坐標(biāo)，以時(shí)間 t 為橫坐標(biāo)，做出溫度 - 時(shí)間 T- t 曲線，稱為步冷曲線。假設(shè)體系均勻冷卻時(shí)，冷卻過程不發(fā)生相變化，那么體系的溫度隨 時(shí)間的變化是均勻的，那么步冷曲線不出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或平臺(tái)，而是一條直線，冷卻速度快。假設(shè)冷 卻過程中發(fā)生了相變化，由于相變化過程中伴隨有熱效應(yīng)，發(fā)生相變熱，所以體系溫度隨 時(shí)間的變化速度將發(fā)生改變，體系的冷卻速度減緩，步冷曲線就出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或平臺(tái)。測定一 系列組成不同的樣品的步冷曲線，從曲線上找出各相對應(yīng)體系發(fā)生相變的溫度，就可以繪 制出被測系統(tǒng)的相圖。這就是

3、用熱分析法繪制液固相圖的概要 . 如下圖：T / CtBi-Cd 合金冷卻曲線曲線 1、5 是純物質(zhì)的步冷曲線。當(dāng)系統(tǒng)從高溫冷卻時(shí)，開始沒有發(fā)生相變化，溫度 下降比擬快，步冷曲線較陡；冷卻到 A 的熔點(diǎn)時(shí)，固體 A 開始析出，系統(tǒng)出現(xiàn)兩相平衡 固體 A 和溶液平衡共存，根據(jù)相律，此時(shí) f= k- ?+1=1-2+1=0 ，系統(tǒng)溫度維持不變， 步冷曲線出現(xiàn) bc 的水平線段；直到液相完全凝固后，溫度又繼續(xù)下降。曲線2、4是A與B組成的混合物的步冷曲線。與純物質(zhì)的步冷曲線不同。系統(tǒng)從高 溫冷卻到溫度 b '時(shí) , 開始有固體 A 不斷析出，這時(shí)體系呈兩相，溶液中含 A 的量隨之 減少，由于

4、不斷放出凝固熱，所以溫度下降速度變慢，曲線的斜率變小 b 'c '段。 當(dāng)體系溫度到達(dá)低共熔溫度 c '時(shí)，固體A、B與組成為E%勺溶液三相平衡共存，根據(jù) 相律， f=k- ?+1=2-3+1=0 ，系統(tǒng)溫度維持不變，步冷曲線出現(xiàn)水平線段 c ' d '，直到液 相完全凝固后，溫度又繼續(xù)下降。曲線 3 是表示其組成恰為最低共熔混合物勺步冷曲線，其圖形與純物質(zhì)勺步冷曲線相 似，但在水平段對應(yīng)勺溫度時(shí)，系統(tǒng)是三相平衡共存。對純潔金屬或由純潔金屬組成勺合金，當(dāng)冷卻十分緩慢、又無振動(dòng)時(shí)，有過冷現(xiàn)象出 現(xiàn)。液體勺溫度可下降至比正常凝固點(diǎn)更低溫度才開始凝固，固相析出

5、后又逐漸使溫度上 升到正常勺凝固點(diǎn)。如下圖：曲線就表示純金屬有過冷現(xiàn)象時(shí)的步冷曲線， b '為過冷溫度，b ''為正常相變 溫度；而I為無過冷現(xiàn)象時(shí)的步冷曲線。用步冷曲線繪制相圖是以橫坐標(biāo)表示混合物勺組成，在對應(yīng)勺縱坐標(biāo)開始出現(xiàn)相變 即步冷曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺(tái)的溫度，把這些點(diǎn)連接起來即得相圖。從相圖的定義可知，用熱分析方法測繪相圖要注意以下問題：測量體系要盡量接近平衡態(tài)，故要求冷卻時(shí)溫度下降不能過快；如晶形轉(zhuǎn)變時(shí)，相變 熱較小，此方法不宜采用；對樣品的均勻性與純度也要充分考慮，一定要防止樣品的氧化 和混有雜質(zhì)，否那么會(huì)變成另一多元體系高溫影響下特別容易出現(xiàn)此類現(xiàn)象；為了

6、保證 樣品均勻冷卻，加熱溫度稍高一些為好；鉑電阻放入樣品中的部位與深度要適當(dāng)；測量儀 器的熱容及熱傳導(dǎo)也會(huì)造成熱損耗，其對精確測定也有較大影響，試驗(yàn)中必須注意，否那么 會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，使測量結(jié)果失真。三、儀器與試劑金屬相圖實(shí)驗(yàn)爐800 w，爐體上有裝有電壓調(diào)節(jié)器微電腦控制器 ; 寬肩硬質(zhì)玻璃樣品管或不銹鋼樣品管鉑電阻P t100;鉑電阻套管不銹鋼;皮塞錫, 鉍 ; 鉛在高溫下?lián)]發(fā)氣體有毒 , 使工作人員頭暈 , 建議采用錫鉍合金 .四、實(shí)驗(yàn)步驟1 、配制樣品用電子天平配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 Sn-Bi 混合物各 100克，其中含 Bi 分別為0%,20%,38.1%,60%， 80%,100%，

7、分別裝入不同硬質(zhì)試管中，在外表參加少量石墨粉，以防 止金屬在加熱過程中接觸空氣而氧化。在試管上部貼上不干膠標(biāo)簽 , 注明成分 , 比例及 年月日。實(shí)踐證明試樣在高溫下容易氧化和揮發(fā)，100 g的式樣使用1-2年后其重量只有60g左右，用該試樣做出的曲線有時(shí)平臺(tái)數(shù)字低的很多，有時(shí)甚至作不出平臺(tái)，如果發(fā)現(xiàn)這些問題應(yīng)該更換試樣。平時(shí)工作中應(yīng)防止式樣長期處于高溫狀態(tài)。2 、將儀器連接好，撥碼開關(guān)設(shè)置為“ 000，把鉑電阻放在常溫下, 接通電源觀察數(shù)碼管顯示溫度是否高于室溫 2-3 度，同時(shí)觀察電壓指示針是否指向零的位置此時(shí)電壓必 須是零。然后將儀器預(yù)熱 2 分鐘。3 、鉑電阻插入鉑電阻電阻套后放入試樣

8、管中 , 再把試樣管放入實(shí)驗(yàn)爐中。4 、設(shè)置好微電腦控制器溫度設(shè)置欄撥碼開關(guān)數(shù)值中的溫度。按動(dòng)撥碼開關(guān)設(shè)置 所需的溫度 , 按下復(fù)位鍵 ,如加熱指示燈亮 , 轉(zhuǎn)動(dòng)爐體上調(diào)壓黑色旋鈕，在最高電壓下加熱 , 加熱溫度控制在以 樣品完全熔化后再升高 50 度為宜。撥碼開關(guān)數(shù)值所對應(yīng)最高溫度的數(shù)值見附錄。在實(shí) 驗(yàn)操作過程中不能用手拿出硬質(zhì)試管來觀察樣品是否熔化。升溫時(shí) , 鉍錫合金最高溫度 320 度, 鉛錫最高溫度 377 度, 如溫度超過 400 度應(yīng)立即抽出鉑電阻 , 切斷電源檢查原因。5 、當(dāng)溫度升高至最高時(shí) , 依靠爐體的自然散熱來開始降溫。此時(shí)將調(diào)壓黑色旋鈕向左旋轉(zhuǎn)到底,防止漏電流的影響。

9、連續(xù)按動(dòng)定時(shí)鍵,數(shù)碼管顯示15 s, 30s, 45 s, 60s通常純金屬測定每30s記錄一次溫度而混合物質(zhì)那么是每60s記錄一次溫度，學(xué)生可以根據(jù)蜂鳴器的警笛聲記下數(shù)碼管的此時(shí)顯示的溫度值降溫速度控制在每分鐘5-8 度, 如果降溫速度太慢 , 可在爐口上加彈簧來增加散熱面積 , 如果降溫速度過快 , 可轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓黑色 旋鈕 , 選擇一個(gè)保溫電壓來使降溫減慢。溫度降至轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺(tái)以下 , 停止記錄。降溫 過程中不準(zhǔn)開風(fēng)扇或急劇的空氣對流。計(jì)算機(jī)采樣把計(jì)算機(jī)裝上相關(guān)軟件硬件 , 用二線插頭插入微電腦控制器示意圖的微機(jī)插座中 , 再 和微機(jī)連接。按照微機(jī)的主菜單步驟操作 , 即可在屏幕上自動(dòng)繪出步

10、冷曲線 , 計(jì)算機(jī)采樣 15秒采集一次。并可存儲(chǔ)打印。然后用二線插頭插入微電腦控制器示意圖的記錄儀插座中 , 再與記錄儀連接 , 記錄儀 自動(dòng)繪出步冷曲線。五、實(shí)驗(yàn)考前須知1 、實(shí)驗(yàn)加熱時(shí)要一次快速升溫到位,在最高電壓下加熱。當(dāng)溫度超過設(shè)置溫度時(shí)加 熱電壓為零,此時(shí)把黑色旋鈕向左旋轉(zhuǎn)歸零。2 、本實(shí)驗(yàn)在室溫 15-30 。 C 內(nèi)做最好。轉(zhuǎn)折點(diǎn)拐點(diǎn)和平臺(tái)是矛盾的,體系的冷卻 不能太快，一般控制在 57。C/min，才能得到較好的效果。3 、不能在一個(gè)步冷曲線的測試中不斷改變冷卻速度環(huán)境溫度,否那么達(dá)不到均勻 冷卻而直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4 、合金有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺(tái)，必須待到第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺(tái)測完前

11、方可停止實(shí)驗(yàn)， 否那么需要重新測定。六、數(shù)據(jù)處理1 、步冷曲線的繪制根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，在同一個(gè)坐標(biāo)紙繪出 6 種樣品的步冷曲線圖 , 然后確定其各相變 的溫度值。2 、相圖的繪制依據(jù)步冷曲線上各相變的溫度值以及樣品的準(zhǔn)確組成 , 利用它們之間的一一對應(yīng)關(guān)系， 在同一個(gè)坐標(biāo)紙上繪制出對應(yīng)的相圖，然后根據(jù)相圖上最低共晶線在步冷曲線上找出最低 共熔點(diǎn)坐標(biāo)。3 、將步冷曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)相圖的相變溫度進(jìn)行比擬，評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果討論各步冷曲線的降溫速率控制是否得當(dāng)。七、思考題1 、何謂熱分析方法 ? 用熱分析方法繪制相圖時(shí)，應(yīng)該注意些什么？2 、是否可用加熱曲線來做相圖，為什么？3 、為什么

12、要緩慢冷卻合金做步冷曲線？4 、對于不同成分混合物的步冷曲線，其水平段有什么不同？5 、為什么在不同組成熔融液的步冷曲線上，最低共熔點(diǎn)的水平線段長度不同？6 、樣品熔融后為什么要保溫一段時(shí)間再冷卻？7 、分析本實(shí)驗(yàn)的誤差來源。附錄1 、鉑電極溫度計(jì)的使用鉑電極溫度計(jì)在低溫區(qū)和中溫區(qū)測溫性能優(yōu)于熱電阻 , 它使用時(shí)不需冷端補(bǔ)償 ,0 度時(shí) 的電阻值為100,稱為P t100,溫度每升高一度電阻值約增加0.4,被測試樣溫度升高或降低 , 鉑電阻的阻值也相應(yīng)的升高或降低 , 該電阻被送到微電腦處理器經(jīng)處理后 , 使數(shù)碼 管顯示相對應(yīng)的溫度值。2 、微電腦控制器的使用關(guān)于微電腦控制器已在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用，該裝置是采用MCS-51單片機(jī)為核心 的實(shí)驗(yàn)裝置具有軟件補(bǔ)償功能。傳感器輸出特性及檢測回路的非線性用軟件來進(jìn)行補(bǔ)償 補(bǔ)償程序固化在存儲(chǔ)器中因而在整個(gè)測溫范圍內(nèi)能獲得很高的精度值。撥碼開關(guān)數(shù)值對應(yīng)最高溫度的數(shù)值如下表：室溫 26。 C 供參考定時(shí)鍵：連續(xù)按動(dòng)定時(shí)鍵,數(shù)碼管上會(huì)顯示出15 s, 30 s, 45 s, 60s來確定定時(shí)時(shí) 間。復(fù)位鍵 ： 按動(dòng)復(fù)位鍵 , 啟動(dòng)加熱 , 加熱燈亮 , 電壓表應(yīng)指示電爐的工作電壓轉(zhuǎn)動(dòng)爐 體