实验 二组分金属相图的绘制.

《物理化学实验》讲义 第三部分 实验 德州学院化学系 王敦青
二组分固---液相图的绘制
一、实验目的
1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。

2.了解热分析法测量技术。

3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。

二、预习要求
了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

三、实验原理
测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，
每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。

当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。

利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。

二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。

图1 根据步冷曲线绘制相图 拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低
共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。

用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。

此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。

见图2。

遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。

图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。

当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2
段）。

若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。

当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。

在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。

当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。

若图III-5-4中的步冷曲线为图III-5-5中总组成为P 的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G 点，为纯固相开始析出的状态。

水平段3~4相当于相图中H 点，即低共熔物凝固的过程。

因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷
拐点：相变温度 平台
A+L
B+L
L
A+B
却曲线就可以绘制出完整的二组分固液平衡相图。

四、仪器药品
1.仪器
硬质玻璃样品管（石英管），3个 数字温度计（SWJ-IB ） 1个 SWKY 数字控温仪，1个 托盘天平 1台 KWL-08可控升降温电炉 1台 炉膛保护筒 1个
2.药品 Sn(化学纯，熔点232℃=505k)； Bi(化学纯，熔点271℃=544k)；石腊油
T
T T
B %
图2 有过冷现象时的步冷曲线图 图3 步冷曲线 图4两组分金属固液相图 五、实验步骤
1.样品配制
用感量0.1g 的台称分别称取一定量的纯Sn 、纯Bi ，配制含锡25%（纯Sn10g 、纯Bi30g ）、50%
（纯Sn 、纯Bi 各20g ）、75%（纯Sn30g 、纯Bi10g ）的铋锡混合物共40g ，分别混合均匀，装入3个硬质玻璃样品管内,加入适量石蜡油（约3克）,以将金属全部覆盖且以防止金属加热过程中接触空气而氧化。

。

2. 连接仪器
将测量仪器连接好。

将SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉连接好，接通电源。

将电炉置于外控状态。

3. 测量样品的步冷曲线 分别测定三种样品的步冷曲线
（1）把不锈钢炉膛保护筒放进炉膛内，然后把料管和传感器（PT100）放在保护筒内。

SWKY 数
字控温仪置于“置数”状态，设定温度为320︒C （参考值），再将控温仪置于“工作”状态。

“加热量调节”旋钮顺时针调至最大，使样品熔化。

（2）待温度达到设定温度后，保持2-3分钟，再将传感器取出并插入玻璃试管中。

（3）将数字控温仪置于“置数”状态，“加热量调节”旋钮逆时针调至零，停止加热。

电炉置
于内控状态。

调节“冷风量调节”旋钮（电压调至6-8 V 左右），使冷却速度保持在6︒C/min —8/min ，设置控温仪的定时间隔，30秒记录温度一次，当温度降至230--220︒C ，可将“冷风量调节”旋钮（电压调至3-4 V 左右），使冷却速度保持在3︒C/min —4︒C /min ，直到步冷曲线平台以后，降温至100︒C, 结束一组数据，得出该配比样品的步冷曲线数据。

（4）重复（1
）--（3）。

一次测出所配各个样品的步冷曲线数据。

（5）根据所测数据，绘出相应的步冷曲线图。

在进行Sn 、Bi 二组分体系相图的绘制。

注出相
图中各区域的相平衡。

六、数据记录和处理
A
D
数据处理：
1.根据表1作温度（T）—时间（t）的曲线（步冷曲线图）。

2.找出各步冷曲线中拐点和平台对应的温度值。

3.查出各拐点温度和平台温度和已知纯Bi、纯Sn的熔点，以温度为纵坐标，以质量百分数为
横坐标，绘出Sn—Bi合金相图。

从相图中找出低共熔点的温度和低共熔混合物的成分。

七、注意事项
1.用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度过高样品易氧化变质,石蜡油也易炭化,一般不超过
金属的熔点的30～50℃;温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。

2.冷却速度不宜过快,以防步冷曲线转折点不明显.
3.在体系冷却过程中总组成不能发生变化，要防止挥发、氧化、或熔入其它杂质等。

4.加热时，将传感器置于炉膛内；冷却时，将传感器放入玻璃试管中，以防温度过冲。

【思考问题】
1. 试用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因。

2. 何谓步冷曲线法？用步冷曲线法测绘相图时，应注意哪些问题？
3. 为什么在不同组分的融熔液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？
4.作相图还有哪些方法?
5.步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔物及合金等的转折点各有几个?曲线形状有
何不同?为什么?
6.通常认为，体系发生相变时的热效应很小，则用热分折法很难测得确准相图，为什么? 在25%
和75%的二样品的步冷曲线中的第一个转折点哪个明显? 为什么?。