二组分简单共熔系统相图的绘制

实验报告

课程名称： 大学化学实验（P ） 指导老师： 成绩：_______________ 实验名称： 二组分简单共熔系统相图的绘制 实验类型： 物性测试 同组学生姓名： 【实验目的】

1. 用热分析法测绘Zn-Sn 相图。

2. 熟悉热分析法的测量原理

3. 掌握热电偶的制作、标定和测温技术 【实验原理】

本实验采用热分析法中的步冷曲线方法绘制Zn-Sn 系统的固-液平衡相图。将系统加热熔融成一均匀液相，然后使其缓慢冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线或步冷曲线。当熔融系统在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续下降，得到一条光滑的冷却曲线，如在冷却过程中发生相变，则因放出相变热，使热损失有所抵偿，冷却曲线就会出现转折点或水平线段。转折点或水平线段对应的温度，即为该组成合金的相变温度。对于简单共熔合金系统，具有下列形状的冷却曲线[图a(a)]，由这些冷却曲线，即可绘出合金相图[图a(b)]。

在冷却过程中，常出现过冷现象，步冷曲线在转折处出现起伏[图a(c)]。遇此情况可延长FE 交曲线BD 于点，G 点即为正常的转折点。

用热分析法测绘相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此，系统的冷却速度必须足够慢，才能得到较好的结果。

图a 步冷曲线（a ）、对应相图（b ）及有过冷现象出现的步冷曲线（c ）

【试剂与仪器】

仪器 镍铬-镍硅热电偶1支；UJ-36电位差计1台；小保温瓶1只；盛合金的硬质玻璃管7只；高

温管式电炉2只（加热炉、冷却炉）；调压器（2KW ）1只； 坩埚钳1把；二元合金相图计算机测试系统1套。

试剂 锡、锌、铋（均为AR ）；石墨粉。 【实验步骤】

1. 热电偶的制作：取一段长约0.6m 的镍铬丝，用小瓷管穿好，再取两段各长0.5m 的镍硅丝，制作热

电偶（此步骤一般已事先做好）。 2. 配置样品：在7只硬质玻璃管中配制各种不同质量分数的金属混合物：100%Bi ；100%Sn ；100%Zn ；

45%Sn+55%Zn ；75%Sn+25%Zn ；91.2%Sn+8.8%Zn ；95%Sn+5%Zn 。为了防止金属高温氧化，表面放置石墨粉（此步骤由实验室完成）。 3. 安装：安装仪器并接好线路。

4. 加热溶化样品，制作步冷曲线：依次测100%Zn ，100%Bi ，100%Sn ，45%Sn+55%Zn

，

75%Sn+25%Zn ，91.2%Sn+8.8%Zn ，95%Sn+5%Zn 等样品的步冷曲线。

装了样品的玻璃管放在加热炉中，接通电炉电源，调节变压器，待样品完全熔化后，再升高40~50℃，停止加热，然后把样品从加热炉里拿出放在冷却炉中。当样品放入冷却炉后，开始用UJ-36电位差计测定热电偶在冷却过程中的热电势，每20s 读取一次，连续读至热电势不随时间变化后又开始下降之后2min 左右即可停止。

【数据记录与处理】

1. 以热电势为纵坐标，时间为横坐标，绘制所有步冷曲线。见附页1~9。

2. 绘制热电偶温度校正曲线

（1）以100%Zn 与100%Bi 进行校正

组成 100%Zn 100%Bi 熔点/℃ 419.58 271.3 电势/V

15.84

9.46

图1 100%Zn 与100%Bi 热电偶温度校正曲线

（2）以100%Sn 与100%Bi 进行校正

组成 100%Bi 100%Sn 熔点/℃ 271.3 231.9

电势/V

10.2

8.6

图2 100%Sn 与100%Bi 热电偶温度校正曲线3. 通过校正曲线计算不同组分样品的转折点与水平阶段温度

（1）100%Zn 与100%Bi 温度校正（相图左半部分）

表1 不同组分样品转折点与水平阶段温度（X Zn ：100%~8.8%）

装

订

线

转折点电势/V 15.84 13.36 10.55 —水平阶段电势/V — 6.81 6.73 6.76

转折点温度/℃419.58 361.92 296.61 —

水平阶段温度/℃—209.69 207.84 208.53

（2）100%Sn与100%Bi温度校正（相图右半部分）

表2 不同组分样品转折点与水平阶段温度（X Zn：0~8.8%）

组成100%Sn 5%Zn+95%Sn 8.8%Zn+91.2%Sn 转折点电势/V 8.6 8.0 —

水平阶段电势/V —7.2 7.2

转折点温度/℃231.9 217.08 —

水平阶段温度/℃—197.38 197.38

4.根据表1、表2数据绘制Zn-Sn二组分共熔系统合金相图

水平阶段平均温度为（209.69+207.84+208.53+197.38+197.38）℃/ 5 = 204.16℃

图3 Zn-Sn二组分合金相图

5.Zn-Sn二元系统低共熔混合物的组成为8.8%Zn+91.2%Sn

最低共熔温度为204.16℃，与文献值200℃的相对误差为

e =| 204.16-200 | / 200 = 2.1%

【分析与讨论】

1.误差分析

实验得到的Zn-Sn二组分合金相图基本符合我们的实验结果，温度上存在一些误差，可能原因为：（1）根据步冷曲线得到的转折点与水平阶段的位置可能存在偏差，影响了相变温度的选择。

（2）将样品加热后拿到空气中的瞬间降温速度过快，导致步冷曲线平衡状态不明显。

（3）样品长期使用后可能发生部分氧化，组分存在误差。

（4）过冷现象的存在对实验结果的计算产生较大误差。

2.实验中遇到的问题分析

（1）样品冷却速度过快：