物理化学实验报告二组分简单共熔合金相图绘制

一、实验目的

1．掌握步冷曲线法测绘二组分金属的固液平衡相图的原理和方法。

2、了解固液平衡相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。

二、主要实验器材和药品

1、仪器：KWL-II金属相图(步冷曲线)实验装置、微电脑控制器、不锈钢套管、硬质玻璃样品管、托盘天平、坩埚钳

2、试剂：纯锡（AR）、纯铋（AR）、石墨粉、液体石蜡

三、实验原理

压力对凝聚系统影响很小，因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响，故根据相律，二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量,其相图为温度组成图。

较为简单的组分金属相图主要有三种:一种是液相完全互溶，凝固后固相也能完全瓦溶成固体混合物的系统最典型的为Cu- Ni系统;另一种是液相完全互溶，而固相完全不互溶的系统,最典型的是Bi- Cd 系统;还有一种是液相完全互溶，而固相是部分互溶的系统，如Pb- Sn或Bi- Sn系统。

研究凝聚系统相平衡,绘制其相图常采用溶解度法和热分析法。溶解度法是指在确定的温度下，直接测定固液两相平衡时溶液的浓度，然后依据测得的温度和溶解度数据绘制成相图。此法适用于常温F易测定组成的系统，如水盐系统。

热分析法(步冷曲线法)则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系，这是绘制金属相图最常用和最基本的实验方法。它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。其原理是将系统加热熔融，然后使其缓慢而均匀地冷却，每隔定时间记录一次温度，物系在冷却过程中温度随时间的变化关系曲线称为步冷曲线(又称为冷却曲线)。根据步冷曲线可以判断体系有无相变的发生。当体系内没有相变时，步冷曲线是连续变化的;当体系内有相变发生时，步冷曲线上将会出现转折点或水平部分。这是因为相变时的热效应使温度随时间的变化率发生了变化。因此，由步冷曲线的斜率变化可以确定体系的相变点温度。测定不同组分的步冷曲线，找出对应的相变温度，即可绘制相图。

图3- 15(b)是具有简单低共熔点的A- B二元系相图,左右图中对应成分点、的步冷曲线。下面对步冷曲线作简单分析。

在固定压力不变的条件下,相律为:

f=c-φ+1 (3-6-1)

式中:c为独立组分数;为相数。

对于纯组分熔融体系,c=1,q=1。在冷却过程中若无相变化发生，其温度随时间变化关系曲线为平滑曲线。到凝固点时，固液两相平衡,=2,自由度为0,温度不变，出现水平线段。等体系全部凝固后,其冷却情况同纯熔融体系一样，呈一平滑曲线。图3- 15(a)中曲线ave 属于这种情况。

曲线C是低共培体冷却曲线,情况与相似.水平线段的出现是因为当冷却到头能点温度r。时，A和B同时标出，且固相中的比例与溶液中相同,因此溶液浓度不变,从街具备了稳定的凝固点。此时固体和液相三相共存，体系自由度f为0(c=2ψ=3)温度不变。

对于曲线b,当温度冷却至T时，有固相A析出，由于放出凝固热，使体系冷却速度变慢,步冷曲线斜度减小。此时体系为两相,根据相律，f为1(c=2, φ=2)，温度和溶液的组皮中只有一个独立变量(即两者相互关联)。随着A的不断析出，溶液中B的含量增加，而被相组成沿液相线朝最低共熔点方向移动。当温度降至T时,B也析出，此时体系三相共存，自由度为0,出现水平线段。水平段代表二元系中三相平衡的情况，在此段只是溶液量减少固相量增加,而温度保持不变。当液相完全消失后，温度又开始下降，曲线与液体冷却曲线相似。曲线d与b的冷却情况相同，只是冷至T时，所析出的固体为纯B。

由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物 7$系统，可以根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据-系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出组分系统的相图(温度组成图)。

用热分析法(步冷曲线法)绘制相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率 b要足够慢才能得到较好的结果。此外，在冷却过程图3-16中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象,轻具有过冷现象时的步冷曲线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，如图3- 16。遇此情况，可延长dc线与ab线相交,交点e 即为转折点。

五、实验过程（包括步骤、装置图、注意事项）

实验步骤

1.配制样品

用最小刻度为 g的托盘天平分别配制含钱25% .58%、70% .90%的铋锡混合物和纯锡纯铋各100g.装人6个样品管中。样品上覆盖层石器粉以防止金属氧化。

2.测量样品的步冷曲线

将装有样品的试管放人炉内，把铂电极温度计插人样品管中使其顶部离样品管底约 1 cm)。接通电源，根据不同组成设置加热温度,使样品加热熔融。

炉温控制在以样品全部熔化后再升高50℃为宜。调节加热功率和冷却风速控制电炉的冷却速率，通常为每分钟下降6℃~8℃每隔30s读取一次温度数值,直至三相共存温度以下约50℃。

六、数据处理（包括数据的列表、整理计算、作图、结果讨论。注：必须把原始数据按照教材上表格的形式列表）

（1）数据记录

（2）室温：℃ 大气压：

铋的含量（质量百分比）

0% 25% 58% 70% 90% 100% 平台/拐点/℃

最低共熔点/℃

01020304050100

120

140

160

180

200

220240

260

280

300

020*********

100150200250300100150200250

300T /℃T /℃

t/min 液相区固液共存区固相区低共熔点Sn Bi T /℃x B

液相区，f=2，φ=1

固液两相区，f=1，φ=2

三相平衡区，f=0，φ=3（低共熔点）

七、思考题

1、试用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因

因为金属熔融系统冷却时，由于金属凝固放热对体系散热发生一个补偿，因而造成冷却曲线上的斜率发生改变，出现折点。当温度达到了两种金属的最低共熔点，会出现平台。

2、何为步冷曲线用步冷曲线法绘制相图时，应注意哪些问题

步冷曲线是热分析法绘制凝聚体系相图的重要依据。步冷曲线上的和转折点表征某一温度下发生相变的信息,二元凝聚体系相图可根据步冷曲线来绘制.常规的手工绘图方法不仅繁琐而且不可避免地会引入人为误差,随着计算机技术在数据处理方面的应用,可利用计算机编辑。步冷曲线是晶体的熔点组成的曲线,可以得到晶体在不同温度时的组成和熔点的变化情况。

3、为什么在不同组分的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同