二组分金属相图的测绘

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二组分金属相图的测绘

实验学时：4 实验类型：（验证）

实验要求：（必修）

一、目的要求：

1. 学会用热分析法测绘Sn -Pb 二组分金属相图。

2. 了解纯物质和混合物步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

3. 学会JX-3DA 型金属相图测试仪的使用方法。

二、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两种金属混合物熔融后，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称为步冷曲线。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平滑的步冷曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。利用步冷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步冷曲线及相图如图1所示。

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，却会使转折点发生起伏，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1 根据步冷曲线绘制相图 图2 有过冷现象时的步冷曲线

三、仪器与药品

JX-3DA 型金属相图测试仪1台；分析天平； Sn(C.P .)；Pb(C.P .)；石墨粉。

四、实验步骤

1. 样品配制

把装有配制好的含铅0%、20%、38.1%、60%、80%和100%的铅锡混合物的样品管分别置于对应的坩埚中，注意样品管的放置顺序，插入对应编号的热电偶。

2. 测绘步冷曲线

（1）按图3连接好各部件。打开电源开关，预热10min 。 （2）参数的设置

将加热选择开关打到“1”档（“1”档1#、2#、3#、4#样品管同时加热，“2”档5#、6#、7#、8#样品管同时加热，“3”档9#、10#样品管同时加热）。

① 设置目标温度：按“设置”按钮，“状态”灯亮，加热速度显示器显示“o ”，按加热按钮直到出现“o 0000”→按“+1”或“-1”使加热速度显示器显示“4” →按“×10”一次扩大10倍，至目标温度为

400℃。

②设置保温功率：再按“设置”按钮使加热速度显示器显示“b 0000”→按“+1”或“-1”使加热速度显示器显示“5”→按“×10”一次扩大10倍使保温功率为50W。

③设置加热速度：再按“设置”按钮使加热速度显示器显示“c0000”→按“+1”或“-1”使加热速度显示器显示加热速度为30℃/min。

④按“设置”按钮，“状态”灯灭，设置结束→按“加热”按钮，加热指示灯亮，加热器开始工作（“▲▼”调整时钟记数1-99s，系统默认值为30s，本实验采用电脑记录数据，在程序中设置为15s）。

（3）当加热指示灯灭，样品已熔化时，按下“停止”按钮，系统降温，当温度降到比转折点温度或平台温度高20~30℃时按下秒表开始记录数据，每隔60秒记录一次，当样品管温度下降到最低共熔点以下20~30℃时，停止记录数据，将开关打到“2”档，用上述同样方法测量5#、6#样品的步冷曲线。

（4）实验结束，打开风扇使装置冷却至室温。打扫实验台面，关闭电源。

图3 JX-3DA型金属相图测试仪

五、注意事项

1.用电炉加热样品时，温度要适当，温度过高样品易氧化变质；温度过低或加热时间不够则样品没有完全熔化，步冷曲线转折点测不出。

2.热电偶热端应插到样品中心部位。

3.在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，以便节约时间。混合物的体系有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则须重新测定。

4.实验过程中所有样品管的位置不可移动。

5.操作要小心，防止烫伤。

6.样品管中若有烟冒出，可能是蒸汽泄漏，要及时处理。

六、数据处理

1. 根据记录的数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出各组分的步冷曲线。

2. 找出各步冷曲线中拐点和平台所对应的温度值，填入下表中。

编号 1 2 w Pb/% 0 20 38.1 60 80 100

拐点温度/℃

文献值/℃/ 200 / 240 276 /

平台温度/℃

文献值/℃232 181 181 181 181 327

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3.以温度为纵坐标，以物质组成为横坐标，绘出Sn-Pb金属相图。

七、思考题

1. 对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？为什么？

2. 作相图还有哪些方法？

3.是否可用加热曲线作相图，为什么？

4.为什么要用步冷曲线作相图？

5.为什么样品管中的样品要加盖石墨，并严防混入杂质？

6.冷却速度对实验有何影响？

7.如何确定未知样品的组成？

8.如何解释过冷现象？

【讨论】

1. 本实验成败的关键是步冷曲线上转折点和水平线段是否明显。步冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则转折就不明显。故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6～8℃/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V左右）来减缓降温速率。

2. 本实验所用体系一般为Sn-Pb、Sn-Bi、Cd-Bi、Pb-Zn等低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。石蜡油的沸点较低（大约为300℃），故电炉加热样品时注意不宜升温过高，特别是样品近熔化时所加电压不宜过大，以防止石蜡油的挥发和炭化。

3. 固-液系统的相图类型很多，二组分间可形成固溶体、化合物等，其相图可能会比较复杂。一个完整相图的绘制，除热分析法外，还需借用化学分析、金相显微镜、X射线衍射等方法共同解决。

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