二组分金属相图

一、实验目的
1.用热分析法(步冷曲线法)测相变点，绘制Bi-Cd二组分金属相图。

2.掌握热电偶测量温度的基本原理；以及数字控温仪和可控升降温电炉的基本原理和使用。

二、实验原理
热分析法是绘制相图的基本方法之一。

它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收级热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。

在定压下将体系从高温逐渐冷却，作温度对时间的变化曲线，即为步冷曲线。

体系若有相变，必定伴随着热效应，即从步冷曲线中会出现转折点。

从步冷曲线有无转折点就可以知道有无相变。

测定一系列质量百分比含量不同的样品的步冷曲线图，从步冷曲线图上找出各相应体系发生相变的温度，就可以绘出被测体系的金属相图，如图所示。

温度 K
1 2 3 4
a 步冷曲线
b 二组分金属相图
现根据一组实验数据作出步冷曲线图，如图所示。

纯物质的步冷曲线（曲线1、4），以曲线1为例。

当曲线1的温度不断冷却，至544K时，达到纯铋的凝固点，铋开始转化为固体，在低共熔混合物全部凝固之前，系统温度保持不变。

出现水平线段。

当溶液完全凝固后，温度才迅速下降。

混合物的步冷曲线（曲线2、3）不同于纯物质，当温度下降到拐点a 时，出现一段曲线ao，当温度下降到o点后，温度维持不变，然后才直线下降。

这是因为当温度下降到a点是，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，故其平衡温度也不断随之变化，直到达到气低共熔点温度o时，体系平衡，温度保持不变，直到液相完全凝固后，温度才又迅速下降。

用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的成分，在对应的纵坐标上
标出开始出现相变的温度，连接并作出气延长线相交于o点（o点为铋镉的
最低共熔点），即可作出相图。

三、实验步骤
1.配制质量百分比为0%、25%、50%、75%、100%的铋、镉混合物各100克，
分别装入硬质试管中，再加入少许石蜡油（约3克），以防金属加热过程
中接触空气而氧化。

2.按实验装置连接示意图，将SWKY数字控温仪与KWL-08可控升降温电炉
连接好，接通电源，将电炉接于外控状态。

3.预先将不锈钢炉膛保护筒放进炉膛中，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370℃，
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。

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。

4.将控温仪置于“置数”状态，“加热量调节”旋钮逆时针调至零，停止
加热。

调节“冷风量调节”旋钮（电压调至6V），使冷却速度保持在4~6℃
/分，设置控温仪的定时间隔，30秒记录温度一次，直到步冷曲线平台
以下，结束一组实验，得出该配比样品的步冷曲线数据。

5.重复步骤3~4，依次测出所配各样品的步冷曲线数据。

6.根据所测数据，绘出相应的步冷曲线图。

再进行铋、镉二组分体系相图
的绘制。

注出相图中各区域的相平衡。

四、注意事项
1.热电偶的端点应插在中央位置。

2.松香发黑碳化后，要及时补充松香。

3.样品和炉子的温度比较高，注意避免烫伤。

4.被测体系必须时时处于非常接近相平衡状态，体系冷却时，冷却速度必须
合适。

5.被测体系的组分必须自始至终不发生变化。

因此应保证样品各处均匀并防
止氧化。

6.测得的温度必须和体系的实际温度相符合。

7.升温不能太高。

8.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。

设定温度不能过高，一般不超过金属熔点的30~50℃，以防石蜡
油碳化，而使金属氧化。

9.冷却速度不宜过快，以防曲线转折点不明显。

10.本实验可配置软件，与电脑连用，实现步冷曲线电脑自动绘图。

五．实验数据记录及处理
纯锡的步冷数据记录
时间0 30 60 90 120 150 180 210 240 270
温度237.7 235.8 233.9 231.9 231 231.2 231.3 231.3 231.3 231.2 时间300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 温度231.2 231.1 231 231 230.9 230.8 230.8 230.6 230.5 230.4 时间600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 温度230.3 230.3 230.2 230 229.8 229.5 228.8 225.4 220.9 216.5
25%锡的与75%的铋的步冷数据记录
时间（s）0 30 60 90 120 150 180 210 240 温度（℃）219 215.1 211.3 207.7 204.6 202.7 202.7 202.5 201.6 时间（s）270 300 330 360 390 420 450 480 510 温度（℃）200.5 199.2 197.9 196.6 195.2 193.5 191.8 190.2 188.6 时间（s）540 570 600 630 660 690 720 750 780 温度（℃）186.9 185.4 183.8 182.2 180.6 179.1 177.6 176.5 175.1 时间（s）810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 温度（℃）174.1 172.8 171.4 170 168.7 167.6 166.2 164.9 163.5
25%的铋与75%的锡的步冷数据记录
时间0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 温度237.7 236.3 234.8 233.2 231.5 229.9 228.3 226.6 224.9 223.2 时间300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 温度221.4 219.7 218 216.4 214.9 213.5 212.2 210.7 209.2 207.6 时间600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 温度206.2 204.6 203.2 201.5 203.1 203.1 203.1 202.1 201.1 200.2 时间900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 温度199.1 198.2 197.2 196.2 195.1 194 193 191.9 190.9 189.8
纯铋的步冷数据记录
时间0 30 60 90 120 150 180 210 240 温度276 275 274.1 273.2 272.3 271.1 271.1 271.1 271.1 时间270 300 330 360 390 420 450 480 510 温度271 270.4 269.9 269.3 268.9 268.5 267.9 267.4 266.9 时间540 570 600 630 660 690 720 750
温度266.4 265.8 265.2 264.6 263.9 263.2 262.7 262
六、实验结果
由二组分金属相图可以看出铋-锡合金的最低共熔点是164℃，对应铋的百分比含量是61%，锡的百分比含量是49%
七、误差分析
合金或纯组分金属由液相转变为固相的降温过程中，由于降温速率较快而使得平衡点温度的测量不准确，导致测量有误差。

冷风量调节旋钮调节过大也会影响温度的测量准确性。

升温过程中温度较高使得部分样品氧化，导致温度测量出现较大误差。

八、实验讨论
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。

九、思考题
1、步冷曲线法测定相变点的特点及适应范围。

答：特点：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，来得到金属及合金中相变的温度，其操作简便而且可直接的读出相变点;使用范围：熔点较低，不挥发且热熔较大相变点温度有较明显变化的金属及合金。

2、冷却速度与哪些因素有关？
答:冷却速度与冷却电压的高低、金属本身潜热和热熔的大小、环境温度的高低有关。

十、实验总结
通过二组分金属相图的实验，使我对用步冷曲线法测相变点实验的实质有更深层次的理解。

在实验的过程中关键是设定温度不能过高，而且冷却速度不宜过
快。