二元合金相图

一、目的要求

1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。

2.了解热分析法的测量技术。

二、预习要求

1.掌握热分析法测量绘制相图的基本原理。

2.熟悉实验仪器的性能及使用方法，了解影响实验测定的各种因素。

3.理解步冷曲线的物理意义，掌握如何由实验数据绘制相图的方法。

三、基本原理

相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。

图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。

热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G、H。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。

图4.1 A-B体系相图                        图4.2 步冷曲线

从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下：

⑴ 被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。

⑵ 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时的组成值一致。如果测定过程中样品各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。

⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，测温探头必须深入到被测体系的足够深度处。

    本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY数字控温仪，通过KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。

四、仪器和药品

1.仪器

SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台；样品管一只。

2.药品

铅(CP)；锡(CP)。

五、实验步骤

1.如图4.3实验装置所示连接实验仪器。

图4.3  步冷曲线测量实验装置示意图

2.测定被研究体系的步冷曲线

⑴ 配制样品

用感量为0.1克的台称分别配制含锡量为20％、40％、61.9％、80%的铅—锡混合物各100克，另外称纯铅100克，纯锡80克，分别放在6个硬质破璃样品管中。

⑵ 依次测锡、铅以及含锡61.9％、80％、40％、20％等样品的步冷曲线。将样品管放在加热电炉中，让样品熔化(在样品上方覆盖一层石墨粉，以防止样品氧化)，加热方法见KWL-08可控升降温电炉使用方法和SWKY数字控温仪操作步骤。样品的温度不宜升得太高，一般在样品全部熔化后，再升高30℃左右即可(如升得太高，样品易氧化变质，而且将增加冷却时间；如太低，则不能明显地测得转折点)。将KWL-08可控升降温电炉的冷风量调节逆时针旋转到底（最小），加热量调节顺时针旋转到底（最大），“内控”、“外控”开关置于“外控”，电源“开”“关”置于“开”。采用SWKY数字控温仪控温时，由于玻璃试样料管内温度较炉膛内温度的滞后性，故当设置完成进行加热时，必须将温度传感器置于炉膛内。系统需降温时，再将温度传感器置于玻璃试样料管内（注意：当温度离设置温度30℃左右时，将加热量调节逆时针旋转减少加热电压，降低加热速度）。样品全部熔化后，电源“开”“关”置于“关”，让其缓慢冷却，每隔30秒钟或一分钟记录一次温度，直到步冷曲线的水平部分以下为止。

六、实验注意事项

1.实验中要注意控制升温熔化和降温冷却的速度。

2.每次实验要保证样品完全熔化，熔化完以后还要使温度升高30℃左右。

3.冷却时间要充分，直到温度下降到步冷曲线水平部分以下为止。

4.实验中保证样品不被影响物污染。

七、数据处理

实验数据记录：

 

 

1实验测得四组步冷曲线图

2.查表确定纯铅和纯锡的熔点。

纯铅的熔点为326℃，纯锡的熔点是232℃。

3.列表表明各样品的组成以及它们在步冷曲线上所有的转折点的温度，并以此作出Pb—Sn相图。

八、思考题

1.何为热分析法？用热分析法测绘相图时，应注意哪些问题？

答：热分析法就是先将体系加热融为一均一相慢慢冷却，每隔相同时间读一次数（温度），做时间与温度的函数。

注意的问题：一是体系必须处于或接近于平衡；二是被测体系的组成值与样品组成值一致；三是所测的温度必须能真实反映体系在所测时间时的温度值。

2.用项律分析各步冷曲线出现平台的原因。                                             答：由于熔融的均相冷却放出的热与体系向环境放出的热相等。

3.为什么在总质量相同但组成不同的熔融液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？

    答：因为组成的不同，各金属的属性不同，冷却时能相互影响，所以导致长度不等。

第二篇：物理化学实验报告 2

物理化学实验报告

                实验名称：二元合金相图