物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾

二组分合金相图

姓名：张腾 学号：2012011864 班级：化21

同组人姓名:田雨禾

实验日期：20xx年10月9日

提交报告日期：20xx年10月11日

指导教师：冯天成

1 引言

1.1 实验目的

（1）用热分析法（步冷曲线法）测绘 Bi-Sn 二组分金属相图。

（2）掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法。

（3）学会使用自动平衡记录仪。

1.2 实验原理

人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质组成为自变量，温度为应变量所得到的 T-x 图是常见的一种相图。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固－液相图多用于冶金、化工等部门。

较为简单的二组分金属相图主要有三种；一种是液相完全互溶，凝固后，固相也能完全互溶成固熔体的系统，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，而固相部分也互溶的系统，如 Pb-Sn 系统。本实验研究的 Bi-Sn 系统就是这一种。在低共熔温度下，Bi 在固相 Sn 中最大溶解度为 21％（质量百分数）。

热分析法（步冷曲线法） 是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，使得温度-时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相转变温度。由热分析法制相图，先做步冷曲线，然后根据步冷曲线作图。

通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷却，通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。

图 1 步冷曲线 图 2 步冷曲线与相图

以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（如图 1 所示），如果系统不发生相变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中 ab 线段）；若冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折（如图中 b 点）。当熔液继续冷却到某一点时（如图中 c 点）

，此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前，系统温

1

物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾 度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段（如图中 cd 线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中 de 线段）。

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可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。根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度-组成图）。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图 2 所示。严格地讲，Bi-Sn 合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，无法测得固熔体相界数据，所以，我们通过本实验得到的是 Bi-Sn 二元合金的简化相图。

一般说来，根据步冷曲线即可定出相界，但对于复杂相图还必须有其它方法配合。才能画出相图。

用热分析法（步冷曲线法）绘制相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图

2.1.1实验药品

Bi(AR)，Sn(AR)，Bi 组成分别为 30%、57%、80%的金属混合物。

2.1.2实验仪器

铂热电阻、立式电炉（500 W）2 个、调压器 3 个、保温杯 1 只、硬质玻璃试管 5 个、铂电阻套管（一端封死的细玻璃管）5 支、沸点仪一套、数字温度计 1 台（电脑采集信号）。

测试装置示意图：

2.2 实验条件

实验温度：20.2 ℃，大气压：100.85 kPa

2.3 实验操作步骤及方法要点

样品的配制已经完成，无需自行配制。温度的记录也由电脑软件完成。 主要操作步骤如下：

（1）选取两支样品管放入电炉中至金属熔化。用铂热电阻、电脑采集软件监测其中之一的温度，大约升到 300℃

时可停止加热，将熔化金属从电炉中取出，置于立架上自然冷

2

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却；

（2）重新使用温度监测软件，描绘熔化金属液的步冷曲线。待金属全部凝固后，约 100 ℃时停止。保存步冷曲线；

（3）换另一支样品管重复上述步骤，直到完成所有金属的步冷曲线； （4）打开沸点仪，加热至水沸腾，用铂热电阻测定水的加热曲线。

3 结果与讨论 3.1 原始实验数据

表1. 金属合金组成与拐点、平台温度原始数据

混合物组成 含 Bi 30% 含 Bi 30% 含 Bi 57% 含 Bi 80% 含 Bi 80% 纯Bi 纯Sn

注：30%Bi和80%Bi两样品有两个相变点，这分别为两种固溶体的相变温度。

修正后温度 T/℃

186.81 131.33

135.67 216.88 134.99 268.46 235.16

3.2 计算的数据、结果书中给出了固溶体的相关数据

表 2. Bi-Sn 固溶体相界线数据

在Bi的组成为57%时为低共熔点。因此可以近似认为三相线温度为低熔点温度，即127.97℃。 以下相图中各条线的数据点分开。 表 3. 凝固点线数据 Bi含量 0 0.3 0.57 0.8 1

T/℃ 235.16 186.81 135.67 216.88 268.46

表4. 三相线数据 Bi含量 0.3 0.57 0.8

T/℃ 131.33 135.67 134.99

3

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表5. 固溶体数据

Bi含量

0.05 0.15

0.21

0.116

0.01

0.983

0.98

0.984

0.99

1 T/℃ 210 162 135.67 100 20 200 175 135.67 100 50

3.3 讨论分析

3.3.1 相图

由以上数据作出相图：

300300

250250200200

temperature(C)O150150100100

5050

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.901.0

w(Bi)

3.3.2 各区分析

（1）三相线：PEG

表示三相平衡共存：低共熔物???=57%，固溶体α(???=21%)，固溶体

β(???=98.4%)，相数Φ=3，自由度数f*=0；

（2）凝固点线：MEQ

ME：液相l+α，相数Φ=2，自由度数f*=1；

QE：液相l+β，相数Φ=2，自由度数f*=1。

4

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（3）区域：

MEQ 以上：液相混合物L，相数Φ=1，自由度数f*=2；

MPE 区：液相l +α，相数Φ=2，自由度数f*=1；

QEG 区：液相l +β，相数Φ=2，自由度数f*=1；

MPF 区：固溶体α，相数Φ=1，自由度数f*=2；

QGH 区：固溶体β，相数Φ=1，自由度数f*=2；

FPEGH 区：固溶体α+β，相数Φ=2，自由度数f*=1；

4 结论

本实验通过测量5个不同样品的步冷曲线，获得了5组相变点，结合书中给出的补充数据，在进行修正后得到了Bi-Sn的二元相图。Bi-Sn低共熔混合物组成为???=57%；Bi可在Sn中形成部分固熔体。从外形上看，该相图与之前理论课中的非常相似，曲线走势也比较平滑，说明实验操作合理、没有出现较大的实验失误。

5 参考文献

（1）清华大学化学系物理化学实验编写组. 物理化学实验. 北京：清华大学出版社，1991.

（2）贺德华，麻英，张连庆编. 基础物理化学实验. 北京：高等教育出版社，2008.5.

（3）朱文涛编著. 物理化学. 北京：清华大学出版社，1995.8.

6 附录

6.1 思考题

（1）为什么能用步冷曲线来确定相界？

当液态合金体系在室温下冷却时，温度随时间变化是均匀的，且冷却速率较快。但是如果发生了相变，将会释放相变潜热，相变过程中系统温度较为稳定。此时冷却速率会明显降低，在步冷曲线上会出现转折点。因此在步冷曲线，一旦出现冷却速率降低，或是图像出现转折、回升，都表示相变过程。

（2）请用相律分析各冷却曲线的形状？

第一条：此条曲线表示纯Sn，熔融状态是单组分液相体

系，自由度为1。样品在自然冷却时温度均匀降低，在凝固

时析出纯Sn固体，变为2相，此时自由度为0，温度不变。

直到完全凝固后又变为单相，自由度为1，此后温度降低。

第五条为纯Bi，同理。

第二条：此条曲线表示两组分合金。当降温后先析出其

中一种金属此时自由度f=2-2+1=1，因此温度持续下降。但

是由于会放出凝固热，降温变慢，斜率变缓。当降温到低共

熔点时，Bi-Sn将以一个固定的比例共同析出。此时体系为熔液、Sn、Bi三相共存，f=0，温度不会变化，出现平台。液相消失后，剩下两种固相，f=1，温度又会继续下降。第四条同理。

第三条：此条曲线表示低共熔组成的合金。此时温度一直下降到凝固点时，两种金属一起析出。f=2-3+1=0，此时组成、温度均不变化。故此时直接与熔液同组成比例地析出Sn、Bi固体。直到熔液全部凝固，剩下与熔液同组成的金属固体，温度继续下降。

（3）热电偶测量温度的原理是什么？为什么要保持冷端温度恒定？

5

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热电偶测量原理如下：将不同金属材料的两根导线的一段焊接在一起，保持一个接点（冷端）温度T0不变，改变另一接点温度T，在线路中则会产生热电势，通过热端温度与热电势对应关系便测得热端温度。

测量过程需保持冷端温度必须恒定，是因为它的变化也会导致测得电势差的变化，也就无法根据对应关系确定热端温度了。

（4）步冷曲线各段的斜率以及平台的长短与哪些因素有关？

斜率主要与以下几个因素有关：

a. 由于二者热容不同，因此斜率与合金组成有关；

b. 保温温度和熔体温度：温差越大，降温速率越大，从而斜率也越大；

c. 混合物质量；

d. 系统传热面积A和总传热系数K。

水平段的长短则与析出物的凝固热、低共熔体的热容有关。

6.2 实验小结

本次实验总体没有出现大的障碍，唯一存在问题的地方在于实验中采集80%的样品数据时没有得到很好的步冷曲线，在重复实验后仍然没有得到较好的效果，所以这很可能是由于样品本身的问题所导致，在这上面我们也耽误了一点时间。另外，由于实验中只提供了一个测温装置，在一个样品进行冷却采集数据时另一个样品进行加热时很难控制加热样品的温度，这样很容易使加热温度过高或不够，都会影响实验的进度，所以建议再配一套测温装置可以同时进行两个样品的加热和冷却。

6

第二篇：二组分合金相图的绘制实验报告

二组分合金相图的绘制

一、           实验目的：

1.通过实验，用热分析法测绘锡-铋二元合金相图。

2.了解热分析法的测量技术与有关测量温度的方法。

二、           实验原理：

    绘制相图常用的基本方法，其原理是根据系统在均匀冷却过程中，温度随时间变化情况来判断系统中是否发生了相变化。将金属溶解后，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。若熔融体系在均匀冷却的过程中无相变，得到的是平滑的冷却线，若在冷却的过程中有相变发生，那么因相变热的释放与散失的热量有所抵偿，步冷曲线将出现转折点或水平线段，转折点所对应的温度即为相变温度。

时间

       （a）纯物质             （b）混合物         （c）低共熔混合物                       

图1   典型步冷曲线

   对于简单的低共熔二元合金体系，具有图1所示的三种形状的步冷曲线。由这些步冷曲线即可绘出合金相图。如果用记录仪连续记录体系逐步冷却温度，则记录纸上所得的曲线就是步冷曲线。

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，因此体系的冷却速度必须足够慢才能得到较好的结果。

Sn—Bi合金相图还不属简单低共熔类型，当含Sn 81%以上即出现固熔体。

三、           实验仪器和药品：

仪器和材料：金属相图实验炉（图2），微电脑温度控制仪，铂电阻，玻璃试管，坩埚，台天平。

药品：纯锡（CR）、纯铋（CR），石墨。

四、           实验步骤：

1.配制样品

用感量为0.1g的托盘天平分别配制含铋量为30%、58%、80%的锡铋混合物各100g，另外称纯铋100g、纯锡100g，分别放入五个样品试管中。

2.通电前准备

①    首先接好炉体电源线、控制器电源、铂电阻插头、信号线插头、接地线。                     

图2    金属相图实验炉接线图

②将装好药品的样品管插入铂电阻，然后放入炉体。

③设置控制器拨码开关：由于炉丝在断电后热惯性作用，将会使炉温上冲100℃—160℃（冬天低夏天高）。因此设置拨码开关数值应考虑到这一点。例如：要求样品升温为350℃，夏天设置值为170℃。当炉温加热至170℃时加热灯灭，炉丝断电，由于热惯性使温度上冲至350℃后，实验炉自动开始降温。

④将炉体黑色旋钮（电压指示旋钮）反时针旋转到底，处于保温状态。                  

3．通电工作

①通电升温：接通电源，控制器显示室温，加热灯亮，炉体上电压表指示电压值，炉体开始升温。

②炉体自动断电：当炉内温度（即显示温度）高于设置温度后，加热灯灭，电压表指零，炉内电流切断，停止加热。

③限温功能：为了防止拨码开关值设置过大而损坏铂电极，软件功能使拨码开关百位数不大于2，即温度最高设置值为299℃（万一拨码开关百位数大于2，程序中也认为是2）这样温度上冲后不会超过铂电阻的极限值500℃。

④一次加热功能：由于实验中按先升温后降温的顺序进行，所以软件中采取一定的措施使得温度降到低于拨盘值时仍不加热，只有操作人员按复位键或重新通断一次电源，炉体才重新开始加热至拨码开关值。

⑤中途加热：当炉体升温未达到要求温度时，如果显示温度小于299℃，则可增加拨码开关数值后再按一下复位键，加热继续进行。当显示温度超过299℃时，把黑色旋钮向顺时针旋动（工作人员不能离开），这时炉体继续加热，注意应提前切断炉丝电流（防止热惯性使温度上冲过高），即反时针旋动黑色旋钮至电压指示为零。

⑥保温功能：由于冬季气温较低，为防止温度下降太快，不易发现拐点平台现象，可将黑色旋钮顺时针旋动，使电压表指示20V—40V，使炉体中有少量的保温电流。正常温度下降为一分钟4℃左右。

⑦报时功能：按定时键可选择15—60秒的定时鸣笛，按第一次，显示15秒，第二次显示30秒，依次类推，按复位键可使叫声停止。

4.测步冷曲线

依次测纯铋、含铋30％、58％、80％的铋锡混合物及纯锡等的步冷曲线，方法如下：将装了样品的样品管放入金相相图实验炉，接通电炉电源，样品熔化后，在样品上面覆盖一层石墨粉或松香(防止金属被氧化)，用小玻棒将熔融金属搅拌均匀。同时将铂电阻热端插入熔融金属中心距样品管底1cm处。样品温度不宜升得太高，一般在熔化全部金属后，再升高30℃即可停止加热，让样品在样品管内缓缓冷却，同时开动微电脑控制器，冷却过程中每隔一分钟记录一次控温仪上的温度读数，记录冷却曲线。冷却速度不能太快，最好保持降温速度在6—8℃min^-1。

五、            实验数据记录及处理

室温：25℃   气压：1atm

冷却过程中每隔一分钟记录一次控温仪上的温度读数添入下表 单位（℃）

温度校正

由以上数据作图得：

 

六、            注意事项：

1.测试时，发现温度上升至450℃，并且加热灯继续亮或者电压表不回零，应迅速提出铂电阻防止烧坏。

2.测试结束后，拨码开关应置于零，黑色旋钮应反时针旋到底，防止他人通电试验时一直升温而出事故。

3.工作时操作人员不能离开。