物理化学实验金属相图

1、实验六实验六 二元组分金属相图二元组分金属相图一一 实验目的实验目的1. 1. 学会用热分析法测绘学会用热分析法测绘SnSnBiBi二组分金属相图。二组分金属相图。 2. 2. 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。 3. 3. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。掌握自动平衡记录仪的使用方法。法。掌握自动平衡记录仪的使用方法。 二二 基本要求基本要求（1 1）学会用热分析法测绘）学会用热分析法测绘Sn-BiSn-Bi二组分二组分

2、金属相图。金属相图。 （2 2）了解热电偶测量温度和进行热）了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。电偶校正的方法。 测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，原理是将测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，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步一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线称步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变时，温度将冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变时，温度将连续均匀下降得一平滑的步冷曲线；当体系内发生相变则连续均匀下降得一平滑的步冷曲线；当体系

3、内发生相变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，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，转折点对应的温度，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点对应的温度，为该组成体系的相变温度。利用步冷曲线所得到的一系列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，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，把这些点连起来，就可纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连起来，就可绘出相图。二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图绘出相图。二元简单低共熔体系的冷却曲

4、线具有图5-15-1所所示的形状示的形状 三三 实验原理实验原理图6-1 根据步冷曲线绘制相图 三三 实验原理实验原理用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于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，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；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，使相但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确

5、定产生困难。见图变温度的确定产生困难。见图2-5-22-5-2。遇此情况，。遇此情况，可延长可延长dcdc线与线与abab线相交，交点线相交，交点e e即为转折点即为转折点。三三 实验原理实验原理图6-2 有过冷现象时的步冷曲线 四四 仪器试剂仪器试剂立式加热炉立式加热炉1 1台；台；保温炉保温炉1 1台；镍铬台；镍铬- -镍硅热电偶镍硅热电偶1 1副；副；不锈钢样品管不锈钢样品管4 4个；个；250mL250mL烧杯烧杯1 1个个 Sn(Sn(化学纯化学纯) )；Bi(Bi(化学纯化学纯) )；石；石腊油；石墨粉。腊油；石墨粉。 五五 实验步骤实验步骤1. 1. 样品配制样品配制 用感量用感

6、量0.1g0.1g的台称分别称取纯的台称分别称取纯SnSn、纯、纯BiBi各各50g50g，另配制含，另配制含锡锡20%20%、40%40%、60%60%、80%80%的铋锡混合物各的铋锡混合物各50g50g，分别置于坩，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。 2. 2. 绘制步冷曲线绘制步冷曲线 (1) (1) 将热电偶及测量仪器连接好将热电偶及测量仪器连接好。 五五 实验步骤实验步骤图6-3 步冷曲线测量装置 1.加热炉 2.不锈钢管 3.套管 4.热电偶 五五 实验步骤实验步骤(2) (2) 将样品放入加热炉内加热将样品放入加热炉内加热( (炉温不

7、超过炉温不超过400)400)。待。待样品熔化后停止加热，用玻璃棒将样品搅匀，并在样品样品熔化后停止加热，用玻璃棒将样品搅匀，并在样品表面撒一层石墨粉，以防止样品氧化。表面撒一层石墨粉，以防止样品氧化。 (3) (3) 将坩埚移至保温炉中冷却，热电偶的尖端应置于样将坩埚移至保温炉中冷却，热电偶的尖端应置于样品中央。同时开启记录仪绘制步冷曲线，直至水平线段品中央。同时开启记录仪绘制步冷曲线，直至水平线段以下为止。以下为止。(4) (4) 用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。 l1 1、将温度传感器插入样品管细管中，样品管放将温度传感器插入样品管细管中，样品管放 入

8、加热炉，炉体的挡位拨至相应炉号。入加热炉，炉体的挡位拨至相应炉号。l2 2、按、按“设置设置”按钮，温度显示器按钮，温度显示器( (左左) )显示显示“C”C”，为设，为设置目标温度置目标温度(100-500)(100-500)，按，按“+1”+1”增加，按增加，按“-1”-1”减减少，按少，按“X10”X10”左移一位扩大左移一位扩大1010倍，相应显示在加热倍，相应显示在加热功率显示器功率显示器( (右右) )上。上。l3 3、再按再按“设置设置”按钮，温度显示器显示按钮，温度显示器显示“P1”P1”，设置，设置加热功率加热功率(50-500W)(50-500W)，按，按“+1”+1”增加

9、，按增加，按“-1”-1”减少，减少，按按“X10”X10”左移一位扩大左移一位扩大1010倍，显示在加热功率显示器倍，显示在加热功率显示器( (右右) )上。上。 五五 实验步骤实验步骤五五 实验步骤实验步骤l4 4、再按、再按“设置设置”按钮，温度显示器显示按钮，温度显示器显示“P2”P2”，设置，设置保温功率保温功率(1-50W)(1-50W)，按，按“+1”+1”增加，按增加，按“-1”-1”减少，减少，按按“X10”X10”左移一位扩大左移一位扩大1010倍，显示在加热功率显示器倍，显示在加热功率显示器( (右右) )上。上。l5 5、再按再按“设置设置”按钮，温度显示器显示按钮，温

10、度显示器显示“t1”t1”设置报设置报警间隔时间警间隔时间(1-99s)(1-99s)，按，按“+1”+1”增加，按增加，按“-1”-1”减少，减少，按按“X10”X10”左移一位扩大左移一位扩大1010倍，显示在加热功率显示器倍，显示在加热功率显示器( (右右) )上。上。五五 实验步骤实验步骤l6 6、 再按再按“设置设置”按钮，温度显示器显示按钮，温度显示器显示“n”,n”,设置设置是否报警，是否报警，n=1n=1表示报警表示报警( (蜂鸣器发声蜂鸣器发声) )，n=0n=0表示不报警表示不报警( (蜂鸣器不发声蜂鸣器不发声) )，显示在加热功率显示器，显示在加热功率显示器( (右右)

11、)上。上。l7 7、再按再按“设置设置”按钮，为确定。按钮，为确定。l8 8、按按“加热加热”按钮，加热器开始加热。按按钮，加热器开始加热。按“停止停止”按按钮，加热器停止加热或自动停止加热。钮，加热器停止加热或自动停止加热。六、六、 注意事项注意事项 1.1.用电炉加热样品时，温度要适当，温度过高样品易氧化用电炉加热样品时，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。冷曲线转折点测不出。 2. .热电偶热端插到样品中心部位，管内注入少量的石腊油，热电偶热端插到样品中心部位，管内注入少量的

12、石腊油，热电偶浸入油中。搅拌时注意勿使热端离开样品，金属熔热电偶浸入油中。搅拌时注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点变动。变动。 3.3.在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，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，体系有两个转折点，必须待第二个转折点以便节约时间，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。测完后方可停止实验。 4.4.电炉加热到设定温度后，注意将电炉电压调到零。电炉加热到设定温度后，注意将电炉电压调到零。 七七 数据处理数据处理 1.

13、1. 根据记录的时间和温度绘根据记录的时间和温度绘制步冷曲线图。制步冷曲线图。 2. 2. 找出各步冷曲线中拐点和找出各步冷曲线中拐点和 平台对应的温度值。平台对应的温度值。 3. 3. 以温度为纵坐标，以物质组成以温度为纵坐标，以物质组成 为横坐标，绘出为横坐标，绘出SnSnBiBi金属相图。金属相图。 Sn-Bi二元相图的绘制二元相图的绘制Sn-Bi二元相图的绘制1.0Sn1.0BiAOABaeH505546bCDD0.75BidFG0.6BicESn(s)+熔化物熔化物（单相）熔化物+Bi(s)AHCDFGESn(s)+Bi(s)0.3Bi Sn 100铋的质量分数Bi 1000.20.

14、40.60.8八八 实验成败的关键实验成败的关键 （1 1）温度要适当，温度过高样品易氧化变质；温度过低或加）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全部融化，步冷曲线转折点测不出。热时间不够则样品没有全部融化，步冷曲线转折点测不出。 （2 2）热电偶热端应插到样品中心部位。将热电偶浸入油中。）热电偶热端应插到样品中心部位。将热电偶浸入油中。搅拌时要注意勿使热端离开样品。搅拌时要注意勿使热端离开样品。（3 3）合金有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停）合金有两个转折点，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。止实验；否则，须重新测定。 九九

15、实验讨论实验讨论1. 1. 本实验的关键是步冷曲线上折变和水平线段是否明显。本实验的关键是步冷曲线上折变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、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，体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则就不明显。否则就不明显。故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6/min 6/min 8/min8/min，在冬季室温较低时，就，在冬季室

16、温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V20V左右）来减缓降温速率。左右）来减缓降温速率。九九 实验讨论实验讨论2. 2. 本实验所用体系为本实验所用体系为Sn-Bi、Cd-Bi或或Pb-Zn等低熔点等低熔点金属体系，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，防止样品的挥发和在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。氧化。3.BiSn相图是具有代表性的部分互溶固液体系相图。相图是具有代表性的部分互溶固液体系相图。这种体系由三个两相区和一条三相共存线。但是两侧各这种体

17、系由三个两相区和一条三相共存线。但是两侧各有一个固溶区，以有一个固溶区，以Sn为只要成分的为为只要成分的为区，以区，以Bi为主要成为主要成分的为分的为区。一个相图的完整绘制，除了采用热分析法外，区。一个相图的完整绘制，除了采用热分析法外，常需借助其它技术。例如常需借助其它技术。例如相的存在和固溶区线的确定，相的存在和固溶区线的确定，可用金相显微镜、可用金相显微镜、x射线衍射方法以及化学分析法等。射线衍射方法以及化学分析法等。 505546熔化物（单相）熔化物+Bi(s)AHESn(s)+Bi(s)+固熔体 熔化物0.20.40.81.00.60固熔体真实的真实的SnSnBiBi二元相图二元相图十 思考题 1. 1. 对于不同成分的混合物的步冷曲线，