實驗6 二組分合金相圖姓名 曹峻華 學號 2010011970 班級 材03 同組實驗者 李琦 實驗日期 2011-10-21 提交報告日期 2011.10.27 帶實驗的老師 柳清 1 引言人們常用圖形來表示體系的存在狀態與組成、溫度、壓力等因素的關系。以體系所含物質組成為自變量，溫度為應變量所得到的Tx圖是常見的一種相圖。二組分相圖已得到廣泛的研究和應用。固液相圖多用于冶金、化工等部門。較為簡單的二組分金屬相圖主要有三種；一種是液相完全互溶，凝固后，固相也能完全互溶成固熔體的系統，最典型的為CuNi系統；另一種是液相完全互溶而固相完全不互溶的系統，最典型的是BiCd系統；還有一種是液相完全互溶，而固相部分也互溶的系統，如PbSn系統。本實驗研究的BiSn系統就是這一種。在低共熔溫度下，Bi在固相Sn中最大溶解度為21（質量百分數）。熱分析法（步冷曲線法） 是繪制凝聚體系相圖時常用的方法。它是利用金屬及合金在加熱或冷卻過程中發生相變時，潛熱的釋出或吸收及熱容的突變，使得溫度時間關系圖上出現平臺或拐點，從而得到金屬或合金的相轉變溫度。由熱分析法制相圖，先做步冷曲線，然后根據步冷曲線作圖。通常的做法是先將金屬或合金全部熔化。然后讓其在一定的環境中自行冷卻，通過記錄儀記錄下溫度隨時間變化的曲線（步冷曲線）。以合金樣品為例，當熔融的體系均勻冷卻時（如圖2-6-1所示），如果系統不發生相變，則系統溫度隨時間變化是均勻的，冷卻速率較快（如圖中ab線段）；若冷卻過程中發生了相變，由于在相變過程中伴隨著放熱效應，所以系統的溫度隨時間變化的速率發生改變，系統冷卻速率減慢，步冷曲線上出現轉折（如圖中b點）。當熔液繼續冷卻到某一點時（如圖中c點），此時熔液系統以低共熔混合物的固體析出。在低共熔混合物全部凝固以前，系統溫度保持不變，因此步冷曲線出現水平線段（如圖中cd線段）；當熔液完全凝固后，溫度才迅速下降（如圖中de線段）。由此可知，對組成一定的二組分低共熔混合物系統，可根據它的步冷曲線得出有固體析出的溫度和低共熔點溫度。根據一系列組成不同系統的步冷曲線的各轉折點，即可畫出二組分系統的相圖（溫度組成圖）。不同組成熔液的步冷曲線對應的相圖如圖2-6-2所示。嚴格地講，BiSn合金是固態部分互溶凝聚系統，只是由于普通的熱分析方法靈敏度較低，無法測得固熔體相界數據，所以，我們通過本實驗得到的是BiSn二元合金的簡化相圖。一般說來，根據步冷曲線即可定出相界，但對于復雜相圖還必須有其它方法配合。才能畫出相圖。用熱分析法（步冷曲線法）繪制相圖時，被測體系必須時時處于或接近相平衡狀態，因此冷卻速率要足夠慢才能得到較好的結果。2 實驗操作2.1 實驗藥品、儀器及測試裝置示意圖藥品：Sn（AR）、Bi（AR）、松香、液體石蠟。儀器：熱電偶一支、立式電爐（500W）3個、調壓器3個、保溫杯1只、硬質玻璃試管5個、熱電偶套管（一端封死的細玻璃管）5支、沸點儀一套、自動平衡記錄儀1臺。2.2 實驗條件氣溫：20.5大氣壓：101.14kpa相對濕度：702.3 實驗操作步驟及方法要點1、配制樣品分別配制含Bi為30、57、80（均為質量百分比）的BiSn混合物各50g。另外稱純Bi、純Sn各50g，分別裝入5個硬質玻璃試管。管內加少量松香，以防金屬氧化。插入熱電偶套管于樣品中部，熱電偶套管中加入少量液體石蠟（用于導熱，防止熱電偶的熱滯后現象）。2、儀器安裝與調整連接電腦數據記錄裝置3、測量樣品的步冷曲線本實驗所用的三個電爐，兩個作為熔融樣品的電爐，一個作為記錄步冷曲線時的保溫電爐。將制作好的樣品放入立式小電爐內，接通電源，樣品熔化后用熱電偶套管將金屬樣品攪拌均勻，迅速放入保溫電爐。對于純金屬樣品保溫電壓約3040V，合金樣品保溫電壓約為1020V。調整好熱電偶套管位置（位于金屬樣品中下部），打開記錄儀開始記錄冷卻曲線。加熱下一個樣品時應使用另外一個熔融電爐，兩個電爐交替使用，待電爐溫度降到接近室溫時才可再次使用。4、測量水的沸點將熱電偶熱端插入沸點儀的氣液噴口處，測水的沸點，作為標定熱電偶溫度值的一個定點。沸點儀加熱電壓控制在30V左右。注意事項：1.通過升溫曲線判斷樣品是否熔化，全部熔化后即可停止加熱，溫度不宜升得過高。2.為了準確測定相變點，必須將熱電偶放在熔融體中下部，同時攪拌均勻。3.冷的樣品不可放入熱的爐子中，以防樣品碎裂。4.攪拌樣品時，樣品不要脫離電爐時間過長（也可直接在電爐中將樣品攪拌均勻），防止樣品冷卻凝固。5.注意桌面整潔，不要使電線或信號線與電爐接觸。3、結果與討論3.1 原始實驗數據實驗中用電腦采集數據得到的結果：樣品中Bi的質量分數（）拐點溫度T（K）0505.151.0293.152.7313.155483.155.3333.158.2353.1510458.1511.6373.1515435.1515.8393.1521406.8430400.3230462.3557406.8480461.4180402.06100544.15課本中給出的補充點數據：Bi的質量分數（）拐點溫度T（K）5483.1515435.1521406.8411.6373.155.3333.151293.1598.3473.1598448.1598.4406.843.2計算的數據、結果溫度（T/K）繪制出的二組分合金相圖如下：Bi的質量分數（）FGEDCBA3.3 討論分析3.3.1 相圖分析A區域：Bi-Sn合金的液相完全互溶區，在此區域內，兩個組分呈現出共溶態，體系為單相；B區域：Bi-Sn合金的固相與液相混合的固溶物（）與熔化物區，體系為兩相；C區域：Bi-Sn合金的固相與液相混合的固溶物（）與熔化物區，體系為兩相；D區域：Bi-Sn合金的固溶物（）區，體系為單相；E區域：Bi-Sn合金的固溶物（）區，體系為單相；F線：Bi-Sn的熔液、固溶體與固溶體三相共存G區域：Bi-Sn合金兩種固溶物共存區，體系為兩相。下面用相律分析相圖：實驗時氣壓可視為恒定，則由于無化學反應發生，Bi-Sn 二組分系統的條件自由度為：f =K +1，其中： f ：自由度； K ：獨立組分數，本實驗體系中為2； ：相數；則 f = 3 ，在相圖中每一部分應用上式，得：區域相數組分數C自由度數fABCDEFG1221132222222221122013.3.2 誤差分析實驗中測到的步冷曲線轉折點都比較明顯，說明誤差并不大。從圖中來看，30和80的第二個轉折點跟57時測得的步冷曲線轉折點不同，而理論上應該相同，估計誤差主要出現在以下幾點：1、步冷曲線測定時并沒有采用在電爐中保溫降溫的方法而是在空氣中冷卻，可能會使降溫速度太快，產生誤差。2、樣品在實驗前已經反復使用，可能會使內部組分發生一些變化，使測量不準確。3、溫度是通過測定水的沸點來確定的，水中可能會混有雜質使測量不準確。4、結論實驗測得的Bi-Sn二組分合金相圖如下：溫度（T/K）Bi的質量分數（）5、參考文獻1、清華大學化學系物理化學實驗編寫組物理化學實驗北京：清華大學出版社，19915866。2、朱文濤，物理化學（上冊）北京：清華大學出版社，1995250251。3、虞覺奇,易文質等編譯，二元合金狀態圖集上海：上海科學技術出版社，1997236。6、附錄思考題：1. 為什么能用步冷曲線來確定相界？答：在發生相轉變的時候，系統溫度的變化曲線會出現拐點。步冷曲線上拐點的位置與相轉變的溫度、組成（相界），存在著對應關系。因此可以用步冷曲線確定相界。2. 請用相律分析各冷卻曲線的形狀？答： 如圖，a-b段表征液態是的降溫過程，液相自由度f=2-1+1=2；b-c段表征液固兩相區中的降溫過程，自由度f=2-2+1=1；由于析出新相，自由度發生變化，所以b點處出現拐點。c-d段表征共晶過程，在共晶時f=2-1-2+1=0，溫度保持恒定，故出現平臺。d-e段表征固態時的降溫過程。3. 熱電偶測量溫度的原理是什么？為什么要保持冷端溫度恒定？答：將兩種金屬A，B的兩端分別焊接在一起，保持一個結點（冷端）溫度不變，改變另一個接點