河北科技大学-金属相图实验教案

河北科技大学教案用纸第1页共6页第次课4学时本次课题（或教材章节题目）：实验8金属相图教学要求：了解热分析法测绘金属相图的方法和原理技术；用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图；掌握热电偶测温技术和平衡记录仪的使用，并能正确地进行数据记录、处理与绘图，得出合理的结论。重点：用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图难点：用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图教学手段及教具：演示讲授，实际操作。讲授内容及时间分配：演示讲授实验原理、实验步骤及注意事项、数据处理0.5h学生实验操作3.5h课后作业对实验数据进行处理，完成实验报告各项内容。参考资料1.河北科技大学物理化学教研室编，物理化学实验，北京理工大学出版社，20052.复旦大学等，物理化学实验，高等教育出版社，19933．蔡定建,杨忠,郁德清,钟一平.二元合金相图的绘制与应用实验装置的改进[J].南方冶金学院学报,2001,(01).4．李将渊,叶芝祥,王多才,蔡铎昌,李丽娜.绘制二元合金相图的计算机数据采集与处理系统[J].四川师范学院学报(自然科学版),2000,(01).5．于庆水,潘春晖.金属相图实验的改进[J].沧州师范专科学校学报,2004,(01)河北科技大学教案用纸第2页共6页实验8金属相图一、实验目的1.学习用热分析法测绘金属相图的方法和原理技术；2.用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图；3.掌握热电偶测温技术和平衡记录仪的使用。二、实验原理相图表示相平衡系统组成、温度、压力之间关系。对于不同的系统、根据所研究对象和要求的不同可以采用不同的实验方法测绘相图。例如对于水-盐系统，常用测定不同温度下溶解度的方法。对于合金，可以采用热分析方法。本实验采用热分析方法测绘Sn-Pb二元金属相图。二元金属相图A、B两纯金属组成的系统，被加热完全熔化后,如果两组分在液相能够以分子状态完全混合，称其为液相完全互溶,把系统降温，当有固相析出时，因A、B物质不同会出现三种情况：(a)液相完全互溶，固相也完全互溶;(b)液相完全互溶，固相完全不互溶;(c)液相完全互溶，固相部分互溶。本实验测绘的Sn-Pb二元金属相图属于液相完全互溶，固相部分互溶系统，其相图如图8.1所示。图的横坐标表示Sn的质量分数，纵坐标为温度（℃），α相为Sn溶于Pb中所形成的固体溶液（固溶体），β相为Pb溶于Sn中所形成的固体溶液（固溶体）。图中ACB线以上，系统只有一相（液相）；DCF线以下，α、β两相平衡共存；在ACD区域中，α相与液相两相平衡共存；在BCF区域，β相与液相两相平衡共存；ADP以左及BFQ以右的区域分别为α相和β相的单相区，C点为ACD与BCF两个相区的交点，α、β和液相三相平衡共存；在DCF线上，α、β和液相三相平衡共存，该线称为三相线。该图用热分析法测绘。图8.1Sn-Pb相图图8.2Sn-Pb体系步冷曲线河北科技大学教案用纸第3页共6页测绘相图就是要根据实验数据把图中分隔相区的线画出来。热分析方法是测绘固-液相图最常用的方法之一。该方法根据系统被加热或冷却的过程中，释放或吸收潜热，使系统升温或降温速率发生突变、系统温度－时间曲线上出现转折点这一现象，判断某组分的系统（样品）出现相变时的温度。系统被冷却降温时温度－时间关系曲线称为步冷曲线，如图8.2所示。测绘步冷曲线的方法：将组成一定的样品[以Sn37%,Pb63%(质量百分数)的样品为例]，在加热炉中加热至完全熔化，升温至Ta(图8.2上Ⅲ线a点)后，移入保温炉中均匀冷却降温，若不发生相变，温度均匀下降（如图8.3Ⅲ线a~b段所示），若有相变发生（固相析出），由于固相（此样品这时析出的固相是α相）析出要放出热量,系统与环境传热速度基本不变,温度的下降速度便要降低，步冷曲线上就要有突变，出现拐点,换言之，拐点对应的温度便是出现相变的温度Tb。降温速度变缓之后，继续降温至Tc,另一固相（β相）析出时，此时三相平衡共存，根据相律:F=C-P+1=2-3+1=0(压力恒定)系统自由度数为零。此时，尽管系统仍向环境传热，但系统温度T不随时间τ改变，步冷曲线出现“平台”，随热量的不断传出，液相量逐渐减少，当液相完全消失后,系统变为两固相（α相和β相），平衡共存，根据相律：F=C-P+1=2-2+1=1自由度数为“1”，系统又开始降温,步冷曲线Ⅲ上出现cd段。纯Sn和纯Pb熔化后，保温冷却,当有相变发生时,析出的是纯Sn或纯Pb，此时系统自由度数为零,步冷曲线Ⅰ、Ⅵ上出现“平台”,对应温度TA、TB分别为纯Sn和纯Pb的熔点。液相完全凝固后，自由度数为“1”,系统继续降温。三、仪器和药品1.药品样品中Sn含量（质量%）：1#100%；2#80%；3#61.9%；4#40%；5#20%；6#0%样品质量：100g；坩埚容量：50ml2.仪器平衡记录仪[型号为XWTD-100或XWTD-200；XWCJ-100（0～600℃，K型或E型）]；调压器；加热炉；保温炉；热电偶；坩埚钳；毛刷；铁架台；木夹。对热电偶作以下介绍：两种不同材质的金属导体首尾相接组成一个闭合回路，实验发现，如果两接点T、t温度不同，回路中就会产生电流，电流的大小与两种导体材料性质及接点温度有关,这就是热电效应。上述两种不同材料导体连接在一起构成的热电元件称为“热电偶”。热电偶材料一定，回路中材料一定，回路中热电势Eh仅与两接点处温度T、t有关。当Tt,T端为热端，t端为冷端。当t=0时，回路中的热电势Eh仅与热端温度T有关。把热电偶与测量仪表（电位差计）连接，便可以通过测量热电势间接测出热端温度T。河北科技大学教案用纸第4页共6页常用热电偶(1)铂铑10—铂热电偶，分度号：S，由铂铑丝和纯铂丝制成（10%铂铑合金、90%铂），可在1300℃以内长期使用，短期可达1600℃。这种热电偶的热电势稳定，性能和重现性都很好，可用于精密测温和作为标准热电偶。缺点是价格较贵，低温区热电势较小及不适用于高温还原气氛中使用。(2)铂铑30—金属铑热电偶，分度号：B。(3)镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶，分度号：K。由镍铬丝（镍89%、铬10%、铁1%的合金）和镍铝丝（镍94%、铝2%、锰2.5%、硅1%、铁0.5合金）制成。可在氧化性和中性介质中900℃内长期使用，短期可测1200℃。这种热电偶具有良好的冲现性、热电势大，性能好，价格低等优点，尽管与铂铑—铂热电偶比较精度稍低，但能满一般要求，因而是一种常用的热电偶。用镍硅材料代替镍铝材料，可使热电偶在抗氧化和热电势的稳定性方面有所提高，由于镍硅与镍铝两种材料性质完全相同，故可以互相代替。四、实验步骤1.检查实验装置热电偶、调压器接线、调压器回零、电线信号线不能靠炉壁。2.调试平衡记录仪确定使用的记录笔（是“1”笔还是“2”笔，单笔记录仪无须确定）；打开电源开关，将记录笔调至“0”mV处（XWCJ-100型不用调零）；走纸速度，XWTD-100或XWTD-200型：4毫米/分;XWCJ-100型：300mm/h测压范围：20mV；（XWCJ-100型记录仪不做此项）；记录笔出水是否正常；记录纸走纸是否正常。3.步冷曲线的测绘将Sn含量100%样品去盖，放入加热炉，炉上盖石棉板，调压器电压调至限定位置（150V）以下某位置（一般为100mV），加热样品，注意观察，待样品全部熔化后继续升温30～50℃之后（约2～3分钟），将熔化后的样品移至保温炉。安装热电偶，将热电偶插入样品底后，稍微拔起，用木夹和铁架台将热电偶架稳。尽量将热电偶插在样品的正中间位置。打开记录仪电源开关，放下记录笔，注意观察记录情况，当步冷曲线出现拐点时，从大气压计上读取室温tn，记于记录表或拐点位置。记录仪上绘出一条完整步冷曲线后，先关记录仪电源，然后将凝固后的样品连同热电偶一同移回加热炉，调整电压样品熔化后，抽出热电偶，用毛刷刷去热电偶头部粘的金属。将刷下的金属放回原样品中。按照以上步骤依次测：80%，61.9%，40%，20%，0%(纯Pb)样。请辅导教师审阅后，剪下记录纸，将实验装置复原，擦净实验台。河北科技大学教案用纸第5页共6页五、数据处理首先，用已知熔点或沸点的标准物质的熔点或沸点对热电偶、记录仪进行校正。常用物质的熔点或沸点如下：物质苯甲酸铋镉水锡铅熔沸点t/℃122271.3820.9100(沸点)231.9327.5以E(t,t0)表示冷端为0℃的测量热电势；E(t,tn)表示冷端为室温的测量热电势；E(tn,t0)表示冷端为0℃的室温热电势；因为必须用冷端为0℃的热电势与温度换算，故测量E(t,tn)和tn后，根据tn查出E(tn,t0)，用下式计算：E(t,t0)＝E(t,tn)＋E(tn,t0)将测量及计算结果记录于下表：样品组成w(Sn)%冷端温度tn/℃室温热电势E(tn,t0)/mV冷端为室温热电势E(t,tn)/mV冷端0℃热电势E(t,t0)/mV相变温度t/℃10017.80.728.709.422328018.80.767.268.0219718.80.766.567.3017961.919.20.766.507.261784019.50.808.469.2622819.60.806.427.221772020.10.8010.2511.0527220.20.806.307.10174020.80.8412.5313.37328根据样品组成和步冷曲线上的拐点和“平台”，在T—w%图上标出实验点，把相同实验点连成线，得相图。其中D点组成Sn含量为19.5%；F点组成Sn含量为95%。六、注意事项1.加热炉电压不能超过规定值（熔化第一个样品时，在150mV,以后各样在100mV河北科技大学教案用纸第6页共6页左右即可,上有标记）；2.将样品移至保温炉后，安装热电偶时应注意，热电偶插到样品底部后稍稍提起，并保持在样品中央；3.注意冷端不能短路；4.热电偶安装好以后再打开记录仪电源，一个样品步冷曲线完整测量后，先关记录仪电源再处理样品，以保护记录仪；5.样品加热温度不能太高，温度过高，样品氧化严重；6.从热电偶上刷下的金属要放回原样品中；7.测过的样品,要盖上原来的盖,注意不要盖错；8.在记录仪上，时间坐标是由右向左绘制的，与通常习惯绘制的恰好相反，因此图形也相反；9.节约使用记录纸，每测完一个样品后先关记录仪，不用走纸接着做下一个样品。10.一个样品测完后，将样品连同凝在其中的热电偶同时移至加热炉，熔化后再抽出热电偶，千万不能在未熔化时强行拔出，避免损坏热电偶。七、思考题1.金属熔融体冷却时为什么会出现转折点？低共熔金属及合金转折点有几个，曲线形状为什么不同？答：系统在冷却的过程中，固相析出要放出凝固热，系统与环境传热速度基本不变，温度的下降速度要降低，因此步冷曲线上就要有突变，出现转折点。低共熔金属有一转折点、一平台。合金有两个转折点。2.热电偶的测温原理是什么？热电偶与记录仪如何接线？怎样调整使用记录仪,试用相律分析低共熔点、熔点曲线、各区域内的相和自由度数；答：热电偶的测温原理：两种不同材质的金属导体首尾相接组成一个闭合回路，如果两接点T、t温度不同，回路中就会产生电流，电流的大小与两种导体材料性质及接点温度有关,这就是热电效应。热电偶就是将上述两种不同材料导体连接在一起构成的热电元件，并根据热电效应来测温的。3.解释步冷曲线上的过冷现象？答：当液体的温度降到熔点，应当有晶体析出，但由于新生成的晶粒极微小熔点较低，此时对微小晶体尚未达到饱和状态，所以不会有微小晶体的析出，温度必须继续下降到正常熔点以下，液体才能达到微小晶体的饱和状态而开始凝固，这种按照相平衡的条件，应当凝固而未凝固成液体的现象，称为过冷现象。4.如何确定未知样品的组成？答：做该样品的步冷曲线，和相图数据相对照。