二组分合金相图

物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾1二组分合金相图姓名：张腾学号：2012011864班级：化21同组人姓名:田雨禾实验日期：2014年10月9日提交报告日期：2014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，系统温物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾2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（500W）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：100.85kPa2.3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，置于立架上自然冷物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾3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修正后温度T/℃含Bi30%186.81含Bi30%131.33含Bi57%135.67含Bi80%216.88含Bi80%134.99纯Bi268.46纯Sn235.16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。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固溶体相界线数据温度t/210162所测低共熔温度1006020200175所测低共熔温度10050ω(Bi)%5152111.65.31.098.39898.499100根据实验数据，组成为57%的混合物在步冷曲线上只出现一个平台，这说明Bi-Sn体系在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T/℃0235.160.3186.810.57135.670.8216.881268.46表4.三相线数据Bi含量T/℃0.3131.330.57135.670.8134.99物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾4表5.固溶体数据Bi含量T/℃0.052100.151620.21135.670.1161000.01200.9832000.981750.984135.670.991001503.3讨论分析3.3.1相图由以上数据作出相图：0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250300temperature(OC)w(Bi)M050100150200250300QEPGFH3.3.2各区分析（1）三相线：PEG表示三相平衡共存：低共熔物𝜔𝐵𝑖=57%，固溶体α(𝜔𝐵𝑖=21%)，固溶体β(𝜔𝐵𝑖=98.4%)，相数Φ=3，自由度数f*=0；（2）凝固点线：MEQME：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。物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾5（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𝜔𝐵𝑖=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？物理化学实验二组分合金相图化工系2012011864张腾6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。