物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告-二組分合金相圖.doc

實(shí)驗(yàn)6 二組分合金相圖姓名 曹峻華 學(xué)號(hào) 2010011970 班級(jí) 材03 同組實(shí)驗(yàn)者 李琦 實(shí)驗(yàn)日期 2011-10-21 提交報(bào)告日期 2011.10.27 帶實(shí)驗(yàn)的老師 柳清 1 引言人們常用圖形來(lái)表示體系的存在狀態(tài)與組成、溫度、壓力等因素的關(guān)系。以體系所含物質(zhì)組成為自變量，溫度為應(yīng)變量所得到的Tx圖是常見(jiàn)的一種相圖。二組分相圖已得到廣泛的研究和應(yīng)用。固液相圖多用于冶金、化工等部門。較為簡(jiǎn)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(tǒng)，最典型的為CuNi系統(tǒng)；另一種是液相完全互溶而固相完全不互溶的系統(tǒng)，最典型的是BiCd系統(tǒng)；還有一種是液相完全互溶，而固相部分也互溶的系統(tǒng)，如PbSn系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)研究的BiSn系統(tǒng)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。熱分析法（步冷曲線法） 是繪制凝聚體系相圖時(shí)常用的方法。它是利用金屬及合金在加熱或冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，潛熱的釋出或吸收及熱容的突變，使得溫度時(shí)間關(guān)系圖上出現(xiàn)平臺(tái)或拐點(diǎn)，從而得到金屬或合金的相轉(zhuǎn)變溫度。由熱分析法制相圖，先做步冷曲線，然后根據(jù)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(huán)境中自行冷卻，通過(guò)記錄儀記錄下溫度隨時(shí)間變化的曲線（步冷曲線）。以合金樣品為例，當(dāng)熔融的體系均勻冷卻時(shí)（如圖2-6-1所示），如果系統(tǒng)不發(fā)生相變，則系統(tǒng)溫度隨時(shí)間變化是均勻的，冷卻速率較快（如圖中ab線段）；若冷卻過(guò)程中發(fā)生了相變，由于在相變過(guò)程中伴隨著放熱效應(yīng)，所以系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間變化的速率發(fā)生改變，系統(tǒng)冷卻速率減慢，步冷曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（如圖中b點(diǎn)）。當(dāng)熔液繼續(xù)冷卻到某一點(diǎn)時(shí)（如圖中c點(diǎn)），此時(shí)熔液系統(tǒng)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(tǒng)溫度保持不變，因此步冷曲線出現(xiàn)水平線段（如圖中cd線段）；當(dāng)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(duì)組成一定的二組分低共熔混合物系統(tǒng)，可根據(jù)它的步冷曲線得出有固體析出的溫度和低共熔點(diǎn)溫度。根據(jù)一系列組成不同系統(tǒng)的步冷曲線的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即可畫(huà)出二組分系統(tǒng)的相圖（溫度組成圖）。不同組成熔液的步冷曲線對(duì)應(yīng)的相圖如圖2-6-2所示。嚴(yán)格地講，BiSn合金是固態(tài)部分互溶凝聚系統(tǒng)，只是由于普通的熱分析方法靈敏度較低，無(wú)法測(cè)得固熔體相界數(shù)據(jù)，所以，我們通過(guò)本實(shí)驗(yàn)得到的是BiSn二元合金的簡(jiǎn)化相圖。一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)步冷曲線即可定出相界，但對(duì)于復(fù)雜相圖還必須有其它方法配合。才能畫(huà)出相圖。用熱分析法（步冷曲線法）繪制相圖時(shí)，被測(cè)體系必須時(shí)時(shí)處于或接近相平衡狀態(tài)，因此冷卻速率要足夠慢才能得到較好的結(jié)果。2 實(shí)驗(yàn)操作2.1 實(shí)驗(yàn)藥品、儀器及測(cè)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(gè)、調(diào)壓器3個(gè)、保溫杯1只、硬質(zhì)玻璃試管5個(gè)、熱電偶套管（一端封死的細(xì)玻璃管）5支、沸點(diǎn)儀一套、自動(dòng)平衡記錄儀1臺(tái)。2.2 實(shí)驗(yàn)條件氣溫：20.5大氣壓：101.14kpa相對(duì)濕度：702.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)1、配制樣品分別配制含Bi為30、57、80（均為質(zhì)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(gè)硬質(zhì)玻璃試管。管內(nèi)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(dǎo)熱，防止熱電偶的熱滯后現(xiàn)象）。2、儀器安裝與調(diào)整連接電腦數(shù)據(jù)記錄裝置3、測(cè)量樣品的步冷曲線本實(shí)驗(yàn)所用的三個(gè)電爐，兩個(gè)作為熔融樣品的電爐，一個(gè)作為記錄步冷曲線時(shí)的保溫電爐。將制作好的樣品放入立式小電爐內(nèi)，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(duì)于純金屬樣品保溫電壓約3040V，合金樣品保溫電壓約為1020V。調(diào)整好熱電偶套管位置（位于金屬樣品中下部），打開(kāi)記錄儀開(kāi)始記錄冷卻曲線。加熱下一個(gè)樣品時(shí)應(yīng)使用另外一個(gè)熔融電爐，兩個(gè)電爐交替使用，待電爐溫度降到接近室溫時(shí)才可再次使用。4、測(cè)量水的沸點(diǎn)將熱電偶熱端插入沸點(diǎn)儀的氣液噴口處，測(cè)水的沸點(diǎn)，作為標(biāo)定熱電偶溫度值的一個(gè)定點(diǎn)。沸點(diǎn)儀加熱電壓控制在30V左右。注意事項(xiàng)：1.通過(guò)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(guò)高。2.為了準(zhǔn)確測(cè)定相變點(diǎn)，必須將熱電偶放在熔融體中下部，同時(shí)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(shí)，樣品不要脫離電爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（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(hào)線與電爐接觸。3、結(jié)果與討論3.1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)中用電腦采集數(shù)據(jù)得到的結(jié)果：樣品中Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）拐點(diǎn)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(bǔ)充點(diǎn)數(shù)據(jù)：Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）拐點(diǎn)溫度T（K）5483.1515435.1521406.8411.6373.155.3333.151293.1598.3473.1598448.1598.4406.843.2計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果溫度（T/K）繪制出的二組分合金相圖如下：Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）FGEDCBA3.3 討論分析3.3.1 相圖分析A區(qū)域：Bi-Sn合金的液相完全互溶區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)組分呈現(xiàn)出共溶態(tài)，體系為單相；B區(qū)域：Bi-Sn合金的固相與液相混合的固溶物（）與熔化物區(qū)，體系為兩相；C區(qū)域：Bi-Sn合金的固相與液相混合的固溶物（）與熔化物區(qū)，體系為兩相；D區(qū)域：Bi-Sn合金的固溶物（）區(qū)，體系為單相；E區(qū)域：Bi-Sn合金的固溶物（）區(qū)，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(qū)域：Bi-Sn合金兩種固溶物共存區(qū)，體系為兩相。下面用相律分析相圖：實(shí)驗(yàn)時(shí)氣壓可視為恒定，則由于無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，Bi-Sn 二組分系統(tǒng)的條件自由度為：f =K +1，其中： f ：自由度； K ：獨(dú)立組分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)體系中為2； ：相數(shù)；則 f = 3 ，在相圖中每一部分應(yīng)用上式，得：區(qū)域相數(shù)組分?jǐn)?shù)C自由度數(shù)fABCDEFG1221132222222221122013.3.2 誤差分析實(shí)驗(yàn)中測(cè)到的步冷曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)都比較明顯，說(shuō)明誤差并不大。從圖中來(lái)看，30和80的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)跟57時(shí)測(cè)得的步冷曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)不同，而理論上應(yīng)該相同，估計(jì)誤差主要出現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1、步冷曲線測(cè)定時(shí)并沒(méi)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(huì)使降溫速度太快，產(chǎn)生誤差。2、樣品在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)反復(fù)使用，可能會(huì)使內(nèi)部組分發(fā)生一些變化，使測(cè)量不準(zhǔn)確。3、溫度是通過(guò)測(cè)定水的沸點(diǎn)來(lái)確定的，水中可能會(huì)混有雜質(zhì)使測(cè)量不準(zhǔn)確。4、結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Bi-Sn二組分合金相圖如下：溫度（T/K）Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）5、參考文獻(xiàn)1、清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫(xiě)組物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)北京：清華大學(xué)出版社，19915866。2、朱文濤，物理化學(xué)（上冊(cè)）北京：清華大學(xué)出版社，1995250251。3、虞覺(jué)奇,易文質(zhì)等編譯，二元合金狀態(tài)圖集上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1997236。6、附錄思考題：1. 為什么能用步冷曲線來(lái)確定相界？答：在發(fā)生相轉(zhuǎn)變的時(shí)候，系統(tǒng)溫度的變化曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。步冷曲線上拐點(diǎn)的位置與相轉(zhuǎn)變的溫度、組成（相界），存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此可以用步冷曲線確定相界。2. 請(qǐng)用相律分析各冷卻曲線的形狀？答： 如圖，a-b段表征液態(tài)是的降溫過(guò)程，液相自由度f(wàn)=2-1+1=2；b-c段表征液固兩相區(qū)中的降溫過(guò)程，自由度f(wàn)=2-2+1=1；由于析出新相，自由度發(fā)生變化，所以b點(diǎn)處出現(xiàn)拐點(diǎn)。c-d段表征共晶過(guò)程，在共晶時(shí)f=2-1-2+1=0，溫度保持恒定，故出現(xiàn)平臺(tái)。d-e段表征固態(tài)時(shí)的降溫過(guò)程。3. 熱電偶測(cè)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(gè)結(jié)點(diǎn)（冷端）溫度不變，改變另一個(gè)接點(diǎn)