實驗六、二組分合金相圖

物理化學實驗教案項目六本08生物、生化、精化等專業(yè)基礎化學教研室趙碧琳PAGE3二組分合金相圖一、實驗目的1．用熱分析法(步冷曲線法)測繪Pb—Sn二組分金屬相圖。2．了解固液相圖的特點，進一步學習和鞏固相律等有關知識。3．掌握金屬相圖（步冷曲線）測定儀的基本原理及方法。二、實驗原理1、二組分固-液相圖人們常用圖形來表示體系的存在狀態(tài)與組成、溫度、壓力等因素的關系。以體系所含物質的組成為自變量，溫度為應變量所得到的T-圖是常見的一種相圖。二組分相圖已經(jīng)得到廣泛的研究和應用。固-液相圖多應用于冶金、化工等部門。二組分體系的自由度與相的數(shù)目有以下關系：自由度=組分數(shù)–相數(shù)+2（1）由于一般的相變均在常壓下進行，所以壓力P一定，因此以上的關系式變?yōu)椋鹤杂啥?組分數(shù)–相數(shù)+1（2）又因為一般物質其固、液兩相的摩爾體積相差不大，所以固-液相圖受外界壓力的影響頗小。這是它與氣-液平衡體系的最大差別。圖1以鄰-、對-硝基氯苯為例表示有最低共熔點相圖的構成情況：高溫區(qū)為均勻的液相，下面是三個兩相共存區(qū)，至于兩個互不相溶的固相A、B和液相L三相平衡共存現(xiàn)象則是固-液相圖所特有的。從式（2）可知，壓力既已確定，在這三相共存的水平線上，自由度等于零。3、較為簡單的二組分金屬相圖主要有三種；（1）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Cu—Ni系統(tǒng)；（2）是液相完全互溶而固相完全不互溶的系統(tǒng)，最典型是Bi—Cd系統(tǒng)；（3）是液相完全互溶，而固相是部分互溶的系統(tǒng)，如Pb—Sn系統(tǒng)，本實驗研究的系統(tǒng)就是這一種。在低共熔溫度下，Pb在固相Sn中最大溶解度為(質量百分數(shù))。2、熱分析法(步冷曲線法)是繪制相圖的基本方法之一。熱分析法是相圖繪制工作中常用的一種實驗方法。按一定比例配成均勻的液相體系，讓它緩慢冷卻。以體系溫度對時間作圖，則為步冷曲線。曲線的轉折點表征了某一溫度下發(fā)生相變的信息。由體系的組成和相變點的溫度作為T-圖上的一個點，眾多實驗點的合理連接就成了相圖上的一些相線，并構成若干相區(qū)。這就是用熱分析法繪制固-液相圖的概要。圖1（b）為與圖1（a）標示的三個組成相應的步冷曲線。曲線（I）表示將純B液體冷卻至TB時，體系溫度將保持恒定，直到樣品完全凝固。曲線上出現(xiàn)一個水平段后再繼續(xù)下降。在一定壓力下，圖6-1簡單低共熔固-液相圖（a）及其步冷曲線示意圖（b）單組分的兩相平衡體系自由度為零，TB是定值。曲線（III）具有最低共熔物的成分，該液體冷卻時，情況與純B體系相似。與曲線（I）相比，其組分數(shù)由1變?yōu)?，但析出的固相數(shù)也由1變?yōu)?，所以TE也是定值。當熔融的系統(tǒng)均勻冷卻時，如果系統(tǒng)不發(fā)生相變，則系統(tǒng)的冷卻溫度隨時間的變化是均勻的，冷卻速率較快(如圖中ab線段)；如果在冷卻過程中發(fā)生了相變，由于在相變過程中伴隨著放熱效應，所以系統(tǒng)的溫度隨時間變化的速率發(fā)生改變，系統(tǒng)的冷卻速率減慢，步冷曲線上出現(xiàn)轉折(如圖中b點)。當熔液繼續(xù)冷卻到某一點時(如圖中c點)，此時熔液系統(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．因此步冷曲線上出現(xiàn)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(tǒng)，可以根據(jù)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(jù)一系列組成不同系統(tǒng)的步冷曲線的各轉折點，即可畫出二組分系統(tǒng)的相圖(溫度—組成圖)。不同組成熔液的步冷曲線對應的相圖如圖6—2所示。二元簡單低共熔體系的冷卻曲線具有所示的形狀如下：圖6-2（步冷曲線與相圖）用熱分析法(步冷曲線法)繪制相圖時，被測系統(tǒng)必須時時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果。三、儀器與藥品金屬相圖(步冷曲線)測定裝置（JX-3D）型1（套）；計算機一臺；四、實驗操作步驟(Pb-Sn)二元共晶相圖:Pb的熔點為327℃，Sn的熔點為23操作步驟：詳見：JX系列金屬相圖測定裝置使用說明書…P4;P8～P9五、數(shù)據(jù)處理（一）(Pb-Sn二元共晶相圖:Pb的熔點為327℃，Sn的熔點為231、查出純Pb、純Sn的熔點2、找出各步冷曲線中拐點和平臺對應的溫度值。3、以溫度為縱坐標，以組成為橫坐標，繪出Sn—Pb合金相圖。4、在作出的相圖上，用相律分析低共熔混合物、熔點曲線及各區(qū)域內(nèi)相數(shù)和自由度數(shù)。（二）計算機數(shù)據(jù)處理（選做）選擇并雙擊物理化學實驗，選擇并雙擊合金相圖，點擊打開，選擇已測樣品文件并打開，交替移動光標1和2到適當?shù)奈恢?，點擊線性擬合1，再交替移動光標1和2到適當?shù)奈恢茫c擊線性擬合2，如果線性擬合交點可以確定，點擊計算交點；如果線性擬合交點不理想，點擊刷新，移動光標重新擬合。確認樣品后，點擊提交，確認的樣品和交點數(shù)值就會在下表中顯示出來。待測定的樣品全部輸入完畢后，點擊計算溫度，樣品和溫度值就會顯示出來。命名存盤。六、關鍵操作及注意事項1、為使步冷曲線上有明顯的相變點，必須將熱電偶結點放在熔融體的中間偏下處，同時將熔體攪勻。冷卻時，將純金屬樣品管放在加熱的原爐中，把電壓推到零緩慢冷卻。2、熔化樣品時，升溫電壓不能一下加得太快，要