实验七 二组分金属相图的绘制 1 实验目的 ? (1) 用热分析法测绘Sn—Pb二组分金属相图。 (2) 掌握热电偶测量温度的原理及校正方法。 (3) 了解热分析法测量技术。 ? 2 实验原理 相图就是通过图形来描述多相平衡体系的宏观状态与温度、压力及组成的相互关系，具有重要的生产实践意义。 对于二组分体系，C=2, f=4-(.由于我们所讨论的体系至少有一个相，所以自由度数最多为3。即二组分体系的状态可以由三个独立变量所决定，这三个变量通常为温度、压力及组成，所以二组分体系的状态图要用具有三个坐标的立体图来表示。由于立体图在平面纸上表示起来很不方便，因此我们一般固定一个变量，如压力，得到一个两个变量的状态图。在二组分体系中，温度-组成(T-X)图表示体系状态与组成之间的相互关系。 测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。 二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1.1所示的形状。  图1.1? 根据步冷曲线绘制相图 用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度; 但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图1.2。遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。 3 仪器 药品 立式加热炉 1台 冷却保温炉 1台 长图自动平衡记录仪 1台 调压器 1台 镍铬-镍硅热电偶 1副 样品坩埚 6个 玻璃套管 6只 烧杯(250mL) 2个 玻璃棒 1只 Sn(化学纯)； Pb(化学纯) 石腊油 石墨粉 ? 4 实验步骤 ? 1) 热电偶的制备 取60cm长的镍铬丝和镍硅丝各一段，将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好，将其一端与镍硅丝的一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm)，将扭合头稍稍加热立即沾以硼砂粉，并用小火熔化，然后放在高温焰上小心烧结，直到扭头熔成一光滑的小珠，冷却后将硼砂玻璃层除去。 若购买有商业镍铬-镍硅热电偶，可省略本步骤。 2) 热电偶的校正 用纯Pb、纯Sn的熔点及水的沸点对热电偶进行校正。 3) 样品配制 用感量0.1g的台称分别称取纯Sn、纯Pb各50g，另配制含锡30%、61.9%、80%的铅锡混合物各50g，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。 4) 绘制步冷曲线 (1) 将热电偶及测量仪器如图3-3连接好。 (2) 将盛样品的坩埚放入加热炉内加热。待样品熔化后停止加热，用玻璃棒将样品搅拌均匀，并将石墨粉拨至样品表面，以防止样品氧化。 (3) 将坩埚移至保温炉中冷却，此时热电偶的尖端应置于样品中央，以便反映出体系的真实温度，同时开启记录仪绘制步冷曲线，直至水平线段以下为止。 (4) 用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。 (5)用小烧杯装一定量的水，在电炉上加热，将热电偶插入水中绘制出当水沸腾时的水平线。 ? 5 数据处理 ? （1）用已知纯Pb、纯Sn的熔点及水的沸点作横坐标，以纯物步冷曲线中的平台温度为纵坐标作图，画出热电偶的工作曲线。 （2）找出各步冷曲线中拐点和平台对应的温度值。 （3）从热电偶的工作曲线上查出各拐点温度和平台温度，以温度为纵坐标，以组成为横坐标，绘出Sn—Pb合金相图。 6 注意事项 ? (1) 用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度过高样品易氧化变质; 温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。 (2) 热电偶热端应插到样品中心部位，在套管内注入少量的石腊油，将热电偶浸入油中，以改善其导热情况。搅拌时要注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点变动，必须消除。 (3) 在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，以便节约时间，合金有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则须重新测定。 7 思考题 (1) 对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同? (2) 作相图还有哪些方法? (3) 通常认为，体系发生相变时的热效应很小，则用热分折法很难测得确准相图，为什么? 在30%和80%的二样品的步冷曲线中的第一个转折点哪个明显? 为什么? (4) 步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔物及合金等的转折点各有几个?曲线形状有何不同?为什么? 附： 文献值 （1）Pb—Sn相图的最低共熔点： T=456K(180℃) xSn=0.47 wSn=61.9% （2）Pb及Sn的熔点及相应的熔化焓 TPb = 599K(326℃) △H￠m=5.12 kJ·mol-1 TSn = 505K(323℃) △H￠m=7.196 kJ·mol-1