實(shí)驗(yàn)六二組分合金相圖引言實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脽岱治龇ǎú嚼淝€法）測(cè)繪Bi-Sn二組分合金相圖掌握熱電偶測(cè)定溫度的基本原理和校正方法學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)記錄和處理數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)原理二組分合金相圖人們常用圖形來(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T－x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(mén)。較為簡(jiǎn)單的二組分金屬相圖主要有三種：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)；液相完全互溶而固相完全不互溶的系統(tǒng)，最典型的是Bi－Cd系統(tǒng)；液相完全互溶，而固相部分也互溶的系統(tǒng)，如Pb－Sn系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)研究的Bi－Sn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）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6.2所示。嚴(yán)格地講，Bi－Sn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Bi－Sn二元合金的簡(jiǎn)化相圖。圖6.2圖圖6.2圖6.1實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)用品熱電偶一支（銅—康銅）、CK-1（A）型溫度測(cè)量控制儀，立式電爐（500W）3個(gè)、TT-1型調(diào)壓器3個(gè)、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、計(jì)算機(jī)接口，計(jì)算機(jī)。純Bi，30%Bi，57%Bi，80%Bi，純Sn樣品若干份。實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫：19.5℃，氣壓：102.43kPa實(shí)驗(yàn)步驟繪制樣品分別配制含Bi為30％、57％、80％（均為質(zhì)量百分比）的Bi－Sn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）。連接儀器將熱電偶插入玻璃試管中，并與溫度控制儀相連，溫度控制儀輸出信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)接口輸入計(jì)算機(jī)中加熱樣品本實(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30～40V，合金樣品保溫電壓約為10～20V。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。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)樣品加熱初期電壓不宜高過(guò)10V，熔化后可加大電壓，57%Bi的樣品加熱到250度以上，其余加熱到300度以上。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。冷的樣品不可放入熱的爐子中，以防樣品碎裂。攪拌樣品時(shí)，樣品不要脫離電爐時(shí)間不長(zhǎng)（也可直接在電爐中將樣品攪拌均勻），防止樣品冷卻凝固。不要是電線或信號(hào)線與電爐接觸。結(jié)果與討論原始數(shù)據(jù)純Sn30%Bi57%Bi80%Bi純Bi數(shù)據(jù)處理Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）01.02.75.38.211.615.821305780100溫度（K）231.89293.15313.15333.15353.15373.15393.15407.51400.63407.51409.57271.3Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）0510152130溫度（K）505.15483.15458.15435.15407.51400.63Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）0305780100溫度（K）505.15456.81407.51524.17524.17相圖如下：實(shí)驗(yàn)結(jié)論根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)可畫(huà)出相圖參考文獻(xiàn)賀德華麻英張連慶。基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)化學(xué)。北京：清華大學(xué)出版社。2008年附錄思考題為什么能用步冷曲線確定相界？答：步冷曲線斜率突變點(diǎn)是相變的溫度，相變時(shí)放出溫度，使曲線斜率發(fā)生改變，在平臺(tái)出溫度不變，可以確定熔點(diǎn)。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：將兩種金屬導(dǎo)線A與B的兩端分別接合在一起，保持其中一端接點(diǎn)的溫度T0不變，改變另一端接點(diǎn)的溫度T，則因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散速度不同，會(huì)產(chǎn)生環(huán)路中電勢(shì)的差異，通過(guò)電子分析器接收電勢(shì)的差異，從而可以獲得關(guān)于溫度差的信號(hào)與數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量端的溫度改變后，勢(shì)電勢(shì)也隨之改變，并且溫度和熱電勢(shì)之間有一固定的函數(shù)關(guān)系，利用這個(gè)關(guān)系就可以測(cè)