二组分合金系统相图的绘制

1. 二组分合金系统相图的绘制 杜伟

2. 注意事项 实验目的 基本要求 数据处理 实验讨论 实验原理 药品仪器 思考题 实验步骤

3. 一 实验目的 1. 用热分析步冷曲线法绘制铋-镉二组分金属相图 2. 掌握热分析法的测量技术 3.了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。

4. 二 基本要求 （1）学会用热分析法测绘Bi-Cd二组分金属相图。 （2）了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。

5. 三 实验原理 用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图，叫相图。 绘制相图的方法很多，其中之一叫热分析法。在定压下把体系从高温逐渐冷却，作温度对时间变化曲线，即步冷曲线。体系若有相变，必然伴随有热效应，即在其步冷曲线中会出现转折点。从步冷曲线有无转折点就可以知道有无相变。测定一系列组成不同样品的步冷曲线，从步冷曲线上找出各相应体系发生相变的温度，就可绘制出被测体系的相图。

6. 当熔融体系在均匀冷却过程中无相变时，温度将连续均匀下降得一平滑的步冷曲线；当体系内发生相变则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点对应的温度，为该组成体系的相变温度。利用步冷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，把这些点连起来，就可绘出相图。二元简单低共熔体系的冷却曲线具有如下图所示的形状

7. 三 实验原理 图1 步冷曲线与相图

8. 三 实验原理 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2。遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。

9. 图2 有过冷现象时的步冷曲线

10. 四 仪器试剂 1. 仪器：ZR-HX金属相图试验装置一套； 电脑一台（四套公用） 2. 试剂：铋（分析纯、熔点为544.5 K）、镉（分析纯、熔点为594.1 K）

11. 五实验步骤 1. 配制试样：配制含铋质量分数分别为20%、40%、60%、80%的Bi-Cd合金150 g，再称纯Bi、纯Cd各150 g，分别放入6个不锈钢试管中，上面滴如约1 mL的硅油。在放入感温元件的细筒中也要滴入几滴硅油。 2. 绘制步冷曲线

12. 五实验步骤 图3 步冷曲线测量装置 1.加热炉 2.不锈钢管 3.套管 4.热电偶

13. 六、 注意事项 1.用电炉加热样品时，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完全熔化，步冷曲线转折点测不出。 2.热电偶热端插到样品中心部位，管内注入少量的石腊油，热电偶浸入油中。搅拌时注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶套管浮起，这些因素都会导致测温点变动。

14. 七 数据处理 1. 根据记录的时间和温度绘制步冷曲线图。 2. 找出各步冷曲线中拐点和 平台对应的温度值。 3. 以温度为纵坐标，以物质组成 为横坐标，绘出Bi-Cd金属相图。

21. 八、实验讨论 1. 本实验的关键是步冷曲线上折变和水平线段是否明显。步冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则就不明显。 故控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6℃/min ～8℃/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V左右）来减缓降温速率。

22. 八、 实验讨论 2. 测定一系列成分不同样品的步冷曲线就可绘制相图。但在很多情况下随物相变化而产生的热效应很小，步冷曲线上转折点不明显，在这种情况下，需采用较灵敏的方法进行，另一方面目前实验所用的简单体系为Cd～Bi，Bi～Sn，Pb～Zn等，它们挥发的蒸气对人体健康有危害性，而且样品用量大，危害性更大。时间用久了这些混合物难以处理。故实验改用热分析的另一种差热分析(DTA)法或差示扫描法(DSC)法。

23. 九、 思考题 1. 为什么冷却曲线上会出现转折点？纯金属、低共熔金属及合金的曲线形状为何不同？ 2. 解释步冷曲线上的过冷现象。 3. 用加热曲线是否可以作相图？