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1、实验一 简单二元系统相图的绘制一、目的与要求:1用热分析法测绘 Pb-Sn 二元金属相图。2了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方法。二、原理:相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形,图中能反映出相平衡的情况(相对数目及性质等) ,故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况,因此,研究多相体系的性质以及多相体系相平衡情况的变化,都要用到相图。图 1-1 是一种类型的二元简单低共熔物相图,图中 A、B 表示二个组分的名称,纵轴是物理量温度 T,横
2、轴是组分 B 的百分含量 B%,在 acb 线的上方,体系只有一个相(液相)存在,在 ecf 以下,体系有二个相(晶体 A 和 B)存在,在 ace 包围的面积中,一个固相(A)和一个液相(A 在 B 中的饱和熔化物)共存,在 bef 所包围的面积中,也是一个固相(B )和一个液相(B 和 A 中的饱和熔化物)共存。图中 C 是 ace 与 bef 两个相区的交点,有三相(晶相 A、晶相 B、饱和熔化物)共存。所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的方法就是热分析实验法。热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度,将体系加热熔融成一均匀液相,然后让体系缓慢冷却,并每隔一定时间读
3、体系温度一次,所以得历次温度值对时间作图,得一曲线,一般称为步冷曲线或冷却曲线。在冷却过程中,若体系发生相变,就伴随着一定热效应,因此步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点,所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子,若图1-2 是图 1-1 中组成为 P 的体系步冷曲线,则点 2、3 就分别相当于相图中的点 G、H。因此,取一系列组成不同的体系,作出它们的步冷曲线,求出各转折点,即能画出二元体系的最简单相图(对复杂的相图,还必须配合其它方法,方能画出) 。从相图定义可知,用热分析法测绘相图的要点有:1被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此,体系冷却时,冷却速度必须足够慢,
4、以保证上述条件近于实现。2测定时被测体系的组成必须与原来配制样品时的组成值一致,如果测定过程中样品处于不均匀或样品发生氧化变质。这一要求就不能实现。3测得的温度值必须能真正反映体系所测时间的温度值,因此,测温仪器的热容必须HP5Ga b c d e 冷却曲线 BiCd系统的相图 Bi(s)+Cd(s)L+Bi(s) L+Cd(s) LA BtT TB%a bce f123 4图 1-2 图 1-1足够小,它与被测体系的热传导必须足够良好,测温元件必须深入到被测体系内部。总之,在实验中必须准确地测出系统在冷却过程中的“温度时间”曲线即步冷曲线。本实验测定铅、锡二元金属体系的相图,用热电偶作测温元
5、件,通过保温电炉来控制体系的冷却速度。三、仪器和试剂立式加热保温坩埚炉五只(盛放被测样品) 。试样:纯 Pb;纯 Sn;30%S n70% Pb;61.9%S n38.1% Pb;80%S n20% Pb。温度控制仪一台铜康铜热电偶一只铅(化学纯)锡(化学纯)四、操作步骤1取一样品(记住其组成) ,将其加热丝两端与温度控制仪输出端连接,接通电源后,加热样品至熔化后切断电源(此时热电偶可以旋转) 。2用热电偶套管稍加搅动,作好准备,一人读数,一人作记录,要求每隔 30 秒钟读一次温度值,直至作出完整步冷曲线(约 180时完全析晶) 。3重复 1、2 方法,作 2-3 个样品,两个组合作出全部样品的步冷曲线。五、数据处理1将实验所得数据在坐标纸上绘出步冷曲线;2. 根据实验结果绘制 Pb Sn 相图。思考题:为什么样品在冷却过程中会出现温度回升现象?