河北科技大学-金属相图实验教案.doc

河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸

第 次课 4 学时

本次课题（或教材章节题目）： 实验8 金属相图
教学要求：
了解热分析法测绘金属相图的方法和原理技术；用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图；掌握热电偶测温技术和平衡记录仪的使用，并能正确地进行数据记录、处理与绘图，得出合理的结论。
重 点：用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图
难 点：用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图
教学手段及教具：演示讲授，实际操作。
讲授内容及时间分配：

演示讲授实验原理、实验步骤及注意事项、数据处理 0.5h
学生实验操作 3.5h

课后作业
对实验数据进行处理，完成实验报告各项内容。
参考资料
1.河北科技大学物理化学教研室编，物理化学实验，北京理工大学出版社，2005
2.复旦大学等，物理化学实验，高等教育出版社，1993
3．蔡定建,杨忠,郁德清,钟一平. 二元合金相图的绘制与应用实验装置的改进[J]. 南方冶金学院学报 , 2001,(01) .
4．李将渊,叶芝祥,王多才,蔡铎昌,李丽娜. 绘制二元合金相图的计算机数据采集与处理系统[J]. 四川师范学院学报(自然科学版) , 2000,(01) .
5．于庆水, 潘春晖. 金属相图实验的改进[J]. 沧州师范专科学校学报 , 2004,(01)

实验8 金属相图
一、 实验目的
1. 学习用热分析法测绘金属相图的方法和原理技术；
2. 用热分析法测绘Sn-Pb二组分系统的金属相图；
3. 掌握热电偶测温技术和平衡记录仪的使用。
二、 实验原理
相图表示相平衡系统组成、温度、压力之间关系。对于不同的系统、根据所研究对象和要求的不同可以采用不同的实验方法测绘相图。例如对于水-盐系统，常用测定不同温度下溶解度的方法。对于合金，可以采用热分析方法。本实验采用热分析方法测绘Sn-Pb二元金属相图。
二元金属相图AB两纯金属组成的系统，被加热完全熔化后,如果两组分在液相能够以分子状态完全混合，称其为液相完全互溶, 把系统降温，当有固相析出时，因A、B物质不同会出现三种情况：
(a)液相完全互溶，固相也完全互溶;
(b)液相完全互溶，固相完全不互溶;
(c)液相完全互溶，固相部分互溶。
本实验测绘的Sn-Pb二元金属相图属于液相完全互溶，固相部分互溶系统，其相图如图8.1所示。图的横坐标表示Sn的质量分数，纵坐标为温度（℃），α相为Sn溶于Pb中所形成的固体溶液（固溶体），β相为Pb溶于Sn中所形成的固体溶液（固溶体）。图中ACB线以上，系统只有一相（液相）；DCF线以下，α、β两相平衡共存在ACD区域中，α相与液相两相平衡共存；在BCF区域，β相与液相两相平衡共存；ADP以左及BFQ以右的区域分别为α相和β相的单相区，C点为ACD与BCF两个相区的交点，α、β和液相三相平衡共存；在DCF线上，α、β和液相三相平衡共存，该线称为三相线。该图用热分析法测绘。

图 8.1 Sn-Pb相图 图 8.2 Sn-Pb体系步冷曲线

测绘相图就是要根据实验数据把图中分隔相区的线画出来。热分析方法是测绘固-液相图最常用的方法之一。该方法根据系统被加热或冷却的过程中，释放或吸收潜热，使系统升温或降温速率发生突变、系统温度－时间曲线上出现转折点这一现象，判断某组分的系统（样品）出现相变时的温度。系统被冷却降温时温度－时间关系曲线称为步冷曲线，如图8.2所示。
测绘步冷曲线的方法：将组成一定的样品[以Sn37%,Pb63% (质量百分数)的样品为例]，在加热炉中加热至完全熔化，升温至Ta(图8.2上Ⅲ线a点)后，移入保温炉中均匀冷却降温，若不发生相变，温度均匀下降 （如图8.3Ⅲ线a~b段所示），若有相变发生（固相析出），由于固相（此样品这时析出的固相是α相）析出要放出热量,系统与环境传热速度基本不变,温度的下降速度便要降低，步冷曲线上就要有突变，出现拐点,换言之，拐点对应的温度便是出现相变的温度Tb。降温速度变缓之后，继续降温至Tc, 另一固相（β相）析出时，此时三相平衡共存，根据相律:
F=C-P+1=2-3+1=0 (压力恒定)
系统自由度数为零。此时，尽管系统仍向环境传热，但系统温度T不随时间τ改变，步冷曲线出现“平台”，随热量的不断传出，液相量逐渐减少，当液相完全消失后,系统变为两固相（α相和β相），平衡共存，根据相律：
F=C-P+1=2-2+1=1
自由度数为“1”，系统又开始降温, 步冷曲线Ⅲ上出现cd段。
纯Sn和纯Pb熔化后，保温冷却,当有相变发生时析出的是纯Sn或纯Pb，此时系统自由度数为零, 步冷曲线Ⅰ、Ⅵ上出现“平台”,对应温度TA、TB分别为纯Sn和纯Pb的熔点。液相完全凝固后，自由度数为“1”, 系统继续降温。
三、 仪器和药品
1.药品
样品中Sn含量（质量%）：1# 100%；2# 80%； 3# 61.9%；4# 40%；5# 20%；6# 0%
样品质量： 100g； 坩埚容量： 50ml
2.仪器
平衡记录仪[型号为 XWTD-100或XWTD-200；XWCJ-100（0～600℃，K型或E型）]； 调压器；加热炉；保温炉；热电偶；坩埚钳；毛刷；铁架台；木夹。
对热电偶作以下介绍：
两种不同材质的金属导体首尾相接组成一个闭合回路，实验发现，如果两接点T、t 温度不同，回路中就会产生电流，电流的大小与两种导体材料性质及接点温度有关,这就是热电效应。上述两种不同材料导体连接在一起构成的热电元件称为“热电偶”。
热电偶材料一定，回路中材料一定，回路中热电势Eh仅与两接点处温度T、t 有关。当T > t, T 端为热端，t 端为冷端。当t = 0 时，回路中的热电势 Eh 仅与热端温度 T 有关。把热电偶与测量仪表（电位差计）连接，便可以通过测量热电势间接测出热端温度 T 。
常用热电偶
(1) 铂铑10—铂热电偶，分度号：S ，由铂铑丝和纯铂丝制成（10%铂铑合金、90%铂），可在1300℃以内长期使用，短期可达1600℃。这种热电偶的热电势稳定，性能和重现性都很好，可用于精密测温和作为标准热电偶。缺点是价格较贵，低温区热电势较小及不适用于高温还原气氛中使用。
(2) 铂铑30—金属铑热电偶，分度号：B。
(3) 镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶，分度号：K。由镍铬丝（镍89%、铬10%、铁1%的合金）和镍铝丝（镍94%、铝2%、锰2.5%、硅1%、铁0.5合金）制成。可在氧化性和中性介质中900℃内长期使用，短期可测1200℃。这种热电偶具有良好的冲现性、热电势大，性能好，价格低等优点，尽管与铂铑—铂热电偶比较精度稍低，但能满一般要求，因而是一种常用的热电偶。用镍硅材料代替镍铝材料，可使热电偶在抗氧化和热电势的稳定性方面有所提高，由于镍硅与镍铝两种材料性质完全相同，故可以互相代替。
四、 实验步骤
1. 检查实验装置
热电偶、调压器接线、调压器回零、电线信号线不能靠炉壁。
2. 调试平衡记录仪
l 确定使用的记录笔（是“1”笔还是“2”笔，单笔记录仪无须确定）；
l 打开电源开关，将记录笔调至“0”mV处（XWCJ-100型不用调零）；
l 走纸速度，XWTD-100或XWTD-200型：4毫米/分; XWCJ-100型：300mm/h
l 测压范围：20mV；（XWCJ-100型记录仪不做此项）；
l 记录笔出水是否正常；
l 记录纸走纸是否正常。
3. 步冷曲线的测绘
将Sn含量100%样品去盖，放入加热炉，炉上盖石棉板，调压器电压调至限定位置（150V）以下某位置（一般为100mV），加热样品，注意观察，待样品全部熔化后继续升温30～50℃之后（约2～3分钟），将熔化后的样品移至保温炉。
安装热电偶，将热电偶插入样品底后，稍微拔起，用木夹和铁架台将热电偶架稳。尽量将热电偶插在样品的正中间位置。打开记录仪电源开关，放下记录笔，注意观察记录情况，当步冷曲线出现拐点时，从大气压计上读取室温tn，记于记录表或拐点位置。
记录仪上绘出一条完整步冷曲线后，先关记录仪电源，然后将凝固后的样品连同热电偶一同移回加热炉，调整电压样品熔化后，抽出热电偶，用毛刷刷去热电偶头部粘的金属。将刷下的金属放回原样品中。
按照以上步骤依次测：80%，61.9%，40%，20%，0%(纯Pb)样。
请辅导教师审阅后，剪下记录纸，将实验装置复原，擦净实验台。
五、数据处理
首先，用已知熔点或沸点的标准物质的熔点或沸点对热电偶、记录仪进行校正。常用物质的熔点或沸点如下：
物质
苯甲酸
铋
镉
水
锡
铅
熔沸点t/℃
122
271.3
820.9
100(沸点)
231.9
327.5
以 E(t,t0)表示冷端为0℃的测量热电势；E(t,tn)表示冷端为室温的测量热电势；E(tn ,t0)表示冷端为0℃的室温热电势；因为必须用冷端为0℃的热电势与温度换算，故测量E(t,tn)和tn后，根据tn查出E(tn ,t0)，用下式计算：
E(t,t0) ＝ E(t,tn) ＋ E(tn ,t0)
将测量及计算结果记录于下表：
样品组成
w(Sn)%
冷端温度
tn/℃
室温热电势
E(tn ,t0)/mV
冷端为室温热电势E(t,tn)/mV
冷端0℃热电势
E(t,t0)/mV
相变温度
t/℃
100
17.8
0.72
8.70
9.42
232
80
18.8
0.76
7.26
802
197
18.8
0.76
6.56
7.30
179
61.9
19.2
0.76
6.50
7.26
178
40
19.5
0.80
8.46
9.26
228
19.6
0.80
6.42
7.22
177
20
20.1
0.80
10.25
11.05
272
20.2
0.80
6.30
7.10
174
0
20.8
0.84
12.53
13.37
328
根据样品组成和步冷曲线上的拐点和“平台”，在T—w%图上标出实验点，把相同实验点连成线，得相图。其中D点组成Sn含量为19.5%；F点组成Sn含量为95%。

六、注意事项
1. 加热炉电压不能超过规定值（熔化第一个样品时，在150mV,以后各样在100mV左右即可,上有标记）；
2. 将样品移至保温炉后，安装热电偶时应注意，热电偶插到样品底部后稍稍提起，并保持在样品中央；
3. 注意冷端不能短路；
4. 热电偶安装好以后再打开记录仪电源，一个样品步冷曲线完整测量后，先关记录仪电源再处理样品，以保护记录仪；
5. 样品加热温度不能太高，温度过高，样品氧化严重；
6. 从热电偶上刷下的金属要放回原样品中；
7. 测过的样品,要盖上原来的盖,注意不要盖错；
8. 在记录仪上，时间坐标是由右向左绘制的，与通常习惯绘制的恰好相反，因此图形也相反；
9. 节约使用记录纸，每测完一个样品后先关记录仪，不用走纸接着做下一个样品。
10. 一个样品测完后，将样品连同凝在其中的热电偶同时移至加热炉，熔化后再抽出热电偶，千万不能在未熔化时强行拔出，避免损坏热电偶。
七、思考题
1. 金属熔融体冷却时为什么会出现转折点？低共熔金属及合金转折点有几个，曲线形状为什么不同？
答：系统在冷却的过程中，固相析出要放出凝固热，系统与环境传热速度基本不变，温度的下降速度要降低，因此步冷曲线上就要有突变，出现转折点。
低共熔金属有一转折点、一平台。合金有两个转折点。
2. 热电偶的测温原理是什么？热电偶与记录仪如何接线？怎样调整使用记录仪,试用相律分析低共熔点、熔点曲线、各区域内的相和自由度数；
答：热电偶的测温原理：两种不同材质的金属导体首尾相接组成一个闭合回路，如果两接点T、t 温度不同，回路中就会产生电流，电流的大小与两种导体材料性质及接点温度有关,这就是热电效应。热电偶就是将上述两种不同材料导体连接在一起构成的热电元件，并根据热电效应来测温的。
3. 解释步冷曲线上的过冷现象？
答：当液体的温度降到熔点，应当有晶体析出，但由于新生成的晶粒极微小熔点较低，此时对微小晶体尚未达到饱和状态，所以不会有微小晶体的析出，温度必须继续下降到正常熔点以下，液体才能达到微小晶体的饱和状态而开始凝固，这种按照相平衡的条件，应当凝固而未凝固成液体的现象，称为过冷现象。
4. 如何确定未知样品的组成？
答：做该样品的步冷曲线，和相图数据相对照。
第 8 页 共 8 页