实验六 二组分金属相图的绘制
实验六 二组分金属相图的绘制
一、实验目的
1. 学会用热分析法测绘Sn —Bi 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。
二、预习要求
1. 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。
2. 掌握热电偶测量温度的原理及校正方法。
三、实验原理
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所示的形状。
图1 根据步冷曲线绘制相图
图2 有过冷现象时的步冷曲线
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。
四、仪器药品
1. 仪器
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。
2. 药品
Sn(化学纯) ；Bi(化学纯) ；石腊油；石墨粉。
五、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。
2. 样品配制
用感量0.1g 的台称分别称取纯Sn 、纯Bi 各50g ，另配制含锡20%、40%、60%、80%的铋锡混合物各50g ，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。
3. 绘制步冷曲线
图3 步冷曲线测量装置
1. 加热炉；2. 坩埚；3. 玻璃套管；4. 热电偶
(1)将热电偶及测量仪器如图3连接好。
(2)将盛样品的坩埚放入加热炉内加热(控制炉温不超过400℃) 。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。
六、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。
七、数据处理
1. 用已知纯Bi 、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 —Bi 合金相图。
【思考问题】
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?