金属相图实验报告

篇一：实验3 金属相图实验报告dyl

物理化学实验备课材料

实验3 热电偶温度计的校正及金属相图

一、基本介绍

一个多相体系的状态可用热力学函数来表达，也可用几何图形来描述。表示相平衡体系状态与影响相平衡强度因素关系的几何图形叫平衡状态图，简称相固，也叫状态图。由于常见的影响相平衡的强度因素是温度、压力和浓度，所以也可以说，相图是描述多相体系的状态与温度、压力和组成关系的几何图形。

相平衡的研究对生产和科学研究具有重大意义。钢铁和合金冶炼生产条件的控制、硅酸盐(水泥、耐火材料等)生产的配料比、盐湖中无机盐的提取等，都需要相干衡的知识。又如对物质进行提纯(如制备半导体材料)、配制各种不同低熔点的金屑台金等，都要考虑到有关相干衡问题。化工生产中产品的分离和提纯是非常重要的，其中溶解和结晶、冷凝和熔融、气化和升华等都属相交过程。

总之．由于相变过程和相干衡问题到处存在，研究和革捏相变过程的规体，用以解释有关的自然现象和指导生产甚为重要。

二、实验目的

1、用热电偶—电位差计测定bi—sn体系的步冷曲线,绘制相图;

2、掌握热电势法测定金属相图的方法；

3、掌握热电偶温度计的使用,学习双元相图的绘制。。

三、实验原理

绘制固液二相平衡曲线的方法，常用的有溶解度法和热分析法。溶解度法是指在确定的温度下，直接测定固液二相平衡时溶液的浓度，然后依据澜得的温度和相应的溶解度数据绘制成相固。此法适用于常温下易澜定组成的体系，如水盐体系等。热分析法是指在常温下不便直接澜定固液乎衡时溶液组成的体系(如合金和有机化合物的体系)．通常利用相变时的热效应来测定组成已确定之体系的温度，然后依据选定的一系列不同组成的二组分体系所测定的温度，绘制相图。此法简单易行，应用顾广。

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．体系的冷却速度必须足够慢．才能得到较好的结果。体系温度的测量，可用水银温度计，也可选用合适的热电偶。由于水银温度计的测量范围有限，而且其易破损，所以目前大都采用热电偶来进行测温。用热电偶测温其优点是灵敏度高、重现性好、量度宽。而且由于它是将非电信号转换为电信号，故将它与电子电热差计配合使用，可自动记录温度—时间曲线。原则上也可用升温过程中的实验数据作温度-时间关系曲线，但由于升温过程中温度很难控制，不易做到均匀加热，由此产生的误差大于冷却过程，所以通常都绘制冷却曲线。

本实验用热电偶作为感温元件，自动平衡电位差计测量各样晶冷却过程中的热电势，作出电位—时间曲线(步冷曲线)，再由热电偶的工作曲线找出相变温度，从而作出bi-sn体系的相图.实验装置简图

四、实验仪器及试剂

坩埚电炉（含控温仪）；自动平衡电位差计；冷却保温装臵；样品管；杜瓦瓶；镍铬—镍铝（或其他材料）热电偶。

五、实验步骤

1、准备工作

1)在杜瓦瓶中装入室温水,连接并检查线路。

2)热电偶调零：在测温热电偶为室温温度时开启记录仪开关，调量程为20mv，走纸温度为0，调节零悬纽使记录笔位于记录纸左边零线处。这是位臵所指温度热电势为0，代表温度为室

温。

2、测量温度

1)加热试样：臵样品坩埚于管式电炉中，臵电热偶温度计于坩埚中细玻璃管内，并插入底部。调调压器使加热电压为120mv，加热至坩埚中试样熔化停止加热。(判断：加热时若坩埚中间细玻璃管能动则说明试样已熔化)。

六、数据记录 0%bi 20%bi 40%bi 60%bi 80%bi 100%bi

300

269c0

250239c0

t/c200206c197c

183c0000

150140c0

100

2000400060008000100001200014000

time/s七、实验注意事项

根据前面的实验原理可以知道，要获得准确真实的相图，必须保证样品组成和测量温度的准确性，为此在实验过程中需注意以下几点：

1、样品的组成是直接称重配成的，要保证样品的纯度，一般化学纯可以满足实验要求。为防止样品在高温下的挥发氧化，在配制样品时加入了少量的石墨粉，尽管如此，长期使用的样品难免发生氧化变质，可以将样品废弃，重新配制。

2、加热熔化样品时的最高温度比样品熔点高出50℃左右为宜，以保证样品完全熔融。待样品熔融后，可轻轻摇晃样品管，使体系的浓度保持均匀。

3、在样品降温过程中，必须使体系处于或接近于相平衡状态，因此要求降温速率缓慢、均匀。降温速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量和热传导速率等因素。当固体析出时，产生的凝固热使步冷曲线出现“拐点”，若产生的凝固热能够抵消散失热量的大部分，则“拐点”明显；反之，则不明显。但降温速率太慢，实验时间延长。在本实验条件下，通过调整适当的风量以每分钟3～5 ℃的速率降温，可在较短时间内完成一个样品的测试。

4、样品在降温至“平阶”温度时，会出现十分明显的过冷现象，应该待温度回升出现“平阶”后，温度再下降时，才能结束记录。另外，为了使热电偶指示温度能真实地反映被测样品的温度，本实验所设计的热电偶套管的底部正好处于样品的中部，所用热电偶的热容量小，具有较好的导热性。

5、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，体系有两个转折点，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。

手动实验注意事项：

1、测量过程中只进行一次热电偶调零；

2、在试剂加热后的冷凝过程中注意不要使玻璃管触壁。

3、步冷曲线的斜率，即温度变化的速率决定于体系与环境的温度，体系的热容和热导率，相变情况等因素．若冷却体系的热容、散热情况等基本相同，体系温度降低的速率控制，可在降温过程中需给电炉加以一定的电压(约20v左右)，来减缓冷却速度，以使转折明显。

4、用电炉加热时，注意调节电压，不宜过高。待金属全部熔融后，切断电源停止升温，以防止超温过剧而使金属发生氧化。适当搅拌可避免过冷现象出现，但搅拌时须是平动，忌上下搅动，否则测温点会不断变更而致温度变化不规律。

5、热电偶的一端，即热端，须插到套管底部，以保证测温点的一致性；其另一端，即冷端．应保持在0℃。由于有些用作冷阱的杜瓦瓶绝热性能并不良好，所以在其内部的冰颗粒要小，

每隔一定时间搅拌一次，使冷阱内上下温度一致，特别在室温较高时尤要注意。

电脑实验参数设定注意事项：

1、1号与6号样品的记录截止温度为200℃，其余样品为100℃。

2、记录时间间隔为5秒。

3、记录文件的编号与样品号一致，即1号样品的记录文件命名为“01”，2号样品的记录文件命名为“02”，依次类推。

4、加热温度不能过高，以免金属被氧化。

5、在origin软件处理好数据，获得图形后，可直接按“crtl＋j”拷贝当前图形，再打开word，将图形粘贴在word文档中。

6、如果在origin软件中打开剪贴板失败，无法拷贝，可“file”栏中点击“export page”将图形另存为“. wmf”格式的文件，存在桌面上，再在word中点击“插入”、“图片”、“来自文件”，选择桌面上的文件名，插入到word中。

八、思考题解答

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?

答:纯物质的步冷曲线在其熔点出现水平段,混合物在共熔温度出现水平段。

2、解释一个经典的步冷曲线的每一部分的含义?

答:对于简单的低共熔混合物,当将体系缓慢而均匀的冷却时如果体系内不发生相的变化,则温度将随时间而线性的改变,当其中一种物质的晶体开始析出时,由于相变潜热的出现,步冷曲线出现转折点,直到另一种晶体开始析出,此时两种物质同时析出,二者同时放出凝固热,步冷曲线上出现水平线段。

3、对于含有粗略相等的两组分混合物，步冷曲线上的每一个拐点将很难确定而低共熔温度却可以准确测定。相反，对于一个组分含量很少的样品，第一点将可以确定，而第二个拐点则难以准确测定。为什么？

答:当固体析出时，放出凝固热，因而使步冷曲线发生折变，折变是否明显决定于放出的凝固热能抵消散失热量多少，若放出的凝固热能抵消散失热量的大部分，折变就明显，否则就不明显。对于含有粗略相等的两组分混合物，当有一种组分析出时，其凝固热难以抵消另一种组分及其自身的散失热量，所以第一个拐点很难确定，但由于其两组分含量相当，两种晶体同时析出时，受前一种析出的晶体放出的凝固热的影响较小，因此低共熔温度可以准确测定；反之，对于一个组分含量很少的样品，第一个拐点将可以确定，而第二个拐点则难以确定测定。

4、试从相律阐明各步冷曲线的形状。答：对定压下的二组分体系，根据相律可知，

当出现“拐点”时，

则，则。因此，，表明温度可变；当出现“平阶”时，，根据相律可知，=0，表明温度和各相组成均不变。对于纯物质，当出现“平阶”时，对单组分体系，没有“拐点”存在。

九、实验总结

1、步冷曲线的平台长度的测量误差是本实验误差的主要采源。

2、用自动平衡记录仪绘制出的步冷曲线，测量精确度高，手续简便。

3、步冷曲线发生折变时，是否明显决定于放出的凝固热能抵消散失热量多少，若放出的凝固热能抵消散失热量的大部分，折变就明显，否则就不明显。

4、纯物质的步冷曲线在其熔点出现水平段,混合物在共熔温度出现水平段。

十、电脑预备实验数据结果

1.由步冷曲线得相变温度和最低共熔温度。

2.bi－sn相图280

260

240

220

t/c200

180

160

140

120

o

bi%

十一、进一步讨论

1、本实验成败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。

2、本实验所用体系一般为sn-bi、cd-bi、pb-zn等低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。石蜡油的沸点较低（大约为300℃），故电炉加热样品时注意不宜升温过高，特别是样品近熔化时所加电压不宜过大，以防止石蜡油的挥发和炭化。

3、本实验属二组分体系相图，它是相平衡的重要内容之一。相图突出的特点是直观性和整体性，通过相图可以得知在压力恒定时的某温度下，体系所处的状态，平衡共存的各相组成如何，各个相的量之间有什么关系，以及当外界条件发生变化时，相变化进行的方向和限度。因此，金属相图的绘制对于了解金属的成分、结构和性质之间的关系具有十分重要的意义。

4、本实验所绘制的二组分体系属于液相完全互溶，而固相完全不互溶的简单低共熔体系，它是二组分凝聚体系中最简单的一种，是研究其它类型相图的基篇二：合金相图实验报告

篇三：实验8金属相图

第次课 4 学时实验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a、b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，固相也完全互溶; (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

? 确定使用的记录笔（是“1”笔还是“2”笔，单笔记录仪无须确定）； ? 打开电源开关，将记录笔调至“0”mv处（xwcj-100型不用调零）； ? 走纸速度，xwtd-100或xwtd-200型：4毫米/分; xwcj-100型：300mm/h ? 测压范围：20mv；（xwcj-100型记录仪不做此项）； ? 记录笔出水是否正常； ? 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：

物质熔沸点t/℃

苯甲酸 122

铋 271.3

镉 820.9

水 100(沸点)

锡 231.9

铅 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：

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