實驗8金屬相圖

河北科技大學(xué)教案用紙第1頁共6頁第次課4學(xué)時本次課題（或教材章節(jié)題目）：實驗8金屬相圖教學(xué)要求：了解熱分析法測繪金屬相圖的方法和原理技術(shù)；用熱分析法測繪Sn-Pb二組分系統(tǒng)的金屬相圖；掌握熱電偶測溫技術(shù)和平衡記錄儀的使用，并能正確地進行數(shù)據(jù)記錄、處理與繪圖，得出合理的結(jié)論。重點：用熱分析法測繪Sn-Pb二組分系統(tǒng)的金屬相圖難點：用熱分析法測繪Sn-Pb二組分系統(tǒng)的金屬相圖教學(xué)手段及教具：演示講授，實際操作。講授內(nèi)容及時間分配：演示講授實驗原理、實驗步驟及注意事項、數(shù)據(jù)處理0.5h學(xué)生實驗操作3.5h課后作業(yè)對實驗數(shù)據(jù)進行處理，完成實驗報告各項內(nèi)容。參考資料1.河北科技大學(xué)物理化學(xué)教研室編，物理化學(xué)實驗，北京理工大學(xué)出版社，20052.復(fù)旦大學(xué)等，物理化學(xué)實驗，高等教育出版社，19933．蔡定建,楊忠,郁德清,鐘一平.0/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e5%8d%97%e6%96%b9%e5%86%b6%e9%87%91%e5%ad%a6%e9%99%a2%e5%ad%a6%e6%8a%a5&Value=NFYX"南方冶金學(xué)院學(xué)報,2001,(01).4．李將淵,葉芝祥,王多才,蔡鐸昌,李麗娜.0/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e5%9b%9b%e5%b7%9d%e5%b8%88%e8%8c%83%e5%ad%a6%e9%99%a2%e5%ad%a6%e6%8a%a5(%e8%87%aa%e7%84%b6%e7%a7%91%e5%ad%a6%e7%89%88)&Value四川師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),0/kns50/detail.aspx?dbname=CJFD2004&filename=CSZX200401023&filetitle=%e9%87%91%e5%b1%9e%e7%9b%b8%e5%9b%be%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e7%9a%84%e6%94%b9%e8%bf%9b"\o"金屬相圖實驗的改進"金屬相圖實驗的改進[J].滄州師范專科學(xué)校學(xué)報,\t2004,(01)實驗8金屬相圖一、實驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)用熱分析法測繪金屬相圖的方法和原理技術(shù)；2.用熱分析法測繪Sn-Pb二組分系統(tǒng)的金屬相圖；3.掌握熱電偶測溫技術(shù)和平衡記錄儀的使用。二、實驗原理相圖表示相平衡系統(tǒng)組成、溫度、壓力之間關(guān)系。對于不同的系統(tǒng)、根據(jù)所研究對象和要求的不同可以采用不同的實驗方法測繪相圖。例如對于水-鹽系統(tǒng)，常用測定不同溫度下溶解度的方法。對于合金，可以采用熱分析方法。本實驗采用熱分析方法測繪Sn-Pb二元金屬相圖。二元金屬相圖A、B兩純金屬組成的系統(tǒng)，被加熱完全熔化后,如果兩組分在液相能夠以分子狀態(tài)完全混合，稱其為液相完全互溶,把系統(tǒng)降溫，當(dāng)有固相析出時，因A、B物質(zhì)不同會出現(xiàn)三種情況：(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。本實驗測繪的Sn-Pb二元金屬相圖屬于液相完全互溶，固相部分互溶系統(tǒng)，其相圖如圖8.1所示。圖的橫坐標(biāo)表示Sn的質(zhì)量分數(shù)，縱坐標(biāo)為溫度（℃），α相為Sn溶于Pb中所形成的固體溶液（固溶體），β相為Pb溶于Sn中所形成的固體溶液（固溶體）。圖中ACB線以上，系統(tǒng)只有一相（液相）；DCF線以下，α、β兩相平衡共存；在ACD區(qū)域中，α相與液相兩相平衡共存；在BCF區(qū)域，β相與液相兩相平衡共存；ADP以左及BFQ以右的區(qū)域分別為α相和β相的單相區(qū)，C點為ACD與BCF兩個相區(qū)的交點，α、β和液相三相平衡共存；在DCF線上，α、β和液相三相平衡共存，該線稱為三相線。該圖用熱分析法測繪。圖8.1Sn-Pb相圖圖8.2Sn-Pb體系步冷曲線測繪相圖就是要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)把圖中分隔相區(qū)的線畫出來。熱分析方法是測繪固-液相圖最常用的方法之一。該方法根據(jù)系統(tǒng)被加熱或冷卻的過程中，釋放或吸收潛熱，使系統(tǒng)升溫或降溫速率發(fā)生突變、系統(tǒng)溫度－時間曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點這一現(xiàn)象，判斷某組分的系統(tǒng)（樣品）出現(xiàn)相變時的溫度。系統(tǒng)被冷卻降溫時溫度－時間關(guān)系曲線稱為步冷曲線，如圖8.2所示。測繪步冷曲線的方法：將組成一定的樣品[以Sn37%,Pb63%(質(zhì)量百分數(shù))的樣品為例]，在加熱爐中加熱至完全熔化，升溫至Ta(圖8.2上Ⅲ線a點)后，移入保溫爐中均勻冷卻降溫，若不發(fā)生相變，溫度均勻下降（如圖8.3Ⅲ線a~b段所示），若有相變發(fā)生（固相析出），由于固相（此樣品這時析出的固相是α相）析出要放出熱量,系統(tǒng)與環(huán)境傳熱速度基本不變,溫度的下降速度便要降低，步冷曲線上就要有突變，出現(xiàn)拐點,換言之，拐點對應(yīng)的溫度便是出現(xiàn)相變的溫度Tb。降溫速度變緩之后，繼續(xù)降溫至Tc,另一固相（β相）析出時，此時三相平衡共存，根據(jù)相律:F=C-P+1=2-3+1=0(壓力恒定)系統(tǒng)自由度數(shù)為零。此時，盡管系統(tǒng)仍向環(huán)境傳熱，但系統(tǒng)溫度T不隨時間τ改變，步冷曲線出現(xiàn)“平臺”，隨熱量的不斷傳出，液相量逐漸減少，當(dāng)液相完全消失后,系統(tǒng)變?yōu)閮晒滔啵é料嗪挺孪啵?，平衡共存，根?jù)相律：F=C-P+1=2-2+1=1自由度數(shù)為“1”，系統(tǒng)又開始降溫,步冷曲線Ⅲ上出現(xiàn)cd段。純Sn和純Pb熔化后，保溫冷卻,當(dāng)有相變發(fā)生時,析出的是純Sn或純Pb，此時系統(tǒng)自由度數(shù)為零,步冷曲線Ⅰ、Ⅵ上出現(xiàn)“平臺”,對應(yīng)溫度TA、TB分別為純Sn和純Pb的熔點。液相完全凝固后，自由度數(shù)為“1”,系統(tǒng)繼續(xù)降溫。三、儀器和藥品1.藥品樣品中Sn含量（質(zhì)量%）：1#100%；2#80%；3#61.9%；4#40%；5#20%；6#0%樣品質(zhì)量：100g；坩堝容量：50ml2.儀器平衡記錄儀[型號為XWTD-100或XWTD-200；XWCJ-100（0～600℃，K型或E型）]；調(diào)壓器；加熱爐；保溫爐；熱電偶；坩堝鉗；毛刷；鐵架臺；木夾。對熱電偶作以下介紹：兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體首尾相接組成一個閉合回路，實驗發(fā)現(xiàn)，如果兩接點T、t溫度不同，回路中就會產(chǎn)生電流，電流的大小與兩種導(dǎo)體材料性質(zhì)及接點溫度有關(guān),這就是熱電效應(yīng)。上述兩種不同材料導(dǎo)體連接在一起構(gòu)成的熱電元件稱為“熱電偶”。熱電偶材料一定，回路中材料一定，回路中熱電勢Eh僅與兩接點處溫度T、t有關(guān)。當(dāng)T>t,T端為熱端，t端為冷端。當(dāng)t=0時，回路中的熱電勢Eh僅與熱端溫度T有關(guān)。把熱電偶與測量儀表（電位差計）連接，便可以通過測量熱電勢間接測出熱端溫度T。常用熱電偶(1)鉑銠10—鉑熱電偶，分度號：S，由鉑銠絲和純鉑絲制成（10%鉑銠合金、90%鉑），可在1300℃以內(nèi)長期使用，短期可達1600℃。這種熱電偶的熱電勢穩(wěn)定，性能和重現(xiàn)性都很好，可用于精密測溫和作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點是價格較貴，低溫區(qū)熱電勢較小及不適用于高溫還原氣氛中使用。(2)鉑銠30—金屬銠熱電偶，分度號：B。(3)鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶，分度號：K。由鎳鉻絲（鎳89%、鉻10%、鐵1%的合金）和鎳鋁絲（鎳94%、鋁2%、錳2.5%、硅1%、鐵0.5合金）制成?？稍谘趸院椭行越橘|(zhì)中900℃內(nèi)長期使用，短期可測1200℃。這種熱電偶具有良好的沖現(xiàn)性、熱電勢大，性能好，價格低等優(yōu)點，盡管與鉑銠—鉑熱電偶比較精度稍低，但能滿一般要求，因而是一種常用的熱電偶。用鎳硅材料代替鎳鋁材料，可使熱電偶在抗氧化和熱電勢的穩(wěn)定性方面有所提高，由于鎳硅與鎳鋁兩種材料性質(zhì)完全相同，故可以互相代替。四、實驗步驟1.檢查實驗裝置熱電偶、調(diào)壓器接線、調(diào)壓器回零、電線信號線不能靠爐壁。2.調(diào)試平衡記錄儀確定使用的記錄筆（是“1”筆還是“2”筆，單筆記錄儀無須確定）；打開電源開關(guān)，將記錄筆調(diào)至“0”mV處（XWCJ-100型不用調(diào)零）；走紙速度，XWTD-100或XWTD-200型：4毫米/分;XWCJ-100型：300mm/h測壓范圍：20mV；（XWCJ-100型記錄儀不做此項）；記錄筆出水是否正常；記錄紙走紙是否正常。3.步冷曲線的測繪將Sn含量100%樣品去蓋，放入加熱爐，爐上蓋石棉板，調(diào)壓器電壓調(diào)至限定位置（150V）以下某位置（一般為100mV），加熱樣品，注意觀察，待樣品全部熔化后繼續(xù)升溫30～50℃之后（約2～3分鐘），將熔化后的樣品移至保溫爐。安裝熱電偶，將熱電偶插入樣品底后，稍微拔起，用木夾和鐵架臺將熱電偶架穩(wěn)。盡量將熱電偶插在樣品的正中間位置。打開記錄儀電源開關(guān)，放下記錄筆，注意觀察記錄情況，當(dāng)步冷曲線出現(xiàn)拐點時，從大氣壓計上讀取室溫tn，記于記錄表或拐點位置。記錄儀上繪出一條完整步冷曲線后，先關(guān)記錄儀電源，然后將凝固后的樣品連同熱電偶一同移回加熱爐，調(diào)整電壓樣品熔化后，抽出熱電偶，用毛刷刷去熱電偶頭部粘的金屬。將刷下的金屬放回原樣品中。按照以上步驟依次測：80%，61.9%，40%，20%，0%(純Pb)樣。請輔導(dǎo)教師審閱后，剪下記錄紙，將實驗裝置復(fù)原，擦凈實驗臺。五、數(shù)據(jù)處理首先，用已知熔點或沸點的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔點或沸點對熱電偶、記錄儀進行校正。常用物質(zhì)的熔點或沸點如下：物質(zhì)苯甲酸鉍鎘水錫鉛熔沸點t/℃122271.3820.9100(沸點)231.9327.5以E(t,t0)表示冷端為0℃的測量熱電勢；E(t,tn)表示冷端為室溫的測量熱電勢；E(tn,t0)表示冷端為0℃的室溫?zé)犭妱?；因為必須用冷端?℃的熱電勢與溫度換算，故測量E(t,tn)和tn后，根據(jù)tn查出E(tn,t0)，用下式計算：E(t,t0)＝E(t,tn)＋E(tn,t0)將測量及計算結(jié)果記錄于下表：樣品組成w(Sn)%冷端溫度tn/℃室溫?zé)犭妱軪(tn,t0)/mV冷端為室溫?zé)犭妱軪(t,tn)/mV冷端0℃熱電勢E(t,t0)/mV相變溫度t/℃10017.80.728.709.422328018.80.767.268.0219718.80.766.567.3017961.919.20.766.507.261784019.50.808.469.2622819.60.806.427.221772020.10.8010.2511.0527220.20.806.307.10174020.80.8412.5313.37328根據(jù)樣品組成和步冷曲線上的拐點和“平臺”，在T—w%圖上標(biāo)出實驗點，把相同實驗點連成線，得相圖。其中D點組成Sn含量為19.5%；F點組成Sn含量為95%。六、注意事項1.加熱爐電壓不能超過規(guī)定值（熔化第一個樣品時，在150mV,以后各樣在100mV左右即可,上有標(biāo)記）；2.將樣品移至保溫爐后，安裝熱電偶時應(yīng)注意，熱電偶插到樣品底部后稍稍提起，并保持在樣品中央；3.注意冷端不能短路；4.熱電偶安裝好以后再打開記錄儀電源，一個樣品步冷曲線完整測量后，先關(guān)記錄儀電源再處理樣品，以保護記錄儀；5.樣品加熱溫度不能太高，溫度過高，樣品氧化嚴重；6.從熱電偶上刷下的金屬要放回原樣品中；7.測過的樣品,要蓋上原來的蓋,注意不要蓋錯；8.在記錄儀上，時間坐標(biāo)是由右向左繪制的，與通常習(xí)慣繪制的恰好相反，因此圖形也相反；9.節(jié)約使用記錄紙，每測完一個樣品后先關(guān)記錄儀，不用走紙接著做下一個樣品。10.一個樣品測完后，將樣品連同凝在其中的熱電偶同時移至加熱爐，熔化后再抽出熱電偶，千萬不能在未熔化時強行拔出，避免損壞熱電偶。七、思考題1.金屬熔融體冷卻時為什么會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點？低共熔金屬及合金轉(zhuǎn)折點有幾個，曲線形狀為什么不同？答：系統(tǒng)在冷卻的過程中，固相析出要放出凝固熱，系統(tǒng)與環(huán)境傳熱速度基本不變，溫度的下降速度要降低，因此步冷曲線上就要有突變，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。低共熔金屬有一轉(zhuǎn)折點、一平臺。合金有兩個轉(zhuǎn)折點。2.熱電偶的測溫原理是什么？熱電偶與記錄儀如何接線？怎樣調(diào)整使用記錄儀,試用相律分析低共熔點、熔點曲線、各區(qū)域內(nèi)的相和自由度數(shù)；答：熱電偶的測溫原理：兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體首尾相接組成一個閉合回路，如果兩