金属相图的绘制
实验一 金属二元相图绘制
实验三金属二元相图绘制一、实验目的（1）了解步冷曲线的测量原理和类型；（2）用测定步冷曲线的方法绘制Bi-Sn二元合金相图。
（3）加深对物理化学的简单相图的分析和理解。
二、实验原理1.相图相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。
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，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。
由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。
2.热分析法测绘步冷曲线热分析法是绘制相图常用的基本方法。
其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。
记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图3-1）。
从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。
当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t 曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t 图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。
对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图3-1所示。
(a) (b) (c)图3-1 冷却曲线形状3.绘制二元合金相图无论平台还是转折，都反映了相平衡时的温度，把各种不同组成的体系的步冷曲线的转折点（拐点）和平台，在温度-组成图上标志出来连成曲线就得到相图。
图3-2 根据步冷曲线绘制相图严格地讲，Bi－Sn合金是固态部分互溶凝聚系统，只是由于普通的热分析方法灵敏度较低，只能得出一与Bi－Cd系统相仿的相图，所以，我们通过本实验得到的是Bi－Sn二元合金的简化相图如图3-2所示。
实验指导4-二元金属相图绘制
实验指导4-二元金属相图绘制(1)由于金属相图是多相体系处于相平衡状态时温度对组成作图所得得图形,因此被测体系必须时时处于或非常接近与相平衡状态。
所以体系冷却速度必须足够慢，可通过程序控温器或用一个由调压器控制的立式冷却保温电炉，减缓冷却速度，满足实验要求。
冷却速度太慢，将延长实验时间，实验中将适当掌握。
但切忌在一个步冷曲线的测试过程中不断改变样品的测试温度。
（2）样品的组成在测试过程中必须保持不变，除了样品本身必须保持必要的纯度外，在测试过程中必须保持样品在管中的均匀性。
另外必须避免温度过高而使样品发生氧化变质，否则体系的组成将发生变化，从而影响实验结果，加热温度过低将测不到所需的相变点，因此一般在样品全部熔化后再升温50℃左右未适宜。
样品表面加少量石墨粉以隔绝空气防止样品氧化也是普遍采用的措施。
（3）绘制固液二组分相图的方法通常有溶解度法和热分析法。
溶解度法是指在确定的温度下，直接测定固液两相平衡时溶液的浓度，然后根据测得的温度和相应的溶解度数据绘制相图，这种方法使用于常温下易测定组成的体系，如水-盐二组分体系等。
热分析法适用于常温下不便直接测定固液平衡时溶液组成的体系(如合金和有机化合物凝聚体系),通常利用相变时的热效应来测定组成以确定体系的温度,然后根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.此种方法简单、易于推广，对于一些二组分金属体系，若挥发的蒸汽对人体健康有害，则可采用热分析法的另一种差热分析（DTA）或差示扫描（DSC）法绘制相图。
7 .提问与思考(1) 对于不同组成混合物的步冷曲线，其转折点与水平段有什么不同?(2) 步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔混合物及合金的转折点各有几个?曲线形状有何不同?为什么?（3）试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的异同点。
实验5 金属相图的绘制
五、数据处理
1、将实验数据记录于表5-1中。
表5-1实验数据记录表
时间/min
0
1
2
3
4
…
温度/℃
样品1
样品2
样品3
样品4
样品5
样品6
2、在同一直角坐标系中以T对t分别绘出每个样品的步冷曲线。
3、由步冷曲线找出每个样品的转折温度和平台温度，填到表5-2中。
石蜡油；
铅(化学纯)
四、实验步骤
1、配制样品。
用感量为0.1g的天平配制含Sn质量分数分别为0、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00的Pb-Sn混合物各100g，分别装入编号为1～6的硬质试管中，再加入少许石蜡油（约5mL），以防止加热过程中金属被空气氧化。
2、设置仪器。
打开电源，预热2min，按照以下参数设置仪器：
a b
图5-1简单低共熔系统步冷曲线(a)及其固-液相图(b)
(1)体系均匀冷却过程中，若无相变发生，则温度随时间均匀的降低。(2)若有相变发生，由于相变过程中会产生相变热，使得温度随时间的下降速度将减慢，步冷曲线就出现转折。当熔液继续冷却到熔液的组成达到最低共熔混合物的组成时，开始有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，步冷曲线出现平台。当熔液完全凝固后，体系又无相变发生，温度随时间又均匀的下降。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据步冷曲线，判断有固体析出时的转折温度和最低共熔混合物析出时的平台温度。如果作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出各转折点即能画出二组分体系最简单的T－x相图。
三、仪器试剂
实验七 Bi~Cd金属相图的绘制
实验七 Cd~Bi 二组分金属相图的测定一、实验目的1. 应用步冷曲线的方法绘制Cd~Bi 二组分体系的相图。
2 掌握热电偶温度计和毫伏电位计的基本原理和会用。
二、实验原理1mol 物质完全氧化时的反应热称为燃烧热。
所谓完全氧化是指C →CO 2(气)，H 2→H 2O （液），S →SO 2(气)，而N 、卤素、银等元素变为游离状态。
如在25℃苯甲酸的燃烧热为-3226.8kJ/mol ：燃烧热可在恒容或恒压情况下测定。
由热力学第一定律可知：在不做非膨胀功情况下，恒容燃烧热Q v =△U ，恒压燃烧热Q p =△H 。
在氧弹热量计中测得燃烧热为Q v ，而一般热化学计算用Q p ，两者的关系为：Q p =Q v +△nRT (5.1)式中△n 为反应前后生成物和反应物中气体的摩尔数之差；R 为摩尔气体常数；T 为反应温度(K)。
氧弹热量计的基本原理是能量守恒定律。
样品完全燃烧后所释放的能量使得氧弹本身及其周围的介质和热量计附件的温度升高，则测量介质在燃烧前后体系温度的变化值，就可求算该样品的恒容燃烧热。
其关系式如下：（5.2） 式中m 样和M 样分别为样品的质量和摩尔质量；Q v 为样品的恒容燃烧热；m 铁和Q 铁是引燃铁丝的质量和单位质量燃烧热；m 水和C 水是以水作为测量介质时，水的质量和比热容；C 计称为热量计的水当量，即除水之外，热量计升高1℃所需的热量；△T 为样品燃烧前后水温的变化值。
三、仪器 试剂氧弹热量计 1套 万用表 1个 数字式精密温差测量仪 1台 台秤 1台 氧气钢瓶 1只 温度计(0~50℃) 1支T W T C C m Q m Q M m 计水水铁铁v 样样∆=∆+=--')(氧气减压阀1只小台钟1只压片机1台烧杯(1000mL) 1只电炉(500W) 1个电子天平1台塑料桶1个引燃铁丝直尺1把苯甲酸(分析纯)剪刀1把萘(分析纯)四、实验步骤1. 将热量计及其全部附件加以整理并洗净。
二组分合金系统相图的绘制
综合测试实验、目的要求1.用热分析步冷曲线法绘制铋-镉二组分金属相图2.掌握热分析法的测量技术二、基本原理较为简单的二组分金属相图主要有三种：一种是液相完全互溶，固相也完全互溶成固溶体的系统，最典型的为Cu-Ni 系统；一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统，最典型的是Bi-Cd 系统；还有一种是液相完全互溶，固相是部分互溶的系统，如Pb-S n系统，本实验研究的是Bi-Cd系统。
热分析中的步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一。
它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，热量的释放或吸收及热容的突变，得到金属或合金中相转变温度的方法。
本实验是先将金属或合金全部熔化，然后让其在一定的环境中冷却，并在电脑上自动画出温度随时间变化的关系曲线—步冷曲线（见图1）。
当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，则系统的温度随时间的变化是均匀的，冷却速率较快（如图1中ab线段）；若在冷却过程中发生了析出固体的相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统的冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折（如图 1 中b 点）。
当熔液继续冷却到某一点时（如图1 中c 点），系统以低共熔混合物固体析出，在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变，因此步冷曲线上出现水平线段（如图1中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图1 中的线段）。
图1 步冷曲线图2 步冷曲线与相图由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。
根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度-组成图）。
不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图2 所示。
用步冷曲线法绘制相图时，被测系统必须时时处于接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。
三、仪器和试剂1.仪器：ZR-HX金属相图试验装置一套；电脑一台（四套公用）2.试剂：铋（分析纯、熔点为544.5 K）、镉（分析纯、熔点为594.1 K）四、实验步骤1.配制试样：配制含铋质量分数分别为20% 40% 60%、80%的Bi-Cd合金150g,再称纯Bi、纯Cd 各150 g,分别放入6个不锈钢试管中，上面滴入约1 mL的硅油。
实验五二组分金属相图的测绘
实验五二组分金属相图的测绘一、实验目的1、了解热分析的测量技术。
2、掌握热分析法绘制Pb-Sn合金相图的方法。
二、实验原理物质在不同的温度、压力和组成下，可以处于不同的状态。
研究多相平衡体系的状态如何随温度、压力、浓度而变化，并用几何图形表示出来，这种图形称为相图。
二组分体系的相图分为气-液体系和固-液体系两大类，本实验为后者也称凝聚体系，它受压力影响很小，其相图常用温度组成的平面图表示。
热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的常用方法之一。
这种方法是通过观察体系在冷却（或加热）时温度随时间的变化关系，来判断有无相变的发生。
通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定环境中自行冷却；并每隔一定的时间（例如半分钟或一分钟）记录一次温度。
以温度（T）为纵坐标，时间（t）为横坐标，画出步冷曲线T-t图。
图4-1是二组分金属体系的一种常见类型的步冷曲线。
当体系均匀冷却时，如果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化将是均匀的，冷却也较快（如图中ab线段）。
若在冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着热效应，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线就出现转折即拐点（如图中b点所示）。
当熔液继续冷却到某一点时（例如图中c点），由于此时熔液的组成已达到最低共熔混合物的组成，故有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段即平台（如图中cd段）。
当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（见图中de线段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据步冷曲线，判断固体析出时的温度和最低共熔点的温度。
然后用温度作纵坐标，组成作横坐标绘制相图T-C图(见图4－2)。
本实验是利用“热分析法”测定一系列不同组成Pb-Sn混合物的步冷曲线，从而绘制出其二组分体系的金属相图。
由于这两种金属之任何一种都能溶解于另一种金属中，实际上是一个部分互溶的低共熔体系，但用一般的热分析方法，只能得到一相当于简单的低共熔混合物类型的相图。
金属相图Pb-Sn体系
曲线③表示其组成恰为最低共 熔混合物的步冷曲线，其形状与 纯物质相似，但它的水平段是三 相平衡。
即 L=A(s)+B(s)
分析2：
相图由一个单相区和三个两相区组成： 即 ①溶液相区；
②纯A(s)和溶液共存的两相区； ③纯B(s)和溶液共存的两相区； ④纯A(s)和纯B(s)共存的两相区； 水平线段表示：A(s)、B(s)和溶液共 存的三相线；水平线段以下表示纯A(s)和 纯B(s)共存的两相区；O为低共熔点。
药品仪器
1. 1. 金属相图测量装置； 2. 2. 电脑； 3. 锡粒（AR），铅粒（AR）。
实验步骤
❖ 准备样品 ❖ 步冷曲线的测绘
准备样品:
按以下比例配制
锡的百 分含量
0%
20% 30% 61.9% 80% 00
铅(g) 100 80 70 38.1 20 0
金属相图(Pb-Sn体系)
苏州科技学院 化学与生物工程学院
化学化工实验中心
本实验采用热分析法绘制相图，
其基本原理：先将体系加热至熔融成一 均匀液相，然后让体系缓慢冷却，①体 系内不发生相变，则温度--时间曲线均 匀改变；②体系内发生相变，则温度-时间曲线上会出现转折点或水平段。根 据各样品的温度--时间曲线上的转折点 或水平段，就可绘制相图。
溶于另一种金属 中，是一个部分 600K
互溶的低共熔体
系，它用一般的
热分析法只能得
到一个相当于简
α
单的二元低共熔 454K
点相图（如本实
L(单相区)
505K
L+Pb(s) Pb(s)+Sn(s)
L+Sn(s)β
验Pb-Sn体系）， 测不出来固态晶
实验31 二组分金属相图的绘制
二 组 分 金 属 相 图 的 绘 制
7、重新塞上橡皮塞，将试管放回炉内。 重新塞上橡皮塞，将试管放回炉内。 8、当温度降到295℃时，按四次定时键，即60s报时 当温度降到295℃时 按四次定时键， 60s报时 295℃ 一次。 一次。 9、每报一次即把那一刻的温度记录下来。 每报一次即把那一刻的温度记录下来。 10、当温度降到120℃时，停止记录。 10、当温度降到120℃时 停止记录。 120℃ 11、把各组的数据（分别是： Sn、30%Bi、50%Bi、 11、把各组的数据（分别是：纯Sn、30%Bi、50%Bi、 80%Bi、 Bi）综合起来。 80%Bi、纯Bi）综合起来。 12、合并各组的5条步冷曲线，作Bi-Sn相图。 12、合并各组的5条步冷曲线， Bi-Sn相图。 相图
31.5 问题讨论
（1）总质量相同但组成不同的Bi-Cd混合物的步冷 总质量相同但组成不同的Bi-Cd混合物的步冷 Bi 曲线，其水平段的长度有什么不同？为什么？ 曲线，其水平段的长度有什么不同？为什么？ （2）有一失去标签的Bi-Sn合金样品，用什么方法 有一失去标签的Bi-Sn合金样品， Bi 合金样品
大 学 通 用 化 学 实 验 技 术
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环境中自行冷却， 画出冷却温度随时间变化的步冷曲线 。 环境中自行冷却 ， 画出冷却温度随时间变化的步冷曲线。 根据步冷曲线和二组分平衡相图确定组成。 根据步冷曲线和二组分平衡相图确定组成。
二 组 分 金 属 相 图 的 绘 制
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二 组 分 金 属 相 图 的 绘 制
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