实验6 Sn-Bi二组分固液相图的绘制
【实验目的】
1.掌握热分析法绘制二组分固液相图的原理及方法；
2.了解纯物质与混合物步冷曲线的区别并掌握相变点温度的确定方法；
3.了解简单二组分固液相图的特点；
4.掌握数字控温仪及KWL-80可控升温电炉的使用方法。
【实验原理】
凝聚系统受压力影响很小，因此通常讨论其定压下相平衡图。根据相律，定压下二组分系统f mix=2,最多有温度和组成两个独立变量，其相图为温度－组成图。
凝聚系统相图绘制：常用溶解度法和热分析法。
溶解度法：定温度下，直接测定固－液两相平衡时溶液的浓度，依据测得的温度和溶解度数据绘制成相图，适用于常温下易测定组成的系统，如水盐系统。
热分析法：绘制金属相图最常用的实验方法。原理：测定系统由高温均匀冷却过程中的时间、温度数据，绘制冷却曲线。根据冷却曲线可分析相态变化（若在均匀冷却过程无相变化，系统温度将随时间均匀下降。若系统在均匀冷却过程中有相变化，由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。）。
简单二组分凝聚系统，其步冷曲线有三种类型。
图 6.1(a)为纯物质的步冷曲线。冷却过程中无相变发生时，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有固体析出，建立单组分两相平衡，f=0，温度不变，步冷曲线出现水平段bc，直至液体全部凝固(c点)，温度又继续均匀下降。水平段所对应的温度为纯物质凝固点。
图6.1(b)为二组分混合物的冷却曲线。冷却过程中无相变发生
时，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有一种固体析出，随着该固体析出，液相组成不断变化，凝固点逐渐降低，到c点，两种固体同时析出，固液相组成不变，系统建立三相平衡，此时f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段cd，当液体全部凝固(d点)，温度又继续均匀下降。水平段cd所对应的温度为二组分的低共熔点温度。
图6.1(c)为二组分低共熔混合物的步冷曲线。冷却过程中无相变发生时，系统温度随时间均匀降低，至b点，两种固体按液相组成同时析出，系统建立三相平衡，f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段bc，当液体全部凝固(c点)，温度又继续均匀下降。
K
/
T
(a) (b) (c)
6.1 生成简单低共熔混合物的二组分系统
由于冷却过程中常常发生过冷现象，其步冷曲线如图6.1虚线所示。轻微过冷有利于测量相变温度；严重过冷，却会使相变温度难以确定。
以横轴表示混合物的组成，纵轴表示温度，利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，就可绘出相图，见图6.2。
图 6.2 简单低共熔二组分系统冷却曲线及相
【仪器试剂】
SWKY数字控温仪1台；KWL—08可控升降温电炉1台；不锈钢样品管1只；炉膛保护筒一个；传感器1只。
纯Bi；纯Sn；石墨粉等。
装置见图。
图 6.3 金属相图测定装置示意
【实验步骤】
1.配制铋的质量百分含量分别为0％、20％、40％、70％、80％、100％的铋锡混合物各100g，分别装入不锈钢样品管中，再加入少
许石墨粉覆盖试样，以防加热过程中试样接触空气而氧化。
2.按图6.3连接SWKY数字控温仪与KWL－08可控升降温电炉，接通电源，将电炉置于外控状态。
3.将炉膛保护筒放进炉膛内，再将盛有试样的不锈钢样品管和传感器放入保护筒内。将电源开关置于“开”，仪器默认控温仪处于“置数”状态，“设定温度” 默认为320℃。
4.将控温仪调节到“工作”状态，系统开始升温，达到设定温度后，纯Bi、纯Sn两试样保温10 min，其它试样保温5 min，使试样熔化，打开不锈钢管口用玻璃棒将试样搅拌均匀，然后将管口盖好再将传感器放入样品管中心。
5.将控温仪置于“置数”状态，调节“冷风量”旋钮，使体系冷却速度保持在6 ℃/ min~ 8 ℃/min（电压5 V ~6 V）。
6．设定控温仪的定时时间间隔，1 min记录一次温度，从300 ℃
开始记时，纯Bi、纯Sn两试样冷却降温到200 ℃，其它各样品应降温到125 ℃。
7．换其它试样，重复（3）~(6)步操作，依次测出所配试样的步冷曲线数据。。
【注意事项】
1.相图为平衡状态图，因此用热分析法测绘相图要尽量使被测系统接近平衡态，故要求冷却不能过快。为保证测定结果准确，还要注意使用纯度高的试样。传感器放人样品中的部位和深度要适当。
2.实验中“设定温度”和“实验最高温度”不同，“最高温度”是在仪器达到“设定温度”停止工作后，仪器中的加热电炉继续上升的温度。
3.熔融试样时要搅拌均匀，为确保试样熔融，温度稍高一些为好，但不可过高，以防样品氧化。搅拌时注意样品管不能离开加热炉。
4.由于炉温较高搅拌时要带上手套，以防烫伤。
5.由于过冷现象的存在，降温过程中会有升温，是正常现象。【数据记录与处理】
1.设计表格记录各试样的步冷曲线数据，并根据所测数据，绘出相应的步冷曲线及Sn-Bi二组分固液相图。
2.标出相图中各区的相态。
3.根据相图求出低共熔温度及低共熔混合物的组成。
【思考题】
1.绘制二组分固液相图常用哪些方法?
2.对于不同成分的混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同?为什么?
3.为什么要缓慢冷却合金作步冷曲线?
4.冷却曲线各段的斜率及水平段的长短与哪些因素有关？
