一、实验目的

用热分析法(步冷曲线法)测绘Bi-Sn二组分金属相图。

二、实验原理

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；凝固后，固相也能完全互溶成固体混合物的系统，最典型的为Cu-Ni系统；另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，而固相是部分互溶的系统，如Pb—Sn系统，本实验研究的Bi-Sn系统就是这一种。在低共熔温度下：Bi在固相Sn中最大溶解度为21％(质量百分数)。

热分析法(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，潜热的释出或吸收及热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。

通常的做法是先将金属或合金全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，并在记录仪上自动画出(或人工画出)温度随时间变化的步冷曲线(见图12-1)。

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(如图中b点)。当熔液继续冷却到某一点时(如图中c点)，此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。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(如图中cd线段)；当熔液完全凝固后；温度才迅速下降(如图中de线段)。

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，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12-2所示。

用热分析法(步冷曲线法)绘制相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

三、仪器与试剂

JXL-2型金属相图炉一台，微电脑温度控制仪一台，铂电阻温度计一支，玻璃样品管六支。

纯锡、纯铋、液体石蜡或碳粉

1.相图炉；2.样品管；3.铂电极；4.电压表；5.电压钮；6.微电脑温度控制仪；7.温度显示屏；8.温度设置；9.定时器；l0.复位器

四、实验步骤

1．配制样品

用感量为0.1g的台称，分别配制含Bi量为30％、58％(低共熔混合物)、70％、80％(均为质量分数)的Bi-Sn混合物各l00g，另外称纯Bi、纯Sn各l00g分别放入6个试管中，覆盖一层石蜡或碳粉，防止金属被氧化。(实验室准备)

2．测定样品

将装有样品的试管放入相图炉内，搏铂电极温度计插入样品管中(使其顶部离样品管底约1cm处)。接通电源，根据不同组成设置温度(见附表)，按下复位键，使样品加热熔融，同时调节加热电压为170V。

当加温温度超过设置温度后，加热自动停止。将设置温度及电压计旋钮回至零位；此时炉内温度将继续上升，当温度计至最高点(不能超过350℃)时，将样品管取出，用装温度计的钢套将样品小心地搅拌均匀，再将样品管放回相图炉中。

按定时健，时间间隔调为60秒，在指示音的提示下，即可每分钟读取温度一次(可据附表所示温度开始记录)，待转折点出现后，温度均匀下降约5分钟即可停止读数。

附表：

五、数据记录与处理

1．以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出各组分的冷却曲线。

2．在冷却曲线上找出各组分的熔点温度，以其为纵坐标，组成为横坐标，作出Sn-Bi二组分金属相图。

六、思考与讨论

1．冷却曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔金属及合金的转折点各有几个?曲线形状为何不同?

2．若已知二组分系统的许多不同组成的冷却曲线，但不知道低共熔物的组成，有何办法确定？

七、参考文献

清华大学化学系《物理化学实验》