1.实验目的

（1）了解二组分系统固液平衡相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。

（2）应用热分析法测绘二组分金属相图。

（3）掌握SWKY-I型数字控温仪和KWL-09型可控升降温电炉的基本原理和使用方法。

2.实验原理

相图是指用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相，各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们之间随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。

本实验研究的是液相完全互溶而固相完全不互溶的较为简单的一种二组分金属相图。

测量金属相图的常用实验方法是热分析法（也称步冷曲线法），其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线称为步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续下降，得到一条光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，冷却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合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图，见图3-7。

图3-7　根据步冷曲线绘制相图

现根据一组实验数据做出步冷曲线图，如图3-7所示，图（a）中曲线1、2、3、4、5分别为所配不同质量分数的样品的步冷曲线。图（b）中，A组分为铋，B组分为镉。

纯物质的步冷曲线（曲线1、5），以曲线1为例。当曲线1的温度不断冷却，至544K时，达到纯铋的凝固点A，铋开始转化成固体，折线AA1段为液-固两相平衡，在这一阶段铋不断凝固，放出热量，温度维持在544K不变。到A1点铋完全凝固，无热量放出，温度下降。

混合物的步冷曲线（曲线2、3、4）与纯物质不同，当温度下降到拐点a时，出现一段曲线ao，温度下降到o点后，温度维持不变直到o1，然后温度再直线下降。这是因为当温度下降到a点时，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，故其平衡温度也不断随之改变，直至达到其低共熔点温度o时，体系平衡，温度保持不变，一直到液相完全凝固（点o1）后，温度才又迅速下降。

用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的组成，在对应的纵坐标上标出开始出现相变（即步冷曲线上的拐点）的温度，连接并作出其延长线相交于o点（o点应为铋镉的最低共熔点），即得出相图。需要注意的是：金属相图的纵坐标是以开氏温度为单位的。

图3-7（b）是一种形成简单低共熔混合物的二组分体系相图。图3-7（b）中L为液相区；β为纯B和液相共存的两相区；α为纯A和液相共存的两相区；水平段表示A、B和液相共存的三相共存线；水平线段以下表示纯A和纯B共存的两相区；o为低共熔点。

3.仪器与试剂

SWKY-I型数字控温仪1台；KWL-09型可控升降温电炉1台；炉膛保护筒1个；硬质玻璃试管6支。

镉（A.R）；铋（A.R）；石蜡油；石墨粉。

4.实验步骤(www.daowen.com)

（1）配制镉的质量分数分别为0%、25%、50%、75%、100%的铋、镉混合物各100g，分别装入硬质试管中，再加入少许石蜡油（约3g），以防金属在加热过程中接触空气而被氧化。

（2）按实验装置示意图（见图3-8），将SWKY-I型数字控温仪与KWL-09型可控升降温电炉连接好，将电炉置于外控状态。（SWKY-I型控温仪、KWL-09型可控升降温电炉的具体使用方法，请仔细阅读其说明书。）

图3-8　实验装置示意图

（3）把样品管放入可控升降温电炉，将控温仪上的传感器插入炉膛插孔。SWKY-I型数字控温仪置于“置数”状态，设定温度为370℃（参考值），再将控温仪置于“工作”状态。“加热量”调节旋钮顺时针调至最大，使样品熔化。

（4）待温度达到设定温度后，保持2～3min，再将传感器取出并插入玻璃试管中。

（5）将控温仪置于“置数”状态，“加热量”调节旋钮逆时针调至零，停止加热。调节“冷风量”调节旋钮（电压调至8～12V），使冷却速度保持在每分钟5～8℃，设置SWKY-I型控温仪的定时间隔，每30s（根据实际情况而定）记录温度一次，直到步冷曲线平台以下，结束一组实验，得出该配比样品的步冷曲线数据。如与电脑相连接，可点击“金属相图”，用相应软件记录时间、温度并绘出步冷曲线图。

（6）重复步骤（3）～（5），依次测出所配各样品的步冷曲线数据。

（7）根据所测数据，绘出相应的步冷曲线图。再进行铋、镉二组分体系相图的绘制。标注出相图中各区域的相平衡。

5.数据处理

（1）整理数据并填入表3-2内。

表3-2　实验数据记录与处理

（2）利用所得步冷曲线，绘制铋、镉二组分体系的相图，并注出相图中各区域的相平衡。

（3）从相图中求出低共熔点的温度及低共熔混合物的成分。

6.思考题

（1）进行本实验时，操作上应注意哪些问题才能保证实验的顺利进行？

（2）为什么步冷曲线会有转折点？纯金属、低共熔混合物、合金的步冷曲线的形状为何不同？

（3）对所作相图进行相律分析，指出低共熔点、各区的相数和自由度数。