无机材料科学基础__相图

1、会计学1无机材料科学基础无机材料科学基础_相图相图210.1相平衡的基本概念、相律 10.1.1相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质 相数 p：系统内性质相同且均匀部分的种类数。 10.1.2独立组分数 C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数，纯物质数减去独立化学反应数。10.1.3自由度数F：相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数10.1.4相律： F = C p n n 为影响系统平衡状态的外界因素数 一般（仅温度和压力）： n = 2 F=C-P+2 凝聚系统： n = 1 F=C-P+13456789101112ABCDOPT水冰气13晶1晶2液TPABCDEFGO气H其中：

2、BF晶型转变线，反映P对多晶转变的影响，该直线斜率不会太大。CE晶2的熔融曲线 BF晶1、晶2的转变曲线AB气相与晶1的两相平衡线（晶1的升华曲线）BC气相与晶2的两相平衡线（晶2的升华曲线）CD液相与气相的两相平衡线（液相的蒸发曲线）OG过热晶型1与过冷液体的平衡曲线BH过冷晶型2的升华曲线BO过热晶型1的升华曲线OC过冷液相的蒸发曲线FBOG区过热晶1的相区 OBC过冷蒸汽介稳区GOCE区过冷液相区 具有同质多晶转变的单元系统相图14晶1晶2LKTPT转T1T215晶1晶2LQTPT转T1T2161722二元系统：c=2相律ppcf31不可能出现4相或更多相平衡温度、浓度2, 1maxmi

3、nfp3, 0maxminpf23特点： 两个组分在液态时能以任何比例互溶，形成单相溶液；但在固态时则完全不互溶，二个组分各自从液相中分别结晶。组分间无化学作用，不生成新的化合物A的熔点B的熔点A和B的二元低共熔点液相线固相线4个相区：L、L+A、L+B、A+B24 以组成为M的配料加热到高温完全熔融，然后平衡冷却析晶。M的熔体MT=T，Lp=1, f = 2t=TC, C点液相开始对A饱和，L+Ap=2, f=1t=TE, E点从液相中不断析出A晶体液相同时对晶体A和B饱和p=3, f=0当最后一滴低共熔组成的液相析出A晶体和B晶体后，液相消失253个概念：系统组成点、固相点、液相点简称：系

4、统点取决于系统的总组成，由原始配料组成决定对于M配料，系统点在MM线上系统中的液相组成和固相组成随温度不断变化，液相点和固相点的位置也随温度不断变化26杠杆规则如果一个相分解为2个相，则生成的2个相的数量与原始相的组成点到2个新生相的组成点之间线段成反比。TD温度下的固相量和液相量OFOD液相量固相量FDOFFDOD)()(原始配料量固液总量液相量原始配料量固液总量固相量27析晶路程表示法液相点固相点EMLf=2Cf=1AL 0,fBALKGIBAALLAP=1,F=2P=2,F=13,0MCI,(A)E()G,A+(B)()K,A+BLA BPFE 到达消失28相当于两个具有低共熔点的简单相

5、图29Tp：化合物分解P点组成的液相B晶体C Lp+Bp=3, f=0平衡冷却过程转熔点/回吸点30相同相同。31熔体2T，Lp=1, f=2TkLBp=2, f=1TPLP+ B Cp=3, f=0液相点在P点不变，液相量在减少，同时固相组成中B晶体在不断减少，C晶体在不断增加，至D点B晶体被回吸完毕p=2, f=1TE低共熔点析晶结束32析晶路程表示法液相点固相点HJDFMACCCBB0,fCALEE2Lf=2Kf=1BL P0,fCBLPCL f=1LP=1,F=22,1L+BCP=3,F=0LCP=2,F=13,02(),( )() ,B+(C)P()D,B+CE()J,C+(A)()

6、 ,LBPFLA CPFk M BPFEH A C 熔体到达开始回吸离开晶体 消失到达消失343536液相线aL2b以上相区为高温熔体特点：没有无变量点，系统中只存在液态溶液和固态溶液。固相线aS2b以下相区为固溶体液态溶液与固溶体平衡的固液二相区M高温熔体平衡冷却1212LSLSL12P=1,F=2P=2,F=1P=2,F=133SS123MLL L (LS ,)SSS 液相：液相消失固相：38特点：组分A、B间可以形成固溶体但溶解度有限，不能以任意比例互溶。2个固溶体7条线6个相区3个无变量点39析晶路程表示法液相点固相点HDSBAABABSSS )()()(10,)()(fSSLABBA

7、EEMLf=2L1f=1)(ABSL 40特点：二个组分在液相不完全互溶，只能有限互溶。CKD：帽形区液相分为二层： 组分B在组分A中的饱和溶液L1 组分A在组分B中的饱和溶液L2临界点/临界温度CDL1212P=1,F=2P=2,F=1LL +ACDDP=2,F=1P=3,F=0LA+B2,1P=3,F=0()L +(L )G(L +L )D(L)H,(A)()I,A+(B)E()J,A+BLAPFMLLE 液相分离液相分离熔体消失到达消失CD12LL +AL +LLP=1,F=2P=2,F=1P=3,F=0LAEP=2,F=1AA+BMLG DE(LA+B,F=0)HIJ 液相：固相：10

8、.6.1 CaO-SiO2系统二元相图判读依据： 几个化合物 化合物性质 根据一致熔化合物划分成分系统3个分二元系统：SiO2-CSCS-C2SC2S-CaO43二液区硅砖中用CaO作矿化剂多晶转变从理论推算，当温度升高到某一温度时，两液相应合并成一个液相。 曾有资料表明：当温度达到2100C，CaO含量为10%左右时，两液相区消失，成为一液相区。SiO2中加入1%CaO，在低共熔温度1436下能产生2.7%的液相量（根据杠杆规则：1:37=2.7%）液相线从C点往左上升得很陡，所以温度升高很多时，液相量增加并不多，因此不降低硅砖的耐火度。CaO37%44硅钙石：不一致熔各种高炉矿渣中45水泥

9、熟料生产重要C3S：不一致熔融化合物2150C 1250 CC2S：一致熔融化合物具有复杂的多晶转变46A3S2（莫来石）：一致熔化合物固溶少量Al2O3陶瓷、耐火材料分系统：A3S2-Al2O3优质耐火材料47分系统：SiO2-A3S2在SiO2中加入1%Al2O3 根据杠杆规则，1595C下产生1:5.5=18.2%的液相量，硅砖耐火度下降 与SiO2平衡的液相线从SiO2熔点1723C向E1点1595 C迅速下降，因此硅砖的熔化温度急剧下降。硅砖中严防混入Al2O3液相线E1F：15951700 较陡，17001850 较平缓 配料时的组成范围：半硅砖Al2O3：小于30%;粘土砖Al2

10、O3:30%40%；高铝砖Al2O3：48%以上。刚玉Al2O3：99%50三元系统：c = 3相律ppcf41不可能出现5相或更多相平衡温度、浓度3, 1maxminfp4, 0maxminpf51通常用等边三角形表示三元系统的组成 浓度三角形52双线法确定三元组成53浓度三角形的2个性质：1. 等含量规则平行于三角形一边的直线，线上任一组成点所含对面顶点组分的含量不变。542. 定比例规则 从浓度三角形某角顶引出之射线上各点，另外二个组分含量的比例不变。3. 背向规则/定比例规则的推论 从三个组元的混合物中不断取走C组元，那么这个系统的组成点将沿CM延长线并沿着背离C的方向而变化。5510

11、.7.2 杠杆规则1、含义： （1）在三元系统内,由两相合成一个新相时,新相的组成点必在原来二相组成点的连线上; （2）新相组成点与原来二相组成点的距离和二相的量成反比。 即：PNMPmn设有mKg的M组和nKg的N组成合成一个(m+n)Kg的新相P.56设有mKg的M组和nKg的N组成合成一个(m+n)Kg的新相P.571、P点处在 MNQ内部根据杠杆规则：M与N可以合成S相，而S相与Q相可以合成P相，因此，M+N+Q=P ，表明P相可以通过M、N、Q三相合成，或反之，从P相可以分解出M、N、Q三相。P点处于 MNQ内部，这种位置叫做重心位。582、P点处于 MNQ某条边的外侧，且在另外两条

12、边的延长线范围内。根据杠杆规则：PQt ，MNt ，因而，P+Q=M+N，即从P和Q两相可以合成M和N相，反之，从M和N相可以合成P和Q两相。P点所处的这种位置，叫做交叉位。593、P点处于 MNQ某一顶点的外侧，且在形成此角顶的两边的延长线范围内。根据杠杆规则：得到P+Q+N=M，即从P、Q、N三相可以合成M。P点所处的这种位置，叫做共轭位。60 1、立体图61浓度三角形三条棱柱：温度三个侧面：二元相图三个顶点C、A、B：三个组分C、A、B的熔点E1、E2、E3：三个二元相图的低共熔点三个饱和曲面：液相面E：三元低共熔点三条界线62将立体图向浓度三角形底面投影成平面图初晶区6310.9.1

13、具有一个低共熔点的简单三元相图三个组分各自从液相中分别析晶，不形成固溶体。不生成化合物，液相无分层现象高温熔体对C晶体饱和：p=2, f=2定比例规则到达界线：同时对晶体C、A饱和; p=3, f=1低共熔点：同时对晶体C、A、B饱和，p=4,f=0; 至液相消失64在CCAA平面内65析晶路程：液相点固相点MLCf = 2DLC+Af = 1E (L C+A+B, f = 0)C AC A BCFM 66杠杆规则应用：计算液相量和固相量液相到达D点时：67液相到达D点时：68液相到达E点时：69液相到达E点时：70液相到达E点时：MEFCAFEAC（ ）%=固固相相71 在三元系统中某二个组

14、分间生成的化合物称为二元化合物相当于2个简单三元相图的组合 二元化合物的组成点在浓度三角形的一条边上 一致熔化合物的组成点在其初晶区内72不一致熔二元化合物组成点不在其初晶区界线pP由二元相图的转熔点p发展而得：转熔线冷却时pP界线上的液相回吸晶体B而析出晶体S731. 连线规则 将一条界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。连线上温度最低点。判断界线的温度走向742. 切线规则 将界线上某一点所作的切线与相应的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质；如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，其中远离交点的晶相被回吸。判断界线

15、的性质共熔性质分界点转熔性质界线上任一点的切线与相应连线的交点实际上表示了该点液相的瞬时析晶组成瞬时析晶组成是指液相冷却到该点温度，从该点组成的液相中所析出的晶相组成区别于系统固相的总组成 = 该点析出的晶体 + 冷却到该点之前析出的所有晶体753. 重心规则 如无变量点处于其相应的副三角形的重心位，则该无变量点为低共熔点；如无变量点处于其相应的副三角形的交叉位，则为单转熔点；如无变量点处于其相应的副三角形的共轭位，则为双转熔点。判断无变量点的性质交叉位共轭位双升点双降点764. 三角形规则 原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初晶区所包围的三元无变

16、量点是其结晶结束点。判断结晶产物和结晶终点77不一致熔二元化合物组成点不在其初晶区界线pP由二元相图的转熔点p发展而得：转熔线冷却时pP界线上的液相回吸晶体B而析出晶体S78 LL SL A+SP=1 F=3P=2 F=2P=3 F=14 S SV S S+ A ，熔体4， LA+S+CP=4F=0EWA+S+ CE4A+S+C ，到达消失，A+S+CLA+SLP=4,F=0P=3,F=1SLP=2,F=2W(C)S(A)4(S)EEV4 固相：4消失消失消失液相： LLBP=1F=3P=2F=211 BB ，熔体， LB+CP=3F=1a BB+ CPbB+C+ S ，到达，L+BS+CP=

17、4F=0P1S+B+C ，消失， LLBP=1F=3P=2F=222 B (B)a BB+ C ，熔体， LB+CL+BS+CP=3F=1P=4F 0PnB+C+ S ，到达， L S+CP=3 F=1Pd S+CBEh S+C+ A ，离 开消 失到 达，LA+S+CP=4F=0E2A+S+C ，消失， LL BP=1 F=3P=2 F=233 B(B)e B B+ S ，熔体，LSL+BSP=3F=1P=2F 2f SS+ B 穿相区，消失 L S+AP=3 F=1S S+ CEq S+C+ Ag ，到达，LA+S+CP=4F=0E3A+S+C ，消失， LL SL A+SP=1 F=3P

18、=2 F=2P=3 F=14S(S)V S S+ A ，熔 体 4， LA+S+CP=4F=0EWA+S+ CE4A+S+C ，到达消失， LLBP=1F=3P=2F=255 B (B)e BB+ S ，熔体， L+BSLS+CP=3F=1P=3F 1pSS+ C ，不停留， LA+S+CP=4F=0ErS+C+ AE5A+S+C ，到达消失，1LALS1123P=2,F=23,1P=2,F=213,2A+SS+C11MMaa ()a(,0)ASbL ASPFLS CPFs c bAE LSCB FM 液相：相消失固相：2L A21P=2,F=23,1L+B S1P=3,F=13,1A+B12

19、342MM(,0,)n(,0)ALA BPFLB SPFA B CS BS BS B ClR L A BS FAE LB S C FddddM 液相：相消失固相：87R点：没有相应的副三角形R点是一个双转熔点SBALR过渡点不是析晶的结束点88三元化合物，一致熔8990919293949610.10.1 CaO-Al2O3-SiO2系统981. 化合物：12个 4个一致熔二元化合物 6个不一致熔二元化合物CS、C2S、C12A7、A3S2C3S2、C3S、C3A、CA、CA2、CA6 2个一致熔三元化合物CAS2、C2AS2. 温降方向3. 无变量点性质4. 有否液相分层、多晶转变、固溶体99100水泥熟料生产 3 个无变量点：K、h：单转熔点F：低共熔点转熔与共熔分界点点3点P液相独立析晶101 液相独立析晶：如果冷却速度不是快到使液相完全失去析晶能力，但也不是慢到足以使它能够和系统中其它晶相保持原有的相图关系，则此时液相犹如一个原始配料的高温熔体那样独立析晶，重新建立一个新的平衡体系，不受系统中已存在的其它晶相制约。如k点33L+CaOC SLC SLCaO2F=2F=1F=2PES 相：液32332LC S+