第六单元-2-二元相图.ppt

1、材料科学基础 （A）,材料物理学科基础课,西南科技大学材料学院 曹 林 洪,Fundamentals of Material Science,hyclh办公室：西5（105）3楼7号,二元凝聚系统， f = c p + 1 = 2 p 1 3 p 二元系统相图以浓度为横坐标，温度为纵坐标来绘制的。 二元相图的八种类型： 1、具有低共熔点的二元系统； 2、生成一致熔融化合物的二元系统； 3、生成不一致熔融化合物的二元系统； 4、固相中有化合物形成或分解的系统； 5、具有多晶转变的系统； 6、具有液相分层的系统； 7、形成连续固溶体的系统； 8、形成不连续固溶体的系统。,

2、第三节 二元系统,学习相图的要求： 1、相图中点、线、面含义； 2、析晶路程； 3、杠杆规则； 4、相图的作用。,二元系统相图的表示方法及杠杠规正则,相图表示方法,杠杠规则,G=G1+G2 Gb%=G1b1%+G2b2%,1、E：低共熔点 L AB f=0 TAE 液相线 L A f=1 TBE 液相线 L B f=1 2、M点析晶路程,一、具有低共熔点的二元系统相图,L1 s1,(A),L2s2,A,EsE，A(B),E(液相消失)ME,A+B,M3,3、杠杆规则,(1) T1： 固相量 S% = 0 ; 液相量 L=100%; (2) T2： S% = M2L2/S2L2 100 ；L M

3、2S2/S2L2 100 (3) 刚到TE : 晶体B未析出，固相只含A。 S% = MEE/SEE 100 ；L MESE/SEE 100 (4) 离开TE ：L 消失，晶体A、B 完全析出。 SA% = MEB/AB 100 ； SB% = MEA/AB 100,4、相图的作用 (1) 知道开始析晶的温度， 析晶终点，熔化终点的温度； (2) 平衡时相的种类； (3) 平衡时相的组成 预测瓷胎的显微结构 预测产品性质 (4) 平衡时相的含量。,一致熔融化合物：液相和固相组成一致。,1、 E1、E2均为低共熔点； 2、 冷却组成变化路线； 3、 杠杆规则； 4、 相图作用：当原始配料落在AA

4、mBn范围内，最终析晶产物为A和AmBn； 当原始配料落在BAmBn范围内，最终析晶产物为B和AmBn；,二、生成一致熔融二元化合物的二元系统相图,不一致熔融化合物：是不稳定化合物，加热这种化合物到某一温度便分解成,讨论 1、E：低共熔点 ，f 0，是析晶终点，L AC ； P：转熔点或回吸点， f0，不一定是析晶终点， LBC,一种液相和一种晶相，二者组成与化合物组成皆不相同。,三、生成一个不一致熔融化合物的二元相图,2 析晶路线,K M , (B),PF, 开始回吸B(C),PD ，晶体B消失C,EH , C+(A),E(液相消失)O , A+C,G,同理可分析组成2的冷却过程。在转熔点P

5、处， LBC时，L先消失，固相组 成点为D和F，其含量 由D、J、F三点相对位置求出。P点是回吸点又是析晶终点。,组成3在P点回吸，在LBC时LB同时消失， P点是回吸点又是析晶终点。,P点是过渡点，因为无B相生成。,F D , (C),EH , C+(A),E(液相消失)L ，AC,总结规律：,四、固相中有化合物形成或分解的二元系统相图,熔体3的冷却过程：,C C/ , (B),PD/, 开始回吸B(C),P (液相消失)D ，BC,H , B+A,O , A+B,两种类型：A、在低共熔点下发生 B、在低共熔点以上发生,实例应用： 1、CaO.Al2O3.2SiO2SiO2系统相 图，石 英

6、多晶转变温度在低共熔点1368之上， 在液相中， -方石英 -鳞石英的转 变温度 1470。,2、CaO.SiO2 CaO.Al2O3.2SiO2系 统相图， CS在低于低共熔点 (1307)的温度， 在固相中发生 多晶转变：-CS -CS， 转变温度为1125。,五、具有多晶转变的二元系统相图,A、在低共熔点下发生,B、在低共熔点以上发生,特殊点 E：低共熔点 ，f 0，是析晶终点，L AB ； P：晶型转变点， f0，不是析晶终点，LALA,析晶路程：,C C/ , (B),ED/, B(A),F，AB,E(液相消失)D , B A ,1/ ，AB,1、点E：低共熔点 LAB f=0 F：

7、LG ALF f=0 2、线GKF为液相分界线； 3、帽形区GKFG为二液存在区，区域的存在与温度有关。 4、析晶路程：,六、具有液相分层的二元系统相图,L1 L1/,L2 L2/,E(L消失)O ，AB,5、应用： CaO-SiO2及MgO-SiO2系统相图，在SiO2含量高处都有 一个二液分层区。,连续固溶体：化学式相似，结构相同，离子半径相近的物质能够形成。,1、特点： 无三相无变量点，即fMIN1 两个相平衡点，例2点和7点。 2、杠杆规则计算固液相量。,七、形成连续固溶体的二元系统相图,3、举例： 2MgO.SiO2和2FeO.SiO2在高温能 以各种比例互溶形成连续固溶体。,举例：

8、 铁钙黄长石(Ca2FeSiAlO7)与镁方柱石(Ca2MgSi2O7)形成连续固溶体中间有一交点。,SA(B)表示B组分溶解到A组分中所形成的固溶体； SB(A)表示A组分溶解在 B组分中所形成的固溶体。,八、形成不连续固溶体的二元相图,另一类：生成不连续固溶体且具有回吸点的二元系统相图,1、点G :低共熔点 LSA(B)+ SB(A) f=0 点J ：回吸点，f=0 L+SA(B) SB(A),结论,专业相图：,分析步骤： 了解系统中各种物质的性质，如是否有化合物、化合物是否一致熔融、在固相中生成还是分解、是否有固溶体形成以及多晶转变等。 以一致熔融化合物的等组成线为分界线，把复杂系统分解

9、为若干简单分二元系统。 分析各分二元系统中的点、线、区所表达的相平衡关系。 分析熔体的冷却析晶过程或混合物的加热过程。应用杠杠规则计算系统中成平衡两相相对数量或百分含量。,1、CaO-SiO2系统相图 要求： (1)会划分分二元系统； (2)无变量点的性质，相间平衡； (3)具体分析SiO2-CS分系统，解释为何CaO可作为 硅砖生产的 矿化剂； (4) C2S-CaO分系统含有硅酸盐水泥的重要矿物 C3S和C2S，C3S是不一致熔融化合物，仅能稳 定存在于12502150之间。 (5) 会应用相图指导实际生产。,C2S的多晶转变,图10-14 C2S的多晶转变,要求：(1)会划分分二元系统；

10、 (2)无变量点的性质及相间平衡； (3)在SiO2-A3S2分系统中，,(4) 在A3S2SiO2分系统,莫来石质 (Al2O372% )及刚玉质耐火砖(Al2O390% )都 是性能优良的耐火材料。,分析粘土砖，其矿物组成?,分析生产硅砖中Al2O3存在降低耐火度的影 响?,2、Al2O3-SiO2系统相图,分析粘土砖，其矿物组成? 石英和莫来石(A3S2), A3S2含量增加，耐火度增大，其中含Al2O3大约33。 注意：配料组成在E1F范围内，必须注意液相线的变化。,分析生产硅砖中Al2O3存在降低耐火度的影 响? 因 为此系统中在1595低共熔点处生成含Al2O3 5.5wt%d的液

11、 相，E1点靠近SiO2,当加入1wt的，在1595就产生 1：5.5=18.2 液相，与SiO2平衡的液相线从熔点1723迅速降为1595，因而使耐火度大大降低。,图10-15 Al2O3-SiO2系统相图,(1)划分二元分系统； (2)确定各无变量点的性质及相间平衡； (3)应用：镁质耐火材料配料中MgO含量应大于Mg2SiO4中 MgO含量，否则配料点落入Mg2SiO4SiO2系统， 开始出现液相温 度及全融温度急剧下降，造成耐 火度急剧下降。 注意：镁质砖(T共1850)与硅质砖(T共1436) 不能混用，否则共熔点下降。,3、MgO-SiO2二元系统,图10-16 MgO-SiO2系

12、统相图,常用于玻璃，其最低共熔点为799。 73SiO2和27Na2O易溶于水生成泡花碱。 由于Na2O在高温容易挥发,故相图中缺乏Na2O含量高部分。,4、Na2O-SiO2二元系统,三元凝聚系统: f c p 14 p ， 当 p=1 时， fmax3 ( 即组成x1、x2和温度的变化。),第四节 三元系统相图,顶点：单元系统或纯组分； 边： 二元系统； 内部：三元系统,应用：1、已知组成点确定各物质的含量； 2、已知含量确定其组成点的物质。,一、 三元系统组成的表示方法 在三元系统中用等边三角形来表示组成。,二、三元系统组成中的一些关系 1、等含量规则 在等边三角形中，平行于一条边的直线

13、上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。,从等边三角形的某一顶点向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点组分的含量则随着远离顶点而降低。 背向规则： 在三角形中任一混合物M，若从M中不断析出某一顶点的成分，则剩余物质的成分也不断改变(相对含量不变)，改变的途径在这个顶点和这个混合物的连线上，改变的方向背向顶点。,2、定比例规则,3、杠杆规则 在三元系统中，一种混合物分解为两种物质(或两种物质合成为一种混合物)时，它们的组成点在一条直线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。,推导：GMGOGP GMb%GOb1%+GPb2%,物质的分解和合成实际上就是物相的变化

14、。对于三元系统中有混合物分解为三种物质，或有三种物质生成一种物质，其重量比需用两次杠杆规则求出。,4、重心规则 在三元系统中，若有三种物质M1、M2、M3合成混合物M，则混合物M的组成点在连成的M1M2M3之内，M点的位置称为重心位置。 当一种物质分解成三种物质 ，则混合物组成点也在三物质组成点所围的三角形内。,根据杠杆规则：M1M2P PM3 M,5、交叉位置规则 M点在M1M2M3某一条边的外侧，且在另二条边的延长线范围内。这需要从物质M1M2中取出一定量的M3才能得到混合物M，此规则称为交叉位置规则。,由杠杆规则：M1M2P M+M3P,6、共轭位置规则 在三元系统中，物质组成点M在的一

15、个角顶之外，这需要从物质M3中取出一定量的混合物质M1M2，才能得到新物质M，此规则称为共轭位置规则。 由重心规则： M1M2MM3 或：M M3 (M1M2) 结论：从M3中取出M1M2愈多， 则M点离M1和M2愈远。,A,B,C,三、简单三元系统的立体状态图和平面投影图,说明： 1、三棱边：A、B、C的三个一元系统； 2、三侧面：构成三个简单二元系统状态图，并具有相应 的二元 低共熔点； 3、二元系统的液相线在三元系统中发展为液相面， 液相面代表了一种二相平衡状态，三个液相面以 上的空间为熔体的单相 区； 4、液相面相交成界线，界线代表了系统的三相平衡 状态，f 1； 5、三个液相面和三条

16、界线在空间交于E/点，处于四 相平衡状态， f 0； 6、平面投影图,立体图与平面投影图的关系,(2) 冷却过程温度降低的方向 (3) 等温线： 在空间结构图的液相面上， 高度不同，温度也不同， 而液相面投影到ABC上是 一个没有高低差别的平面， 因而引入 等温线。 相图中一般注明等温线的温度。,结论： 三角形顶点温度最高， 离顶点愈远其 表示 温度愈低。等温线愈密，表示液 相面越 陡 峭。,三元系统的等温截面,牢记： 按杠杆规则，原始配料组成、液相组成和固相组成，这三点任何时刻必须处于一条直线上。 并可计算某一温度下系统中的液相量和固相量。,M C , (C),DC , C(B),E(L消失

17、)M ，AB+C,E F ，B+C+(A),7、析晶路程：,1、生成一个一致熔融二元化合物的三元系统相图,在相图上的特点： 其组成点位于其初晶区范围内。 要求： (1) 确定温度的变化方向； (2)各界线的性质； (3) 会划分各分三元系统； (4) 分析不同组成点的析晶路程， 析 晶终点和析晶终产物； (5) 在E1E2界线上m点是温度最 高点。 (连线规则),四、三元系统相图的基本类型,相图上的特点： 化合物组成点不在其初晶区范围内。,2、生成一个不一致熔融二元化合物的三元系统,(1) 几条重要规则 A 连线规则：用来判断界线的温度走向； 定义：将界线(或延长线)与相应的连线相交， 其交点

18、是该界线上的温度最高点； 温度走向是背离交点。,B 切线规则：用于判断三元相图上界线的性质 定义：将界线上的某一点所作的切线与相应的组成的连线相交， 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，远离交点的晶相被回吸。 注意：有时一条界线上切线与连线相交有两种情况。 在某段具有共熔性质，过一转折点后又具有共熔性质。 二类界线表示：,C 重心规则：用于判断无变量点的性质 定义：无变量点处于其相应副三角形的重心位，则为共熔点； 无变量点处于其相应副三角形的交叉位，则为单转熔点； 无变量点处于其相应副三角形的共轭位，则为双转熔点。,注：副三角

19、形指与该无变量点液相平衡的三个晶相组成点连接成的三角形。 判断无变量点的性质的又一方法： 根据界线的温度下降方向，任何一个无变量点必是 三个初相区和三条界线的交汇点： 三条界线的温度下降箭头一定都指向交汇点共熔点； 两条界线的温度下降箭头指向交汇点单转熔点(双升点)； 两条界线的温度下降箭头背向交汇点双转熔点(双降点)。,D 三角形规则 用途：确定结晶产物和结晶终点。 内容：原始熔体组成点所在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 围的三元无变量点是其结晶终点。,课堂总结,一、 三元系统组成的表示方法,二、三元系统组成中的一些关系 1、等含量规则,3、杠杆

20、规则,4、重心规则,5、交叉位置规则,6、共轭位置规则,2、定比例规则,几条重要规则,A 连线规则 B 切线规则 C 重心规则 D 三角形规则,副三角形,(2) 不同组成的结晶路程分析 A、划分副三角形， 确定组成点的位置； B、 分析析晶产物和析晶终点； C、分析析晶路线，正确书写其结晶路程；D、利用规则检验其正确性。,分析：1点在S的初晶区内， 开始析出晶相为S， 组成点在ASC内， 析晶终点为E点， 析出晶相为A、S、C；,1 S , (S),DS , S(A),E(L消失)1 ，AS+C,E F ，A+S+(C),2 .,2点在B的初晶区，开始析出的晶相为B，组成点在BSC内，析晶终点

21、为P点， 析出晶相为B、S、C。,2 B , (B),QB , B(C),P(L消失)2 ，BS+C,P O ，B+(S)+C,. 3,分析：3点在C的初晶区内，开始析出的晶相为C， 在ASC内，析晶终点在E点，结晶终产物是A、S、C。途中经过P点，P点是转熔点，同时也是过渡点。 L+B S+C,3 C , (C),mC , C(B),P(B消失)F ，S+C,P D ，B+(S)+C,E G ，S+(A)+C,E(L消失)3 ，A+S+C,. 4,课堂分析,5 B , (B),HB , B(S),ES ，S+(C+A),I (B消失)S ，S,E(L消失)5 ，A+S+C,. 5,注：5点在

22、ES的连线上,3、组成点 在 ASC内，E点是析晶终点， 在 BSC内，P点是析晶终点。 在连线SC上，P点是析晶终点。,4、 P点:在多边形PCSQ范围内，经过P点时发生转熔， 晶相B先消失， 液相沿PE移动，在E点液相消失； 在 SPQ内存在穿晶区； 在 BSC内，在P点液相先消失； 在连线SC上，B和液相同时消失。,1、无变量点性质 P点：L+B S+C E点： L AS+C 2、界线性质PQ是转熔线 L+B S 其它为共熔线。,总结,特点：三个无变量点，但只能划分两个副三角形，即可能的析晶终点是P点或E点。,(1) 点的性质： P 单转熔点 LA SC ； E 共熔点 L SCB R

23、过渡点，双降点 LAB S (L起介质作用) (2) 用切线规则判断界线性质。 PR ： LA S (3) 分析1点的析晶路程,. 1,3、生成一个固相分解的二元化合物的三元系统,1 A , (A),DA , A(S),FS ，S+(C),N (A消失)S ，S,E(L消失)1 ，B+S+C,. 1,EO ，(B)+S+C,相图特点：S的组成点在其初晶区内。系统可划分为三个分系统 要求：(1) 由连线规则确定温降方向； (2) 由切线规则判断界线性质；,(3) 由重心规则确定无变量点的性质； (4) 由三角形规则确定析晶终点及终产物； (5) 分析析晶路程。,4、 具有一个一致熔融三元化合物的

24、三元系统相,(1) 特点：组成点不在初晶区内； (2) 划分三个副三角形； (3) 用重心规则或温降变化方向判断点的性质， 无变量点所处位置有两种可能，交叉位或共轭位， 相应的性质为单转熔点或双转熔点； (4)用切线规则判断界线性质。有时某一界线具 有两种性质， 即共熔线和转熔线。,E1：低共熔点 LASC E2： 低共熔点 LBSC P： 单转熔点 LA BS 线PE1 ： 转熔线 LA S,5、 具有不一致熔融三元化合物的三元系统相图,E： 低共熔点 L ASC F： 低共熔点 L BSC P： 双转熔点 LAB S 线PE： 转熔线 LAS 线FP：兼有两种性质，N点是转折点 PN： 转

25、熔线 LBS NF： 共熔线 L BS,6、 具有多晶转变的三元系统相图 7、 形成一个二元连续固溶体的三元系统相图 8、 具有液相分层的三元系统相图,1.,五、 三元系统相图举例,图10-28 CaO-Al2O3-SiO2系统相图,1、 CaOAl2O3SiO2系统 判读相图的步骤： (1) 判断有多少化合物生成，判断化合物的性质。 (2) 用连线规则判断界线温度变化方向； (3) 用切线规则判断界线性质； (4) 根据无变量点划分相应的副三角形。 一般无变量点个数 副三角形个数 (5) 确定无变量点的性质； (6) 分析析晶路程； (7) 判断相图上是否存在晶型转变、液相分层或 形成固溶体

26、等现 象。 具体介绍富钙部分相图及实际生产时冷却过程中 的 液相独立析晶。,Ca-Al-Si,熔体冷却可能结果(理想情况)：,平衡析晶成晶体 急冷成玻璃 液相独立析晶,图10-29 CaO-A12O3-SiO2系统富钙部分相图,要求：按分析相图的步骤具体分析。 (1) 有多少化合物：5个二元化合物，4个三元化合物。 (2) 化合物的组成点； (3) 判断化合物的性质；(一致或非一致熔融化合物) (4) 无变量点性质：M: 共熔点(985) L莫来石鳞石英钾长石 E: 鳞石英与钾长石界线和其连线的交点 (990) L 鳞石英钾长石 (5) 重点介绍此系统与日用陶瓷及普通电瓷生产密切相关。 配料： 粘土(高岭土)、 长石 、石英 在相图中 配料三角形为： QWD 产物三角形为： QWm 制品