無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)__相圖

1、會(huì)計(jì)學(xué)1無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)_相圖相圖210.1相平衡的基本概念、相律 10.1.1相：物理化學(xué)性質(zhì)相同、完全均勻、可含多種物質(zhì) 相數(shù) p：系統(tǒng)內(nèi)性質(zhì)相同且均勻部分的種類數(shù)。 10.1.2獨(dú)立組分?jǐn)?shù) C：平衡系統(tǒng)中各相組成的最少純物質(zhì)數(shù)，純物質(zhì)數(shù)減去獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)數(shù)。10.1.3自由度數(shù)F：相平衡系統(tǒng)中可獨(dú)立改變而不引起相變的變量數(shù)10.1.4相律： F = C p n n 為影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的外界因素?cái)?shù) 一般（僅溫度和壓力）： n = 2 F=C-P+2 凝聚系統(tǒng)： n = 1 F=C-P+13456789101112ABCDOPT水冰氣13晶1晶2液TPABCDEFGO氣H其中：

2、BF晶型轉(zhuǎn)變線，反映P對(duì)多晶轉(zhuǎn)變的影響，該直線斜率不會(huì)太大。CE晶2的熔融曲線 BF晶1、晶2的轉(zhuǎn)變曲線AB氣相與晶1的兩相平衡線（晶1的升華曲線）BC氣相與晶2的兩相平衡線（晶2的升華曲線）CD液相與氣相的兩相平衡線（液相的蒸發(fā)曲線）OG過(guò)熱晶型1與過(guò)冷液體的平衡曲線BH過(guò)冷晶型2的升華曲線BO過(guò)熱晶型1的升華曲線OC過(guò)冷液相的蒸發(fā)曲線FBOG區(qū)過(guò)熱晶1的相區(qū) OBC過(guò)冷蒸汽介穩(wěn)區(qū)GOCE區(qū)過(guò)冷液相區(qū) 具有同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變的單元系統(tǒng)相圖14晶1晶2LKTPT轉(zhuǎn)T1T215晶1晶2LQTPT轉(zhuǎn)T1T2161722二元系統(tǒng)：c=2相律ppcf31不可能出現(xiàn)4相或更多相平衡溫度、濃度2, 1maxmi

3、nfp3, 0maxminpf23特點(diǎn)： 兩個(gè)組分在液態(tài)時(shí)能以任何比例互溶，形成單相溶液；但在固態(tài)時(shí)則完全不互溶，二個(gè)組分各自從液相中分別結(jié)晶。組分間無(wú)化學(xué)作用，不生成新的化合物A的熔點(diǎn)B的熔點(diǎn)A和B的二元低共熔點(diǎn)液相線固相線4個(gè)相區(qū)：L、L+A、L+B、A+B24 以組成為M的配料加熱到高溫完全熔融，然后平衡冷卻析晶。M的熔體MT=T，Lp=1, f = 2t=TC, C點(diǎn)液相開(kāi)始對(duì)A飽和，L+Ap=2, f=1t=TE, E點(diǎn)從液相中不斷析出A晶體液相同時(shí)對(duì)晶體A和B飽和p=3, f=0當(dāng)最后一滴低共熔組成的液相析出A晶體和B晶體后，液相消失253個(gè)概念：系統(tǒng)組成點(diǎn)、固相點(diǎn)、液相點(diǎn)簡(jiǎn)稱：系

4、統(tǒng)點(diǎn)取決于系統(tǒng)的總組成，由原始配料組成決定對(duì)于M配料，系統(tǒng)點(diǎn)在MM線上系統(tǒng)中的液相組成和固相組成隨溫度不斷變化，液相點(diǎn)和固相點(diǎn)的位置也隨溫度不斷變化26杠桿規(guī)則如果一個(gè)相分解為2個(gè)相，則生成的2個(gè)相的數(shù)量與原始相的組成點(diǎn)到2個(gè)新生相的組成點(diǎn)之間線段成反比。TD溫度下的固相量和液相量OFOD液相量固相量FDOFFDOD)()(原始配料量固液總量液相量原始配料量固液總量固相量27析晶路程表示法液相點(diǎn)固相點(diǎn)EMLf=2Cf=1AL 0,fBALKGIBAALLAP=1,F=2P=2,F=13,0MCI,(A)E()G,A+(B)()K,A+BLA BPFE 到達(dá)消失28相當(dāng)于兩個(gè)具有低共熔點(diǎn)的簡(jiǎn)單相

5、圖29Tp：化合物分解P點(diǎn)組成的液相B晶體C Lp+Bp=3, f=0平衡冷卻過(guò)程轉(zhuǎn)熔點(diǎn)/回吸點(diǎn)30相同相同。31熔體2T，Lp=1, f=2TkLBp=2, f=1TPLP+ B Cp=3, f=0液相點(diǎn)在P點(diǎn)不變，液相量在減少，同時(shí)固相組成中B晶體在不斷減少，C晶體在不斷增加，至D點(diǎn)B晶體被回吸完畢p=2, f=1TE低共熔點(diǎn)析晶結(jié)束32析晶路程表示法液相點(diǎn)固相點(diǎn)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 熔體到達(dá)開(kāi)始回吸離開(kāi)晶體 消失到達(dá)消失343536液相線aL2b以上相區(qū)為高溫熔體特點(diǎn)：沒(méi)有無(wú)變量點(diǎn)，系統(tǒng)中只存在液態(tài)溶液和固態(tài)溶液。固相線aS2b以下相區(qū)為固溶體液態(tài)溶液與固溶體平衡的固液二相區(qū)M高溫熔體平衡冷卻1212LSLSL12P=1,F=2P=2,F=1P=2,F=133SS123MLL L (LS ,)SSS 液相：液相消失固相：38特點(diǎn)：組分A、B間可以形成固溶體但溶解度有限，不能以任意比例互溶。2個(gè)固溶體7條線6個(gè)相區(qū)3個(gè)無(wú)變量點(diǎn)39析晶路程表示法液相點(diǎn)固相點(diǎn)HDSBAABABSSS )()()(10,)()(fSSLABBA

7、EEMLf=2L1f=1)(ABSL 40特點(diǎn)：二個(gè)組分在液相不完全互溶，只能有限互溶。CKD：帽形區(qū)液相分為二層： 組分B在組分A中的飽和溶液L1 組分A在組分B中的飽和溶液L2臨界點(diǎn)/臨界溫度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 液相分離液相分離熔體消失到達(dá)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系統(tǒng)二元相圖判讀依據(jù)： 幾個(gè)化合物 化合物性質(zhì) 根據(jù)一致熔化合物劃分成分系統(tǒng)3個(gè)分二元系統(tǒng)：SiO2-CSCS-C2SC2S-CaO43二液區(qū)硅磚中用CaO作礦化劑多晶轉(zhuǎn)變從理論推算，當(dāng)溫度升高到某一溫度時(shí)，兩液相應(yīng)合并成一個(gè)液相。 曾有資料表明：當(dāng)溫度達(dá)到2100C，CaO含量為10%左右時(shí)，兩液相區(qū)消失，成為一液相區(qū)。SiO2中加入1%CaO，在低共熔溫度1436下能產(chǎn)生2.7%的液相量（根據(jù)杠桿規(guī)則：1:37=2.7%）液相線從C點(diǎn)往左上升得很陡，所以溫度升高很多時(shí)，液相量增加并不多，因此不降低硅磚的耐火度。CaO37%44硅鈣石：不一致熔各種高爐礦渣中45水泥

9、熟料生產(chǎn)重要C3S：不一致熔融化合物2150C 1250 CC2S：一致熔融化合物具有復(fù)雜的多晶轉(zhuǎn)變46A3S2（莫來(lái)石）：一致熔化合物固溶少量Al2O3陶瓷、耐火材料分系統(tǒng)：A3S2-Al2O3優(yōu)質(zhì)耐火材料47分系統(tǒng)：SiO2-A3S2在SiO2中加入1%Al2O3 根據(jù)杠桿規(guī)則，1595C下產(chǎn)生1:5.5=18.2%的液相量，硅磚耐火度下降 與SiO2平衡的液相線從SiO2熔點(diǎn)1723C向E1點(diǎn)1595 C迅速下降，因此硅磚的熔化溫度急劇下降。硅磚中嚴(yán)防混入Al2O3液相線E1F：15951700 較陡，17001850 較平緩 配料時(shí)的組成范圍：半硅磚Al2O3：小于30%;粘土磚Al2

10、O3:30%40%；高鋁磚Al2O3：48%以上。剛玉Al2O3：99%50三元系統(tǒng)：c = 3相律ppcf41不可能出現(xiàn)5相或更多相平衡溫度、濃度3, 1maxminfp4, 0maxminpf51通常用等邊三角形表示三元系統(tǒng)的組成 濃度三角形52雙線法確定三元組成53濃度三角形的2個(gè)性質(zhì)：1. 等含量規(guī)則平行于三角形一邊的直線，線上任一組成點(diǎn)所含對(duì)面頂點(diǎn)組分的含量不變。542. 定比例規(guī)則 從濃度三角形某角頂引出之射線上各點(diǎn)，另外二個(gè)組分含量的比例不變。3. 背向規(guī)則/定比例規(guī)則的推論 從三個(gè)組元的混合物中不斷取走C組元，那么這個(gè)系統(tǒng)的組成點(diǎn)將沿CM延長(zhǎng)線并沿著背離C的方向而變化。5510

11、.7.2 杠桿規(guī)則1、含義： （1）在三元系統(tǒng)內(nèi),由兩相合成一個(gè)新相時(shí),新相的組成點(diǎn)必在原來(lái)二相組成點(diǎn)的連線上; （2）新相組成點(diǎn)與原來(lái)二相組成點(diǎn)的距離和二相的量成反比。 即：PNMPmn設(shè)有mKg的M組和nKg的N組成合成一個(gè)(m+n)Kg的新相P.56設(shè)有mKg的M組和nKg的N組成合成一個(gè)(m+n)Kg的新相P.571、P點(diǎn)處在 MNQ內(nèi)部根據(jù)杠桿規(guī)則：M與N可以合成S相，而S相與Q相可以合成P相，因此，M+N+Q=P ，表明P相可以通過(guò)M、N、Q三相合成，或反之，從P相可以分解出M、N、Q三相。P點(diǎn)處于 MNQ內(nèi)部，這種位置叫做重心位。582、P點(diǎn)處于 MNQ某條邊的外側(cè)，且在另外兩條

12、邊的延長(zhǎng)線范圍內(nèi)。根據(jù)杠桿規(guī)則：PQt ，MNt ，因而，P+Q=M+N，即從P和Q兩相可以合成M和N相，反之，從M和N相可以合成P和Q兩相。P點(diǎn)所處的這種位置，叫做交叉位。593、P點(diǎn)處于 MNQ某一頂點(diǎn)的外側(cè)，且在形成此角頂?shù)膬蛇叺难娱L(zhǎng)線范圍內(nèi)。根據(jù)杠桿規(guī)則：得到P+Q+N=M，即從P、Q、N三相可以合成M。P點(diǎn)所處的這種位置，叫做共軛位。60 1、立體圖61濃度三角形三條棱柱：溫度三個(gè)側(cè)面：二元相圖三個(gè)頂點(diǎn)C、A、B：三個(gè)組分C、A、B的熔點(diǎn)E1、E2、E3：三個(gè)二元相圖的低共熔點(diǎn)三個(gè)飽和曲面：液相面E：三元低共熔點(diǎn)三條界線62將立體圖向濃度三角形底面投影成平面圖初晶區(qū)6310.9.1

13、具有一個(gè)低共熔點(diǎn)的簡(jiǎn)單三元相圖三個(gè)組分各自從液相中分別析晶，不形成固溶體。不生成化合物，液相無(wú)分層現(xiàn)象高溫熔體對(duì)C晶體飽和：p=2, f=2定比例規(guī)則到達(dá)界線：同時(shí)對(duì)晶體C、A飽和; p=3, f=1低共熔點(diǎn)：同時(shí)對(duì)晶體C、A、B飽和，p=4,f=0; 至液相消失64在CCAA平面內(nèi)65析晶路程：液相點(diǎn)固相點(diǎn)MLCf = 2DLC+Af = 1E (L C+A+B, f = 0)C AC A BCFM 66杠桿規(guī)則應(yīng)用：計(jì)算液相量和固相量液相到達(dá)D點(diǎn)時(shí)：67液相到達(dá)D點(diǎn)時(shí)：68液相到達(dá)E點(diǎn)時(shí)：69液相到達(dá)E點(diǎn)時(shí)：70液相到達(dá)E點(diǎn)時(shí)：MEFCAFEAC（ ）%=固固相相71 在三元系統(tǒng)中某二個(gè)組

14、分間生成的化合物稱為二元化合物相當(dāng)于2個(gè)簡(jiǎn)單三元相圖的組合 二元化合物的組成點(diǎn)在濃度三角形的一條邊上 一致熔化合物的組成點(diǎn)在其初晶區(qū)內(nèi)72不一致熔二元化合物組成點(diǎn)不在其初晶區(qū)界線pP由二元相圖的轉(zhuǎn)熔點(diǎn)p發(fā)展而得：轉(zhuǎn)熔線冷卻時(shí)pP界線上的液相回吸晶體B而析出晶體S731. 連線規(guī)則 將一條界線（或其延長(zhǎng)線）與相應(yīng)的連線（或其延長(zhǎng)線）相交，其交點(diǎn)是該界線上的溫度最高點(diǎn)。連線上溫度最低點(diǎn)。判斷界線的溫度走向742. 切線規(guī)則 將界線上某一點(diǎn)所作的切線與相應(yīng)的連線相交，如交點(diǎn)在連線上，則表示界線上該處具有共熔性質(zhì)；如交點(diǎn)在連線的延長(zhǎng)線上，則表示界線上該處具有轉(zhuǎn)熔性質(zhì)，其中遠(yuǎn)離交點(diǎn)的晶相被回吸。判斷界線

15、的性質(zhì)共熔性質(zhì)分界點(diǎn)轉(zhuǎn)熔性質(zhì)界線上任一點(diǎn)的切線與相應(yīng)連線的交點(diǎn)實(shí)際上表示了該點(diǎn)液相的瞬時(shí)析晶組成瞬時(shí)析晶組成是指液相冷卻到該點(diǎn)溫度，從該點(diǎn)組成的液相中所析出的晶相組成區(qū)別于系統(tǒng)固相的總組成 = 該點(diǎn)析出的晶體 + 冷卻到該點(diǎn)之前析出的所有晶體753. 重心規(guī)則 如無(wú)變量點(diǎn)處于其相應(yīng)的副三角形的重心位，則該無(wú)變量點(diǎn)為低共熔點(diǎn)；如無(wú)變量點(diǎn)處于其相應(yīng)的副三角形的交叉位，則為單轉(zhuǎn)熔點(diǎn)；如無(wú)變量點(diǎn)處于其相應(yīng)的副三角形的共軛位，則為雙轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。判斷無(wú)變量點(diǎn)的性質(zhì)交叉位共軛位雙升點(diǎn)雙降點(diǎn)764. 三角形規(guī)則 原始熔體組成點(diǎn)所在副三角形的三個(gè)頂點(diǎn)表示的物質(zhì)即為其結(jié)晶產(chǎn)物；與這三個(gè)物質(zhì)相應(yīng)的初晶區(qū)所包圍的三元無(wú)變

16、量點(diǎn)是其結(jié)晶結(jié)束點(diǎn)。判斷結(jié)晶產(chǎn)物和結(jié)晶終點(diǎn)77不一致熔二元化合物組成點(diǎn)不在其初晶區(qū)界線pP由二元相圖的轉(zhuǎn)熔點(diǎn)p發(fā)展而得：轉(zhuǎn)熔線冷卻時(shí)pP界線上的液相回吸晶體B而析出晶體S78 LL SL A+SP=1 F=3P=2 F=2P=3 F=14 S SV S S+ A ，熔體4， LA+S+CP=4F=0EWA+S+ CE4A+S+C ，到達(dá)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 ，熔體， LB+CP=3F=1a BB+ CPbB+C+ S ，到達(dá)，L+BS+CP=

17、4F=0P1S+B+C ，消失， LLBP=1F=3P=2F=222 B (B)a BB+ C ，熔體， LB+CL+BS+CP=3F=1P=4F 0PnB+C+ S ，到達(dá)， L S+CP=3 F=1Pd S+CBEh S+C+ A ，離 開(kāi)消 失到 達(dá)，LA+S+CP=4F=0E2A+S+C ，消失， LL BP=1 F=3P=2 F=233 B(B)e B B+ S ，熔體，LSL+BSP=3F=1P=2F 2f SS+ B 穿相區(qū)，消失 L S+AP=3 F=1S S+ CEq S+C+ Ag ，到達(dá)，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 體 4， LA+S+CP=4F=0EWA+S+ CE4A+S+C ，到達(dá)消失， LLBP=1F=3P=2F=255 B (B)e BB+ S ，熔體， L+BSLS+CP=3F=1P=3F 1pSS+ C ，不停留， LA+S+CP=4F=0ErS+C+ AE5A+S+C ，到達(dá)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點(diǎn)：沒(méi)有相應(yīng)的副三角形R點(diǎn)是一個(gè)雙轉(zhuǎn)熔點(diǎn)SBALR過(guò)渡點(diǎn)不是析晶的結(jié)束點(diǎn)88三元化合物，一致熔8990919293949610.10.1 CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)981. 化合物：12個(gè) 4個(gè)一致熔二元化合物 6個(gè)不一致熔二元化合物CS、C2S、C12A7、A3S2C3S2、C3S、C3A、CA、CA2、CA6 2個(gè)一致熔三元化合物CAS2、C2AS2. 溫降方向3. 無(wú)變量點(diǎn)性質(zhì)4. 有否液相分層、多晶轉(zhuǎn)變、固溶體99100水泥熟料生產(chǎn) 3 個(gè)無(wú)變量點(diǎn)：K、h：?jiǎn)无D(zhuǎn)熔點(diǎn)F：低共熔點(diǎn)轉(zhuǎn)熔與共熔分界點(diǎn)點(diǎn)3點(diǎn)P液相獨(dú)立析晶101 液相獨(dú)立析晶：如果冷卻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夠和系統(tǒng)中其它晶相保持原有的相圖關(guān)系，則此時(shí)液相猶如一個(gè)原始配料的高溫熔體那樣獨(dú)立析晶，重新建立一個(gè)新的平衡體系，不受系統(tǒng)中已存在的其它晶相制約。如k點(diǎn)33L+CaOC SLC SLCaO2F=2F=1F=2PES 相：液32332LC S+