二元系統(tǒng)課件

第六章6.1概述6.2相平衡及其研究方法6.3單元系統(tǒng)6.4二元系統(tǒng)6.5三元系統(tǒng)相平衡與相圖6.4一相圖的表示方法及杠桿規(guī)則二二元系統(tǒng)相圖的基本類型三專業(yè)二元系統(tǒng)相圖舉例二元系統(tǒng)二元凝聚系統(tǒng)：含有二個組元（C＝2）的系統(tǒng)可以不考慮壓力的改變對系統(tǒng)相平衡的影響相律：F＝C－P＋1＝3－P當Pmin＝1時Fmax＝2（T，X）Pmax＝3時Fmin＝0相圖為溫度一組成圖

2．杠桿規(guī)則

——相圖分析中的重要規(guī)則應(yīng)用：計算一定條件下，系統(tǒng)中平衡各相間的數(shù)量關(guān)系

杠桿規(guī)則示意圖和杠桿示意圖關(guān)鍵：分清系統(tǒng)的總狀態(tài)點，成平衡的兩相的狀態(tài)點，找準在某一溫度下，它們各自在相圖中的位置1．具有一個低其熔點的二元系統(tǒng)相圖

特點：最簡單的二元系統(tǒng)相圖；兩個組元液態(tài)時能以任意比例互溶，形成單相溶液；固相完全不互溶，兩個組元各自從液相分別結(jié)晶；組元之間不生成化合物。二二元系統(tǒng)相圖的基本類型（1）相圖分析液相線aE、bE：P=2，F(xiàn)=1固相線GH相區(qū)：液相單相區(qū)L：P=1，F(xiàn)=2固液共存區(qū)(L+A),(L+B)固相區(qū)(A+B)：P=2，F(xiàn)=1低共熔點E：LEA＋BP＝3，F(xiàn)＝0（2）熔體的冷卻析晶過程指將一定組成的二元混合物加熱熔化后再將其平衡冷卻而折晶的過程。（3）冷卻析晶過程中各相含量的計算M熔體冷卻到TD時，A晶相(F點)和液相(D點)平衡共存，系統(tǒng)總狀態(tài)點在O點。根據(jù)杠桿規(guī)則：

系統(tǒng)中：當液相狀態(tài)點剛到E點、固相狀態(tài)點為G點時，B晶相尚未析出，系統(tǒng)中仍然是A晶相和液相兩相平衡共存，此時，根據(jù)杠桿規(guī)則：當液相在E點消失后，系統(tǒng)中平衡共存的是A晶相和B晶相，該兩相含量則分別為：

杠桿規(guī)則應(yīng)用：一相分為兩相，兩相合為一相，多相系統(tǒng)可根據(jù)已知條件計算平衡共存各相的相對數(shù)量及百分含量；應(yīng)用相圖可確定配料組成已定制品，在不同狀態(tài)下所具有的相組成及其相對含量，以預(yù)測和估計產(chǎn)品的性能，這對指導(dǎo)生產(chǎn)和研制新產(chǎn)品具有重要意義。兩個低共熔點：E1、E2一個一致熔融化合物：AmBnAmBn－M線：劃分出兩個最簡單分二元系統(tǒng)E1：A-AmBn分二元系統(tǒng)低共熔點：LE1A＋AmBn。E2：AmBn-B分二元系統(tǒng)低共熔點，LE2AmBn＋B。存在n個一致熔融化合物時，可以一致熔融化合物等組成線為分界線，將相圖劃分成n＋1個簡單系統(tǒng)。

注意：一致熔融化合物若為非常穩(wěn)定化合物，甚至在熔融時也不離解，則相應(yīng)液相線呈尖峭高峰形（見圖中Mˊ點）若化合物部分分解時，熔化溫度將降低，則化合物愈不穩(wěn)定，最高點也愈平滑（見圖中M點）。

硅灰石（CaO·SiO2）和鎂橄欖石（Mg2SiO2）為一致熔融化合物。3．具有一個不一致熔融化合物的二元系統(tǒng)相圖

不一致熔融化合物：一種不穩(wěn)定化合物，加熱這種化合物到某一溫度便發(fā)生分解，分解產(chǎn)物是一種液相和一種晶相，二者組成與原來化合物組成完全不同。

這類相圖不能劃分成兩個簡單的二元相圖冷卻析晶過程：熔體1化合物AmBn不能直接從二元熔液中結(jié)晶析出，而是通過A、B固相反應(yīng)形成，只能存在于某一溫度范圍內(nèi)（如T1－T2），超出這個范圍，AmBn分解為晶相A和晶相B。

4．固相中有化合物生成與分解的二元系統(tǒng)相圖

不同組成二元系統(tǒng)在Tl（或T2）溫度下發(fā)生固相反應(yīng)時可能有三種不同結(jié)果：①

組成在A－AmBn范圍內(nèi)，A組元含量較高，冷卻到T1（或加熱到T2）時，固相反應(yīng)結(jié)果是B晶相消失，剩余A晶相和新生成化合物AmBn。②組成在AmBn－B范圍內(nèi)，冷卻到T1（或加熱到T2）時，固相反應(yīng)結(jié)果是A晶相消失，剩余B晶相和新生成化合物AmBn。③組成剛好為AmBn二元系統(tǒng)，冷卻到Tl（或加熱T2）時，固相反應(yīng)結(jié)果是A、B全部化合生成化合物AmBn。如圖相圖表示Ambn在低共熔溫度以下的TD以上發(fā)生分解，而在低溫時卻為穩(wěn)定。

5．具有多晶轉(zhuǎn)變的二元系統(tǒng)相圖TP：多晶轉(zhuǎn)變溫度TE：低共熔溫度（1）TP＞TE

即多晶轉(zhuǎn)變在液相中發(fā)生組元A有α和β兩種晶型，其中Aα相在TP溫度以上穩(wěn)定，Aβ相在TP溫度以下穩(wěn)定，發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的溫度為TP。P點稱為多晶轉(zhuǎn)變點，在這個點上進行的平衡過程為：AαAβ。P＝3，F(xiàn)＝0DP線：晶型轉(zhuǎn)變等溫線，將A相區(qū)劃分開來成Aα和Aβ穩(wěn)定存在的兩個相區(qū)。P點為組元A的多晶轉(zhuǎn)變點，P點發(fā)展為一條多晶轉(zhuǎn)變等溫線（TP線），此線以上Aα相區(qū)，此線以下Aβ相區(qū)TP等溫線上進行的平衡過程為：AαAβ，P＝3，F(xiàn)＝0，為無變量過程。多晶轉(zhuǎn)變在硅酸鹽系統(tǒng)中普遍存在，如在CaO－SiO2二元系統(tǒng)中CS、C2S和SiO2都具有多晶轉(zhuǎn)變；在Na2O一SiO2系統(tǒng)中，除SiO2外，NS2也存在多晶轉(zhuǎn)變。

6．形成連續(xù)固溶體的二元系統(tǒng)相圖連續(xù)（或完全互溶、無限互溶）固溶體：溶質(zhì)和溶劑能以任意比例相互溶解的固溶體。

特點：無二元無變量點（1）具有低共熔點的有限固溶體的二元系統(tǒng)相圖aE線——與SA（B）固溶體平衡的液相線。bE線——與SB（A）固溶體平衡的液相線。aC和bD——固相線E——低共熔點，LESA（B）(C)＋SB（A）(D)C點——組元B在組元A中的最大固溶度D點——組元A在組元B中的最大固溶度CF——固溶體SA（B）的溶解度曲線DG——固溶體SB（A）的溶解度曲線可以看出：A、B二個組元在固態(tài)互溶的溶解度是隨溫度下降而下降。有三個單相區(qū)和三個二相區(qū)。

熔體M的冷卻析晶過程：

注意：這類二元系統(tǒng)相圖中，并不是所有高溫熔體都在E點結(jié)晶結(jié)束，有一部分高溫熔體（如組成在Cˊ點以左和Dˊ點以右的系統(tǒng)），其冷卻結(jié)晶過程是在液相線上的某一點結(jié)晶結(jié)束，且結(jié)晶結(jié)束時F＝1。具體結(jié)晶結(jié)束點位置與原始熔體的組成有關(guān)。（2）具有轉(zhuǎn)熔點的有限固溶體的二元系統(tǒng)相圖轉(zhuǎn)熔點P：LP＋SB（A）(D)SA（B）(C)

組成在Pˊ-Dˊ范圍內(nèi)原始熔體冷卻到TP時都將發(fā)生轉(zhuǎn)熔過程，但只有組成在Cˊ-Dˊ范圍內(nèi)熔體在P點液相消失，結(jié)晶結(jié)束。組成在Pˊ－Cˊ范圍內(nèi)熔體是SB（A）先消失，轉(zhuǎn)熔過程結(jié)束，但結(jié)晶并沒結(jié)束，它們和組成在A-Pˊ范圍熔體都是在與SA（B）平衡的液相線上某一點結(jié)晶結(jié)束。組成在Dˊ-B范圍內(nèi)的原始熔體則在與SB（A）平衡的液相線上結(jié)晶結(jié)束。8．具有液相分層的二元系統(tǒng)相圖

液相分層：二組元在液態(tài)并不完全互溶，只能有限互溶。CKD：液體分相區(qū)二液區(qū)內(nèi)等溫結(jié)線Lˊ1Lˊ2、Lˊˊ1Lˊˊ2、Lˊˊˊ1Lˊˊˊ2的兩端表示各個溫度下互相平衡的兩個液相的組成。溫度升高，兩層液相的溶解度都增大，因而其組成越來越接近，到達K點，兩層液相的組成已完全一致，分層現(xiàn)象消失，故K點稱為臨界溫度。在CKD以外，不再發(fā)生二液分層現(xiàn)象，而成為液相單相區(qū)。曲線aC、DE均為與A晶相平衡的液相線，bE是與B晶相平衡的液相線。除低共熔點E外，系統(tǒng)中還有一個無變量點D：LCLD＋A，即冷卻時從液相LC中析出A晶相，同時液相LC轉(zhuǎn)變?yōu)橐合郘D；加熱時過程反向進行。abM點冷卻析晶過程：三專業(yè)二元系統(tǒng)相圖（一）Al2O3-SiO2系統(tǒng)存在一個化合物：3Al2O3·2SiO2（A3S2），組成：72wt%Al2O3，28wt%SiO260mol%Al2O340mol%SiO2在A3S2的晶格中可溶于少量Al2O3（約3mol％）形成固溶體。601.相圖介紹

（1）A3S2為不一致熔化合物（試樣純度不高），A3S2的轉(zhuǎn)熔點為1828℃。

（2）A3S2為一致熔化合物（試樣純度高變并防止SiO2揮發(fā)），A3S2熔點為1850℃。2.相圖應(yīng)用對鋁、硅質(zhì)耐火材料的研究和生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義1．硅鋁質(zhì)耐火材料分類及相應(yīng)礦物組成2．Al2O3含量對硅鋁質(zhì)耐火材料性能的影響3．由組成估計其液相量4．由液相線的傾斜程度，判斷液相量隨溫度變化的情況Al2O3/wt％＜115~3030~4848~9070~72＞90材料硅質(zhì)半硅質(zhì)粘土質(zhì)高鋁質(zhì)莫來石質(zhì)剛玉質(zhì)主要礦物相鱗石英（有礦化劑）方石英玻璃相①方石英鱗石英少量莫來石及玻璃相莫來石方石英鱗石英莫來石少量硅氧晶體及玻璃相莫來石玻璃相剛玉莫來石Al2O3－SiO2系統(tǒng)各類耐火材料礦物組成（二）CaO-SiO2系統(tǒng)

存在四個化合物，其中C3S2和C3S是不一致熔融化合物，CS和C2S是一致熔融化合物。硅磚生產(chǎn)中，CaO可作為礦化劑而引入。由圖可見：加入CaO對硅磚在各不同溫度下液相量的增加影響不大，所以對硅磚的耐火度無多大影響?？捎靡恢氯廴诨衔锏冉M成線作為界線，將系統(tǒng)劃分成若干分系統(tǒng)，如以CS和C2S為界線，將系統(tǒng)分成SiO2－CS、CS－C2S……。其中C2S和C3S是水泥塑料中的主要礦物，C3S是高溫分解，低溫也分解的化合物。（三）CaO-Al2O3系統(tǒng)相圖是在完全干燥的氣氛中得到的。

其中C3A與CA在1360℃形成低共熔點，而C12A7沒有其穩(wěn)定相區(qū)。在濕空氣中則可形成一致熔化合物C12A7，其熔點為1392℃。C3A是硅酸鹽水泥熟料中的重要礦物；CA是礬土水泥主要礦物；CA2是耐火水泥主要礦物。四）Na2O-SiO2系統(tǒng)圖上標號相平衡關(guān)系平衡性質(zhì)化學(xué)組成（％）溫度（℃）Na2OSiO2A熔體＋Na2O轉(zhuǎn)熔點58421180B熔體低共熔點56441022C熔體熔