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沈阳化工大学无机材料科学基础6-4 专业相图

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无机材料科学基础课件_ppt课件

无机材料科学基础课件_ppt课件

Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相律应用必须注意以下四点： 1.只能处理真实的热力学平衡体系。
2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度 和压力。如果研究的体系为固态物质，可以忽略
压力的影响，相律中的“2”应为“1”。 3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应 式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。 4.自由度只取 0 或 0 以上的正值。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相平衡的研究方法
相图即平衡状态图，反映的是体系所处的热力学平衡状态, 与达平衡所需的时间无关。 平衡态 一个不随时间而发生变化的状态。 相图是在实验结果的基础上制作的，所以测量方法、测试 的精度等都直接影响相图的准确性和可靠性。 研究凝聚系统相平衡，有二种基本方法：动态法和静态法。
相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。
特点： 1、相与相之间有界面。各相可以用机械方法
加以分离，越过界面时性质发生突变。 2、 一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的， 这里的“均匀”是指一种微观尺度的均匀，但一个相不 一定只含有一种物质。 3、一种物质可以有几个相。同一个相不一定连续。
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
相数(P)：一个系统中所含相的数目，叫做相数，以P表示。 按照相数的不同，系统可分为： 单相系统（P＝1） 二相系统（P＝2） 三相系统（P＝3）等等。 含有两个相以上的系统，统称为多相系统。
1、气体 不论有多少种气体都只可能有一个气相。 对于系统中的气体，因其能够以分子形式按任何比例互相均 匀混合。
##
注意：指的平衡不是在高压条件
Hari Bala
HPU
孟哈日巴拉
沈阳化工大学无机材料科学基础6-3 三元系统

沈阳化工大学无机材料科学基础6-3 三元系统

1）一致熔融化合物组成点在自己的相区内； 2）连（结）线规则； 3）副三角形划分的原则； 4）三角形规则
无机材料科学基础
（三） 具有一个一致熔融三元化合物的三元系统相图
无机材料科学基础
（四） 生成一个不一致熔融二元化合物的三元系统相图
1、相图组成
无机材料科学基础
相图特点： （1）不一致熔融化合物S不在自己的相区内； （2）化合物S性质的改变，导致CS连线、无变 量点P、界线的性质改变。 （a）CS连线 （b）无变量点：P点
无机材料科学基础
具有一个不一致熔融三元化合物的三元系统相图（有双降点）： 熔体1的平衡冷却过程：
穿相区现象：
组成点在△BSC内（RSF区域内）
F
无机材料科学基础
（六）具有一个固相分解的二元化合物的三元系统相图
具有一个低温稳定、高温分解的二元化合物
无机材料科学基础
相图特点：
1）S的组成点在AB边上，而初晶区在相图内部；
小结：
1）初晶区规则： 判断最初析出晶相
最初析出晶相 原始组成点所在相区对应的晶相
2）杠杆规则：
相平衡的液相、固相、总组成点始终在一条杠杆上
3）三元低共熔点一定是析晶结束点
无机材料科学基础
（5）加热过程分析
无机材料科学基础
总结：
1）一种晶相析出时，液相在相区变化，固相组
成在投影图上的△顶点；
2）二种晶相析出时，液相在界线上变化，固相
组成在投影图上的△边上； 3）三种晶相析出时，液相在无变量点上变化， 固相组成进入△内与原始组成重合。
无机材料科学基础
（6）各相量计算
—— 杠杆规则
液相到达D点时：
L% CM 100 % CD MD S% 100 % CD
无机材料科学基础答案第六,七,九,十章习题答案

无机材料科学基础答案第六,七,九,十章习题答案

6-1 略。

6-2 什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。

一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。

其中F为自由度数，C 为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。

应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。

6-3 固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0 ，则P=3 ，硫系统只能是三相平衡系统。

图6-1 图6-26-4 如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？解：（1）六方钙长石熔点约1300℃（B点），正钙长石熔点约1180℃（C点），三斜钙长石的熔点约为1750℃（A点）。

（2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。

因为六方晶型加热到转变温度会转变成三斜晶型，而高温稳定的三斜晶型冷却到转变温度又会转变成六方晶型。

（3）正交晶型是介稳态。

6-5 图6-2是具有多晶转变的某物质的相图，其中DEF线是熔体的蒸发曲线。

KE是晶型I的升华曲线；GF是晶型II的升华曲线；JG是晶型III的升华曲线，回答下列问题：（1）在图中标明各相的相区，并写出图中各无变量点的相平衡关系；（2）系统中哪种晶型为稳定相？哪种晶型为介稳相？（3）各晶型之间的转变是可逆转变还是不可逆转变？解：（1）KEC为晶型Ⅰ的相区，EFBC 过冷液体的介稳区，AGFB晶型Ⅱ的介稳区，JGA晶型Ⅲ的介稳区，CED是液相区，KED是气相区；（2）晶型Ⅰ为稳定相，晶型Ⅱ、Ⅲ为介稳相；因为晶型Ⅱ、Ⅲ的蒸汽压高于晶型Ⅰ的，即它们的自由能较高，有自发转变为自由能较低的晶型Ⅰ的趋势；（3）晶型Ⅰ转变为晶型Ⅱ、Ⅲ是单向的，不可逆的，多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点；晶型Ⅱ、Ⅲ之间的转变是可逆的，双向的，多晶转变点温度低于Ⅱ、Ⅲ的熔点。

材料科学基础——二元系相图

材料科学基础——二元系相图


3. 间隙相与间隙化合物

由原子半径比较大的过渡族金属(M)与原子半径 比较小的非金属(X=H,B,C,N,O)组成，非金属 占间隙位置。


RX/RM=0.23, 占四面体间隙CN=4
RX/RM=0.41～0.59,占据八面体间隙CN=6

RX/RM>0.59,如硼化物与硅化物(Cr,Mn,Fe,Al的 碳化物),则会形成复杂的结构



1. 正常价化合物


结合一般是离子键，具有稳定的电子层结构。 NaCl型结构，fcc: HfC, HfN, VC, TiC, ZrC, PbS, PbSe。e2B, Be2C, Mg2Si, Mg2Si。 闪锌矿ZnS结构，立方: AlSb, CdS, β-SiC。
0
20
40
60
80
100 wt% Ni
47
Effect of Temperature & Composition (Co)
• Changing T can change # of phases: path A to B. • Changing Co can change # of phases: path B to D.
T(°C) 1600 1500 1400 L (liquid) B D
Cu-Ni system
1300 1200 1100 1000 Cu 0 20 A 40 a (FCC solid solution)
60
80
100
wt% Ni
48
合金相结构总结
置换固溶体 固溶体 间隙固溶体
合金相
中间相/ 金属间 化合物
是有限固溶体。晶体结构相同并同时满足电负
材料科学基础4 二元相图PPT课件

材料科学基础4 二元相图PPT课件

由于结晶成树枝状晶---枝晶偏析。 液、固相线距离越大，则偏析越 严重。 冷速越快，偏析越严重。
第四章：二元相图
4．2．1匀晶相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （1）晶内偏析： ②枝晶偏析对性能影响
力学性能降低,尤其是塑性、韧性↓↓ 耐蚀性 ↓ 压力加工性↓ ③消除枝晶偏析方法。
高温扩散退火（均匀化退火）：
将铸件加热至固相线下100--200℃长期保温， 使溶质、溶剂原子相互扩散。
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （2）区域偏析
实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象→宏 观偏析。 以K 0 <1为例 (图示) 先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量 高（心部）。
Ko ＜1
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （3）区域提纯
第四章：二元相图 复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化物）
纯金属结晶→单相。
相图： 以温度为纵坐标,成分为横坐标,反映不同成分
的合金在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图→状态图，平衡状态图 。
第四章：二元相图 平衡：
合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条 件下完成的。 相图用途：
①帮助认识相的变化规律 ②计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 ③ 帮助制定热加工工艺：
第四章：二元相图 4．1．3相律及杠杆定律 2.杠杆定律： 问题提出：
①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的 相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C 两相各占多少？
②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是 多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含 碳量？
液相平衡成分为L2点，α相平衡成分为α2 点。
工程材料基础6.相图.ppt

工程材料基础6.相图.ppt

一个独立变量； P=1，f=2，温度和相成分均可独立改变。
6.2.2 杠杆定理
杠杆定理是分析相图的重要工 具，可用来确定两相平衡时的两平 衡相成分和相对量,也可确定最后形 成的组织中两相的相对量以及组织 的相对量。
杠杆定律的证明和力学比喻
两相质量分数可计算为：
Q
ab 100% ac
QL
bc ac
6 相图
6.1 相图基本概念 6.2 相律和杠杆定律 6.3 二元匀晶相图 6.4 二元共晶相图 6.5 二元包晶相图 6.6 具有中间相或化合物的相图 6.7 相图基本类型小结 6.8 相图与性能的关系 6.9 铁碳合金相图
6.1 相图基本概念
6.1.1 相图 材料性能决定于其内部的组织，而组织又由
6.1.3 相图的建立方法
常用的方法有热分析法、金相法、膨胀法、 硬度法及射线结构分析法等。下面以铜镍合金系 为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。
(1) 配制系列成分的铜镍合金。 (2) 测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却
曲线上的临界点(转折点或平台)的温度。 (3) 画出温度-成分坐标系，在各合金成分垂
线上标出临界点温度。
将具有相同意义的点连接成线，标明各区域 内所存在的相，即得到Cu-Ni合金相图，见图6-2。
建立相图的示意图
图6-2 建立Cu-Ni相图的示意图
6．2 相律和杠杆定律
6.2.1 相律
相律是表示材料在平衡条件下，系统的
自由度数f与组元数c和平衡相数p三者之间
关系的定律。它们之间的关系为：
运用杠杆定律，两相的质量 分数为：
ω (a)
x1g fg
100%
ω( )
fx1 100%a[或w ( ) 1 w ( )]
沈阳化工大学无机材料科学基础5-1 固体表面与界面1

沈阳化工大学无机材料科学基础5-1 固体表面与界面1

一、固体表面的特征 二、 固体的表面结构 三、固体的表面能
无机材料科学基础
一、固体表面的特征
固体表面的特点 固体表面力场
无机材料科学基础
1. 固体表面的特点 （1）固体表面 理想表面 清洁表面：台阶表面、驰豫表面、重构表面 吸附表面 表面偏析
无机材料科学基础
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
2. 固体表面力场
➢定义： 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在
晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面， 质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上 的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力， 称 之为固体表面力。
➢固体中表面力分为哪几类？
无机材料科学基础
▲▲
➢表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里、Cl-向外移动，并形成双电层
无机材料科学基础
➢ 离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而 表面能愈低。
➢ 如：PbI2 表面能最小（130尔格／厘米2）； PbF2 次之（900尔格／厘米2）； CaF2 最大（2500尔格／厘米2）
无机材料科学基础
2、粉体表面结构
在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持 最小表面能，玻璃表面各成分将按其对表面自 由能的贡献能力自发地转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发 组分自表面挥发损失。
玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产 生影响。
无机材料科学基础
4、固体表面的几何结构
实验观测表明，固体实际表面是不规则 而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不 平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表 面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙 度和微裂纹。
沈阳化工大学无机材料科学基础--2-3

沈阳化工大学无机材料科学基础--2-3


d nM / N0 a
3 0
例： MgO具有NaCl结构。根据O2－半径为0.140nm 和Mg2＋半径为0.072nm，计算球状离子所占据的体 积分数和MgO的密度。
无机材料科学基础

方解石晶体结构
CaCO3
变形的NaCl结构形式
Ca2＋的配位数为6
无机材料科学基础
2、CsCl型结构
CsCl型：CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl……
在理想对称的ABO3型结构中，三种离子半径有如下关系：
rA rO 2 rB rO
无机材料科学基础
实际钙钛矿（CaTiO3）晶体结构

实际晶体的测定发现：
rA rO t 2 rB rO
t为容差因子，其值为0.7～1. 0范围时，钙钛矿型结
构都稳定。
CaTiO3（钙钛矿）型：PbTiO3、BaTiO3……
3
（3）配位数与配位多面体：
r 0.174nm 0.96 0.732 CN 8, 立方体配位 r 0.181 nm
无机材料科学基础
3、β-ZnS（闪锌矿）型结构
无机材料科学基础
闪锌矿晶体结构分析
闪锌矿型：β-SiC， Be、Cd、Hg等的硫化物、硒化物 和碲化物，CuCl 等
O2－和Ca2＋共同构成面心立方堆积; Ti4+离子填充氧八面体空隙 晶胞分子数：Z=1； 晶胞中：4个八面体空隙 8个四面体空隙； Ti4+离子填充1/4八面体空隙
——立方晶系
（2）质点坐标：
Ca : 000
2
O 2 :
11 1 1 11 0, 0 ,0 22 2 2 22
1 1 1 Ti : , , 2 2 2
沈阳化工大学无机材料科学基础--2-1

沈阳化工大学无机材料科学基础--2-1


无机材料科学基础
无机材料科学基础
（3）晶向族 在晶体中原子密度相同的晶向属于 一个晶向族，记为 <uvw>。

练习：
在立方晶系中画出<111>晶向族的各晶向。
无机材料科学基础
4、六方晶系的晶面指数和晶向指数 （1）密氏指数
三轴定向时，六方晶系晶胞 6个柱面的晶面指数（密氏指 数） ： （100）（010）（110） （100）（010）（110）
Y（b）轴
= 120°
X（a）轴
不同晶系的晶体，坐标轴的选择方法 不同，六方、三方晶系常采用四轴定向。
无机材料科学基础
2、晶面指数
（1）晶面 晶体中空间点阵可以从各个方向被划分成许 多组平行且等距离的平面点阵，这些点阵所处的 平面称为晶面。
（2）晶面指数
结晶学中常用符号（hkl）来表示晶体中一 组平行晶面，称为晶面指数（或密氏指数）。
无机材料科学基础
（2）密布氏指数
1）晶面指数： 四轴定向，晶面指数用密布氏指数
（hkil）表示，且 i=-（h+k）
六方晶系晶胞6个柱面的晶面指数： （1010）（0110）（1100） （1010）（0110）（1100）
无机材料科学基础
2）晶向指数：
在六方晶系中，如三轴定向的密氏
指数为[UVW]，其四轴定向的密布氏指 数[uvtw]为：
排列的固体，或者说晶体是具有格子构造的
固体。
无机材料科学基础
图1.1 食盐（NaCl）的晶体结构
其中：大球代表 Cl- ，小球代表 Na+
无机材料科学基础
2、晶体的基本性质
＊自限性：自发形成封闭的几何外形 ＊结晶均一性：宏观性质相同 ＊各向异性：物理性质的方向性 ＊对称性：内部质点规则排列的无限重复 ＊最小内能性：晶体是最稳定的
6-4四元相图

6-4四元相图


31
2 结晶路程
(1)铝氧率P>1.38的 配料的结晶路程
32
界线
2 结晶路程
34
�
1 .生成一个四元低 共熔点的四元相图
四条界线 一个四 元低共 熔点.
四个初晶空间, 温度表示 用 等温面.
8
2. 析晶路线
9
简单四元相图
3. 界面,界线,无变量点性质的判别
1)析晶路线 用切线规则: M点的析晶路线为 AD与DM所组成的平 面与界面的交线,界面 的性质用切线规则判 断.
11
2)界线性质的判别 方法:用切线规则 和重心规则
课件10 四元相图
6-5 四元相图的基本知识
四元系统:c 相律
=4
f = c p +1 = 5 p
温度,浓度 不可能出现6相 或更多相平衡 2
pmin = 1, f max = 4 f min = 0, pmax = 5
一. 四元相图的组成表示方法
通常用 浓度四 面体表 示.
点作ADC 过P点作 点作 的平行面, 的平行面,交AB 边于b则 表示 表示B 边于 则Ab表示 的含量. 的含量.过P点作 点作 ABD的平行面, 的平行面, 的平行面 边于c, 交AC边于 ,则 边于 Ac表示 的含量. 表示C的含量 表示 的含量.
C
b
4
D
1,平行于四 面体某一表面 的平面上的各 点,其第四组 分(D)的含量 相等.
5
2,通过四面体某 条棱边的平面上的 各点,其它二组分 的含量之比相等, 且等于E点中B,C 的含量之比.
6
3,通过四面 体某个顶点的 直线上的各点, 其它三个组分 含量之比相等. .
7
二. 简单四元系统六个界面,
材料科学基础第四章相平衡与相图(3)

材料科学基础第四章相平衡与相图(3)


acb - 液相线；adpb -固相线
线
df–α固溶体的溶解度曲线 pg-β固溶体的溶解度曲线 dpc水平线 - 包晶转变线，
p点 － 包晶成分点,
点
•其对应的温度tp－ 包晶转 •变温度 。
相区
•三个单相区 ： • L、α和β相区； •三个双相区： • L+α、L+β、α+β相区； •三相共存于dpc线 : • L+α+β
当系统为f点所对应的成分时，冷至合 晶温度tf，将发生合晶转变 。 •反应式 ：L1c＋L2d →γf •合晶转变：由两个成分一定的液相恒 •温下形成一个均匀固相的转变。 成分在c－d之间的合金，在tf温度时都 将发生合晶反应，反应后，液相仍有剩 余，随温度降低发生其它转变。
6.其他二元相图 •⑴ 熔晶相图 •熔晶转变：由一个已结晶的 •固相在恒温下转变为一个液 •相和另一个固相。即发生固 •相的再熔现象。 •如图5－30Fe－B二元相图 •熔晶转变线：水平线1381℃ •反应式：δ → γ ＋ L
•在实际冷却条件下，包晶反应常不 •能进行到底，终了得到成分不均匀 •得非平衡组织，包晶转变产生的不 •平衡组织，可以通过长时间扩散退 •火来减少或消除。
2点以下：继续冷却，由于Pt在β相中的溶解度随温度降低沿pg线逐 渐减少，所以 β → αⅡ。 合金在室温下的组织: β + αⅡ 组成相: 由杠杆定律求得： αⅡ＝3g／fg β＝1－αⅡ α + β
结晶过程： L→L+α→L+α+β→β→αⅡ+β 匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变
② 合金Ⅱ（10.5－42.4％ Pt－Ag） 冷至1点时： L →初晶α
•1－2点之间： 随温度的降低，α相不断增加，液相L不 •断减少，液相L和α相的成分分别沿ac和ad线变化。

《无机材料科学基础》第6章相图热力学基本原理及相平衡.


P
R
S
T
U
β－方石英
β－鳞石英
γ－鳞石英
M
L
β－石英
N α -石 英
石英玻璃 V
熔体
N' D'
C
O
α－方石英 D
α－鳞石英
120 163 230
573
870
1200-1350 1470 1600 1670 1713 °C T
3、 －鳞石英缓慢加热，在1470℃时转变为－方石英，继续加热到 1713℃熔融。当缓慢冷却时，在1470℃时可逆地转变为－鳞石英；当迅速 冷却时，沿虚 线过冷，在180～270℃转变为介稳状态的－方石英；当加热 －方石英仍在180～270℃迅速转变为稳定状态的－方石英。
N α -石 英
石英玻璃 V
熔体
N' D'
C
O
α－方石英 D
α－鳞石英
120 163 230
573
870
1200-1350 1470 1600 1670 1713 °C T
2、 －鳞石英在加热较快时，过热到1670℃时熔融。当缓慢冷却时，在870℃仍
可逆地转变为－石英；当迅速冷却时，沿虚线过冷，在163℃转变为介稳态的 －鳞石英，在117℃转变为介稳态的－鳞石英。加热时－鳞石英仍在原转变温 度以同样的速度先后转变为－鳞石英和－鳞石英。
相图的应用：
以耐火材料硅砖的生产和使用为例。 原料：天然石英( -石英) 生产方式：高温煅烧 晶型转变：很复杂(原因：介稳状态的出现) 要求：鳞石英含量越多越好，而方石英越少越好。 实际情况：
加热至573℃很快转变为α- 石英，当加热 至870℃不转变为鳞石英，在生产条件下， 常过热到1200℃～1350℃直接转变为介稳 的α- 方石英。

第一课无机材料科学基础 第6章 相平衡


E
-CS + C3S2 液相
F
C3S2 -C2S +液相
G
-C2S 液相
H
-C2S + C3S 液相
M
C3S CaO +液相
N
‘-C2S + CaO C3S
O
-CS -CS
R
‘-C2S -C2S
低共熔 转熔 熔融 低共熔 转熔 固相反应 多晶转变 多晶转变
2个固溶体 7条线 6个相区 3个无变量点
Construction Materials
析晶路程表示法
液相点
M’ L f=2
L
L1

SB(
A)
f=1
E LE S A(B) SB( A) , f 0
固相点
S D H SB( A) 1
SB( A) SA(B)
例如 CaCO3加热分解： CaCO3 CaO CO2
独立组分数=3-1=2
Construction Materials
相是体系中具有相同物理与化学性质的 均匀部分的总和，相与相之间有界面， 各相可以用机械方法加以分离，越过界 面时性质发生突变。
相/Phase
特征：
空气、盐水等
1. 一个相中可以包含几种物质，即几种物质可以形成一个相；
ZrO2的差热曲线
Construction Materials
6.3 二元相图的基本类型
二元系统：c=2
相律 f c p 1 3 p
pmin 1, fmax 2 fmin 0, pmax 3
温度、浓度
不可能出现4相 或更多Co相nstr平uctio衡n

6-4 物理化学相图


根据溶解度分类 部分互溶
帽形区外： 固溶体单相 液态时完全互溶， 固态时部分互溶 类似于 部分互溶的 双液系相图 帽形区内： 两种固溶体两相共存
全部互溶 液态、固态时 均完全互溶
类似于
气-液二组分相图
固相部分互溶的共晶型二组分相图
固-固共晶型二组分相图 b + 液-液部分互溶型二组分 相图
xB
精馏
被提纯物质
可移动的加热环
杂质
例题：A-B二组分相图如下，请分析： （1）C1、C2是什么类型的化合物？ （2）写出水平线上的三相反应； （3）绘制表格，并将各相区的平衡相及自由度填在表格内。
2
1 10 11
4
E1
3 5
a
P
9
E3
C1 A
6
7
C2
E2 8 B
相图分类
单组分相图 气-液平衡相图
简单共晶型的三组分液-固相图
金属Sn、Bi和Pb彼此可 形成三个二元低共熔相图 将平面图向中间折拢， 使代表组成的三个底边Sn-Bi， Bi-Pb和Pb-Sn组成正三角形， 就得到了三维的正三棱柱形 的三组分低共熔相图，纵坐 标为温度。
l3
l1
l4
l2
它们的低共熔点分别为l1,l3 和 l2
简单共晶型的三组分液-固相图
a
l+α
l l+β e α+β d
β
三个单相区、三个两相区
T/℃
α
c
三条线 acg线：α相的溶解度曲线 bdf线：β相的溶解度曲线 ced线：三相线
g Ag
f
一个共晶点
wCu/%
Cu
Ф=3，f=0：组成和T确定
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无机材料科学基础
第五节 专业相图
单元系统专业相图
SiO2系统相图 ZrO2系统相图 C2S系统相图 CaO－SiO2系统相图 Al2O3－SiO2系统 MgO－SiO2系统 Na2O－SiO2系统
二元系统专业相图
三元系统专业相图
CaO－Al2O3－SiO2系统 K2O－Al2O3－SiO2系统 MgO－Al2O3－SiO2系统 Na2O－CaO－SiO2系统
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（3） 由组成估计其液相量 如在1600℃、Al2O3＝5.5～72％范围内，用杠杆规 则确定的组成于液相量的对于关系如下：
Al2O3％ 液相％
10 96
20 80
30 64
46 40
72 0（痕量）
（4） 由液相线的倾斜度判断液相量随温度变化情况
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（二） CaO－SiO2系统相图
（四） Na2O－SiO2系统
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（1） Na2O－SiO2系统中生成的化合物有：
N2S、NS、NS2、N3S8 （2）生成化合物的性质： 一致熔融化合物：NS、NS2 不一致熔融化合物：N2S、N3S8
（3）划分分二元系统：
Na2O－NS分二元系统 NS－NS2分二元系统 NS2－SiO2分二元系统 （4）分别讨论各分二元系统：
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2、 CS －C2S分二元系统
有一个不一致熔融化合物 C3S2 低共熔点E：1460℃ 转熔点F： 1464℃
LF C2 S C3S2
晶型转变：1125℃
CS CS
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3、 C2S － CaO分二元系统
低共熔点H：2050℃ LH C3S C2 S
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多晶转变体积效应： 物质在发生多晶转变时，由于其内部结构发生
了变化，所以必然伴随着体积的变化，即多晶 转变
时存在体积效应。
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2、SiO2相平衡
图 6-17
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在硅酸盐制品中，SiO2常以介稳态晶相出现 β－方石英、β磷石英和 γ－磷石英虽然都是 低温下的热力学不稳定态，但由于它们转变为热 力学稳定态的速度极慢，实际上可以长期保持自 己的形态。
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1、 SiO2 －CS 分二元系统
低共熔点： C 点、TC＝1436℃，组成为37％CaO 液相分层：富SiO2液相区 多晶转变：
石英 磷石英 CS CS 磷石英 方石英
为什么在硅砖生产中可以采取 CaO作矿化剂，而不严重影响其 耐火度？
滑石 —— 偏滑石
粘土 —— 偏高岭土
1）滑石瓷：主晶相 MS 2）堇青石瓷：M2A2S5 3）低损耗滑石瓷 4）镁橄榄石瓷：M2S
（2）微晶玻璃
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本章重点：
三元系统相图的分析：
连线规则、切线规则、三角形的性质（重心原理）、 初晶区规则、三角形规则、杠杆规则、副三角形划分原则
专业相图分析及应用：
液相线、相区、无变点性质
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三、三元系统专业相图
（一） CaO－Al2O3－SiO2系统
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CaO－Al2O3－SiO2系统相图
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1、相图介绍
1）判断化合物的性质：共有十个二元化合物、二个三元化合物
一致熔融二元化合物： CS、 C2S、C12A7、A3S2
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（2）对压电材料制备的指导作用
图 6-17
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（二） ZrO2系统相图 相图分析：
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相图应用:
（1）ZrO2制品在烧成过程中开裂
生产上：加入稳定剂，6～8％CaO和15％Y2O3。 （2）增韧陶瓷
PSZ（部分稳定二氧化锆材料）
利用四-ZrO2方向单斜-ZrO2转变时体积膨胀
不一致熔融化合物： MS
（3）划分分二元系统： MgO－M2S 分二元系统； M2S － SiO2 分二元系统。 （4）分别讨论各分二元系统：
液相线、相区、无变点性质
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2、MgO－SiO2系统相图应用
（1）MS晶型转变
原顽火辉石 加热： 顽火辉石
1260℃
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2、高钙区CaO－C2S－C12A7
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3、 CaO－Al2O3－SiO2系统相图应用
（1）硅酸盐水泥配料范围的选择
水泥的配料组成（化学组成wt％）： 原料 成份 石灰石 CaO 粘土 Al2O3 SiO2 Fe粉 Fe2O3
wt％
60～67
5～7
20～24
4～6
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二、二元元系统专业相图
复杂相图研究方法： （1）系统中生成化合物的个数； （2）生成化合物的性质：一致熔融、不一致熔融； （3）根据一致熔融化合物，将系统划分为若干简单 的分二元系统； （4）分别讨论各分二元系统：液相线、相区、无变 点性质
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（一） Al2O3－SiO2系统
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（四）MgO－Al2O3－SiO2系统
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1、相图介绍
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本系统中，各组分氧化物及多数二元化合物熔点都
很高，但三元无变点T降低，∴不同二元系列的耐火材 料不应混合使用，否则，会降低液相出现温度及耐火度
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2、相图应用
（1） 镁质陶瓷 原料：
定性和强度不能满足使用要求。
（2）分析玻璃生产中产生失透现象的原因
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（三） K2O－Al2O3－SiO2系统
1、相图介绍
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2、相图应用 ——长石质陶瓷
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配料三角形与产物三角形
配料组成：粘土、长石、石英 矿物组成：莫来石、石英、长石
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（1） CaO－SiO2系统中生成的化合物有： CS、C3S2、C2S、C3S （2）生成化合物的性质： 一致熔融化合物： CS、 C2S 不一致熔融化合物： C3S2、C3S （3）划分分二元系统： SiO2 －CS分二元系统；
CS－C2S分二元系统；
C2S － CaO分二元系统。 （4）分别讨论各分二元系统：
SiO2系统相图、CaO- SiO2系统相图、Al2O3- SiO2系统
相图、MgO- SiO2系统相图、CaO-Al2O3- SiO2系统相图、
Na2O-CaO- SiO2系统相图、K2O- Al2O3- SiO2系统相图
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一、单元系统专业相图及应用
（一） SiO2系统相图
1、 SiO2的多晶转变
石英 磷石英 方石英 熔体
870 C 1470 C 1723 C
573℃
160℃
268℃
－石英
－磷石英
117℃
－方石英
磷石英
一级变体间的转变：重建型转变 二级变体间的转变：位移型转变
30～48
48～90 70～72 > 90
莫来石、方石英、磷石英
莫来石、少量硅氧晶体及玻璃相 莫来石、玻璃相 刚玉、玻璃相
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（2） Al2O3含量对硅质耐火材料性能的影响
随Al2O3含量的增加，引起材料耐火性能的变化
如：硅砖 在硅砖生产和使用过程 中，要严防Al2O3的混入，
否则，硅砖耐火度会下降。
生成一个一致熔融型化合物A3S2（莫来石）
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Al2O3－SiO2系统相图应用： —— 硅铝质耐火材料 （1）硅铝质耐火材料分类及相应矿物组成
材料 Al2O3wt％ 主要矿物相
硅质
半硅质
<1
15～30
磷石英、方石英、玻璃相
方石英、磷石英、少量莫来石及玻璃相
粘土质
高铝质 莫来石质 刚玉质
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（2）烧成
非平衡加热过程
（3）冷却 不同的冷却制度，水泥熟料的相组成和含量不同
平衡冷却：
急冷： 介于两者之间：——独立析晶
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（二） Na2O－CaO－SiO2系统
1、相图介绍
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2、相图应用 —— 钠钙硅酸盐玻璃
（1）确定玻璃的配料组成范围 a）考虑析晶性能 —— 选择析晶能力小的熔体 析晶能力：低共熔点处 < 界线上 < 初晶区内 b）综合考虑玻璃的其它工艺性能和使用性能 低共熔点6处组成的玻璃析晶能力最小， 但其中的Na2O含量高（22％），其化学稳
配料三角形：△QWD
产物三角形： △ QWm
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应用：
1）产品中的莫来石量取决于配料中的粘土量（等含量规则）；
2）烧成温度范围宽—— 日用瓷的实际烧成温度在1250～1450℃；
3）估计烧成时的液相量的多少和烧成后获得的制品中的相组成。
配料1－5 ：莫来石、石英、玻璃相 配料6 ：莫来石、玻璃相 配料7－8 ：莫来石、长石、玻璃相
晶型转变：
C2S 的 α、α`、β、γ晶型转变
不一致熔融化合物C3S ：
1250℃ C3S C2 S CaO
2150℃ C3S LM CaO
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CaO－SiO2系统中的无变量点
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（三） MgO－SiO2系统