材料科学基础——扩散定律及其应用学习教案

会计学1材料科学基础材料科学基础扩散扩散(kusn)定律及定律及其应用其应用第一页，共155页。2022-6-8第七章-2dxdcDJ0tCMaterial第1页/共154页第二页，共155页。2022-6-8第七章-3xCDxtC22xCDtC0tCMaterial第2页/共154页第三页，共155页。2022-6-8第七章-4Material第3页/共154页第四页，共155页。2022-6-8第七章-5 单击观察(gunch)动画演示！)exp(sin)(220max0DtllxCCCC第4页/共154页第五页，共155页。2022-6-8第七章-6 单击观察(gunch)动画演示！第5页/共154页第六页，共155页。2022-6-8第七章-7概念与演示 在置换固溶体中，由于(yuy)两种原子以不同速度相对扩散而造成标记面漂移的现象。 柯肯达尔效应式一种普遍现象。Material 单击观察(gunch)动画演示！第6页/共154页第七页，共155页。2022-6-8第七章-8LessonObjectives第7页/共154页第八页，共155页。2022-6-8第七章-9间隙扩散机制(jzh)示意图第8页/共154页第九页，共155页。2022-6-8第七章-10空位(kn wi)扩散机制示意图第9页/共154页第十页，共155页。2022-6-8第七章-113. 填隙扩散机制 离子材料中常出现填隙扩散。 间隙原子和正常(zhngchng)位的原子之间易位 共线跳动、非共线跳动。第10页/共154页第十一页，共155页。2022-6-8第七章-12MaterialMaterial第11页/共154页第十二页，共155页。2022-6-8第七章-132dPD第12页/共154页第十三页，共155页。2022-6-8第七章-14)/exp(0RTQDD第13页/共154页第十四页，共155页。2022-6-8第七章-15LessonObjectives第14页/共154页第十五页，共155页。2022-6-8第七章-16x)(xCxFMaterialMaterial第15页/共154页第十六页，共155页。2022-6-8第七章-17MaterialMaterialMaterial第16页/共154页第十七页，共155页。2022-6-8第七章-18固相反应固相反应(fnyng)第17页/共154页第十八页，共155页。2022-6-8第七章-19LessonObjectives第18页/共154页第十九页，共155页。2022-6-8第七章-20第19页/共154页第二十页，共155页。2022-6-8第七章-21第20页/共154页第二十一页，共155页。2022-6-8第七章-22第21页/共154页第二十二页，共155页。2022-6-8第七章-23第22页/共154页第二十三页，共155页。2022-6-8第七章-24Material第23页/共154页第二十四页，共155页。2022-6-8第七章-25第24页/共154页第二十五页，共155页。2022-6-8第七章-26相平衡和相图相平衡和相图(xin t)第25页/共154页第二十六页，共155页。2022-6-827 第一节第一节 相平衡特点相平衡特点 一、热力学平衡态和非平衡态一、热力学平衡态和非平衡态 1. 平衡态平衡态 相图即平衡相图，反应相图即平衡相图，反应(fnyng)的是体系的是体系所处的热力学平衡状态，所处的热力学平衡状态， 即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态 (其中所包含的相数，各相的状态、数量和组其中所包含的相数，各相的状态、数量和组成成)， 与达平衡所需的时间无关。与达平衡所需的时间无关。第26页/共154页第二十七页，共155页。2022-6-828 2. 介稳态介稳态 即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统(xtng)中。中。 如：如：说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有 所需要的性质，因而创造条件所需要的性质，因而创造条件(快速冷却或掺加杂质快速冷却或掺加杂质(zzh) 有意把它保存下来。有意把它保存下来。 如：水泥中的如：水泥中的 C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆，陶瓷中介稳的四方氧化锆 ; 耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。 石英石英 鳞石英鳞石英 石英石英 鳞石英鳞石英 方石英方石英 鳞石英鳞石英 5731631178701470180270但由于转变速度慢，实际可长期存在。但由于转变速度慢，实际可长期存在。第27页/共154页第二十八页，共155页。2022-6-829根据吉布斯相律根据吉布斯相律 f = cp2 f 自由度数自由度数 c 独立组分数独立组分数(fnsh) p 相数相数 2 温度和压力外界因素温度和压力外界因素 第28页/共154页第二十九页，共155页。2022-6-830(i) 相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。(ii) 一个相可以是均匀的，但不一定是一种物质。一个相可以是均匀的，但不一定是一种物质。 气体：一般是一个相，如空气组分复杂。气体：一般是一个相，如空气组分复杂。 固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。 因为在因为在 固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀，固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀， 其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个 组分形成的固溶体是组分形成的固溶体是 一个相。一个相。 液体：视其混溶程度而定。液体：视其混溶程度而定。 p 相数，相数， p = 1 单相单相(dn xin)系统，系统，p = 2 双相系统，双相系统，p = 3 三相系统三相系统1、相：指系统中具有相同的物理性质、相：指系统中具有相同的物理性质 和化学性质的均匀部分。和化学性质的均匀部分。 注：均匀微观尺度上的均匀，而非一般注：均匀微观尺度上的均匀，而非一般(ybn)意义上的均匀。意义上的均匀。第29页/共154页第三十页，共155页。2022-6-8312、组分、独立组分、组分、独立组分 (组元组元)组分：组成系统的物质。组分：组成系统的物质。 独立组分：足以表示形成平衡独立组分：足以表示形成平衡(pnghng)系统中各相所需要的最少数目的系统中各相所需要的最少数目的 组分组分: c = 组分数独立化学反应数目限制条件组分数独立化学反应数目限制条件 例如：例如： 23COCaOCaCO c = 310 = 2系统中化学物质和组分的关系：系统中化学物质和组分的关系： 当物质之间没有化学反应时，化学物质数目组分数当物质之间没有化学反应时，化学物质数目组分数(fnsh)； 当物质之间发生化学反应时，当物质之间发生化学反应时， 组分数组分数(fnsh) = 化学物质数化学物质数 - 在稳定条件下的化在稳定条件下的化 学反应数。学反应数。第30页/共154页第三十一页，共155页。2022-6-832 在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为(zuwi)系系统的组分。统的组分。 如：如：SiO2一元系统一元系统 Al2O3SiO2二元系统二元系统 CaOAl2O3SiO2三元系统三元系统注意区分：注意区分：2CaO.SiO2(C2S) ; CaOSiO2; K2O.Al2O3.4SiO2 SiO2第31页/共154页第三十二页，共155页。2022-6-8333、自由度、自由度 (f) 定义定义: 温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中， 可以在一定可以在一定(ydng)范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的 独立变量的数目独立变量的数目 具体看一个二元系统的自由度。具体看一个二元系统的自由度。ABL f=2LB f=1AB f=1LA f=1f =0 E 第32页/共154页第三十三页，共155页。2022-6-834相律应用必须注意以下四点：相律应用必须注意以下四点： 1. 相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实 的热力学平衡体系。的热力学平衡体系。 2. 相律表达式中的相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。是代表外界条件温度和压强。 如果如果(rgu)电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的 “2”应为应为“3”、“4”、“5”。如果。如果(rgu)研究的体系为固态物质，可以研究的体系为固态物质，可以 忽略压强的影响，相律中的忽略压强的影响，相律中的“2”应为应为“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。制条件数，才能正确应用相律。 4. 自由度只取自由度只取“0”以上的正值。如果以上的正值。如果(rgu)出现负值，则说明体系可出现负值，则说明体系可 能处于非平衡态。能处于非平衡态。第33页/共154页第三十四页，共155页。2022-6-835热分析法热分析法差差 热热 分析法分析法(DTA)溶溶 解解 度度 法法 静态静态(jngti)法法(淬冷法淬冷法) 动态动态(dngti)法法第34页/共154页第三十五页，共155页。2022-6-8361、热分析法、热分析法 原理：根据系统在冷却过程中温度随时间的变化情况来判断原理：根据系统在冷却过程中温度随时间的变化情况来判断 系统中是否发生了相变化。系统中是否发生了相变化。 做法：做法： (1) 将样品加热成液态；将样品加热成液态； (2) 令其缓慢而均匀地冷却，记录令其缓慢而均匀地冷却，记录(jl)冷却过程中系统在不同时冷却过程中系统在不同时 刻的温度数据；刻的温度数据； (3) 以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温度时间曲线，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温度时间曲线， 即步冷曲线即步冷曲线(冷却曲线冷却曲线)； (4) 由若干条组成不同的系统的冷却曲线就可以绘制出相图。由若干条组成不同的系统的冷却曲线就可以绘制出相图。第35页/共154页第三十六页，共155页。2022-6-837以以BiCd为例：为例： Cd质量质量(zhling)百分数：百分数：a ,0；b,20；c,40；d,75；e,100 a b c d e 冷却曲线冷却曲线 BiCd系统的相图系统的相图 Bi(s)+Cd(s)L+Bi(s) L+Cd(s) L第36页/共154页第三十七页，共155页。2022-6-838mv2mv1自动自动记录记录惰性基准物惰性基准物试样试样加热器隔热板铂丝铂丝铂铑丝mv1-试样温度变化mv2-电势差2、 差热分析法差热分析法(DTA)第37页/共154页第三十八页，共155页。2022-6-8393、 溶解度法溶解度法 适用于水盐系统适用于水盐系统(xtng)的相图。的相图。 4、淬冷法、淬冷法 最大优点：准确度高。因为长时间保温较接近平衡状态，淬冷后在室温下又可对试样中平衡共存的相数、各相的组成最大优点：准确度高。因为长时间保温较接近平衡状态，淬冷后在室温下又可对试样中平衡共存的相数、各相的组成(z chn)、形态和数量直接进行测定。、形态和数量直接进行测定。 适用对象：适用于相变速度慢的系统，如果快则在淬冷时发生相变。适用对象：适用于相变速度慢的系统，如果快则在淬冷时发生相变。第38页/共154页第三十九页，共155页。2022-6-840 单元系统中，只有一种组分，不存在浓度问题。 影响因素只有温度和压力。 因为(yn wi) c = 1, 根据相律 f = cp + 2 = 3 p 一、水的相图一、水的相图(xin t)二、一元相图二、一元相图(xin t)的型式的型式三、可逆和不可逆的多晶转变三、可逆和不可逆的多晶转变四、四、SiO2系统的相图系统的相图五、五、ZrO2 系统系统第39页/共154页第四十页，共155页。2022-6-841蒸发蒸发(zhngf)溶解溶解(rngji)升华升华(shnghu)ABCOCSLg临界点临界点压压强强温度温度一、水的相图一、水的相图是是一个大气压一个大气压下被空气饱和的水和冰的平衡共存温度；下被空气饱和的水和冰的平衡共存温度； 是在它是在它自己的蒸汽压力自己的蒸汽压力(4.579mmHg)下的凝固点下的凝固点(0.0099)。2000个大气压以上，可得几重冰，比重大于水。个大气压以上，可得几重冰，比重大于水。T374P217.7大气压大气压第40页/共154页第四十一页，共155页。2022-6-842ABCOCSLg蒸发蒸发溶解溶解升华升华临界点临界点P温度温度解释解释(jish)界线的斜率：界线的斜率： 由克劳修斯克拉珀龙方程由克劳修斯克拉珀龙方程dp/dT=H/TV , 从低温型向高温转变，从低温型向高温转变， H0 L g ；S g V0, 则斜率则斜率0 ； 而而S L 冰变成水冰变成水V0 , 斜率斜率0 ,则斜率则斜率0 。 如对于有晶型转变的，由于如对于有晶型转变的，由于V很小，因而其界线几乎是垂直的。很小，因而其界线几乎是垂直的。 第41页/共154页第四十二页，共155页。2022-6-843 有多晶转变的一元有多晶转变的一元(y yun)系统相图型式。系统相图型式。EF压强压强A f = 2B f =0C f=0D温温 度度气相气相f =2-固相固相f=2-固相固相f=2液相液相二、一元相图二、一元相图(xin t)的型式的型式 一元系统相图中各平衡相一元系统相图中各平衡相名称名称 平衡相平衡相 ABCD 气相气相 ABE -固相固相相区相区 EBCF -固相固相 FCD 液相液相 AB 气相气相- -固相固相相线相线 BC 气相气相- -固相固相 CD 气相液相气相液相 BE -固相固相 -固相固相 FC -固相液相固相液相相点相点 B -固相固相 -固相气相固相气相 C -固相气相液相固相气相液相第42页/共154页第四十三页，共155页。2022-6-8441. 可逆可逆三、可逆和不可逆的多晶转变三、可逆和不可逆的多晶转变(zhunbin)实线表示稳定态，虚线表示介稳态。实线表示稳定态，虚线表示介稳态。晶体晶体1 晶体晶体2 液相液相特点特点：(1)晶体晶体I，晶体，晶体2都有稳定区；都有稳定区； (2) T1215001500形成立方晶型固溶体，称稳定化立方形成立方晶型固溶体，称稳定化立方ZrO2 ZrO2 2 2、熔点、熔点(rngdin)(rngdin)高高(2680)(2680)，作耐火材料，作耐火材料3 3、利用导氧导电性能，作氧敏传感器元件、利用导氧导电性能，作氧敏传感器元件4 4、利用体积效应，对陶瓷材料进行相变增韧。、利用体积效应，对陶瓷材料进行相变增韧。第57页/共154页第五十八页，共155页。2022-6-859 二元凝聚系统，二元凝聚系统， f = c p + 1 = 2 p 1 3 p 二元系统相图以浓度二元系统相图以浓度(nngd)为横坐标，温度为纵坐标来绘制的。为横坐标，温度为纵坐标来绘制的。 二元相图的八种类型：二元相图的八种类型： 1、具有低共熔点的二元系统；、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；、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；、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；、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；、具有多晶转变的系统； 6、具有液相分层的系统；、具有液相分层的系统； 7、形成连续固溶体的系统；、形成连续固溶体的系统； 8、形成不连续固溶体的系统。、形成不连续固溶体的系统。第58页/共154页第五十九页，共155页。2022-6-860学习学习(xux)相图的要求：相图的要求： 1、相图中点、线、面含、相图中点、线、面含义；义； 2、析晶路程；、析晶路程； 3、杠杆规则；、杠杆规则； 4、相图的作用。、相图的作用。第59页/共154页第六十页，共155页。2022-6-8611、E：低共熔点：低共熔点 L AB f=0 TAE 液相线液相线 L A f=1 TBE 液相线液相线 L B f=12、M点析晶路程点析晶路程(lchng)一、具有一、具有(jyu)低共熔点的二元系统低共熔点的二元系统相图相图A TBE ABALBLTABLBM第60页/共154页第六十一页，共155页。2022-6-862 Lp=1 f=2M(熔体熔体)L1 s1,(A)L A p=2 f=1L2s2,AL A p=2 f=1EsE，A(B)L A+B p=3 f=0E(液相消失液相消失(xiosh)ME,A+Bp=2 f=1M3,A+BA TBALBLTABLBMA+BEL2S2L1S1SEMEM3第61页/共154页第六十二页，共155页。2022-6-863A TBALBLTABLBMA+BEL2S2L1S1SEMEM3M2M1T1T2TE (1) T1： 固相量固相量 S% = 0 ; 液相量液相量 L=100%; (2) T2： S% = M2L2/S2L2 100 ；L M2S2/S2L2 100 (3) 刚到刚到TE : 晶体晶体(jngt)B未析出，固相只含未析出，固相只含A。 S% = MEE/SEE 100 ；L MESE/SEE 100 (4) 离开离开TE ：L 消失，晶体消失，晶体(jngt)A、B 完全析出。完全析出。 SA% = MEB/AB 100 ； SB% = MEA/AB 100 第62页/共154页第六十三页，共155页。2022-6-8644、相图的作用、相图的作用 (1) 知道开始析晶的温度，知道开始析晶的温度， 析晶终点，熔化终点的温度；析晶终点，熔化终点的温度； (2) 平衡时相的种类；平衡时相的种类； (3) 平衡时相的组成平衡时相的组成 预测瓷胎的显微结构预测瓷胎的显微结构 预测产品性质预测产品性质(xngzh) (4) 平衡时相的含量。平衡时相的含量。第63页/共154页第六十四页，共155页。2022-6-865A AmBn BMNLA LAAmBnB+AmBnB+LL+ AmBnL +AmBnE1E21、 E1、E2均为低共熔点；均为低共熔点；2、 冷却组成变化路线；冷却组成变化路线；3、 杠杆规则；杠杆规则；4、 相图作用：当原始配料落在相图作用：当原始配料落在AAmBn范围范围(fnwi)内，最终析晶产物为内，最终析晶产物为A和和AmBn； 当原始配料落在当原始配料落在BAmBn范围范围(fnwi)内，最终析晶产物为内，最终析晶产物为B和和AmBn；第64页/共154页第六十五页，共155页。2022-6-866讨论讨论1、E：低共熔点：低共熔点(rngdin) ，f 0，是析晶终点，是析晶终点，L AC ； P：转熔点：转熔点(rngdin)或回吸点，或回吸点， f0，不一定是析晶终点，不一定是析晶终点， LBC一种一种(y zhn)液相和一种液相和一种(y zhn)晶相，二者组成与化合物组成皆不相同。晶相，二者组成与化合物组成皆不相同。bL+AL+CA+CC+BA C BL+BTaTEEPKL第65页/共154页第六十六页，共155页。2022-6-867bL+AL+CA+CC+BA C BL+BTaEKL12 析晶路线析晶路线(lxin) Lp=1 f=2熔体熔体1K M , (B)PF, 开始开始(kish)回吸回吸B(C)PD ，晶体，晶体(jngt)B消失消失CLP C p=2 f=1EH , C+(A)E(液相消失液相消失)O , A+CL A+C p=3 f=0L B p=2 f=1LP BC p=3 f=0PFMGBCLDOH第66页/共154页第六十七页，共155页。2022-6-868(2)同理可分析组成同理可分析组成2的冷却过程。在转熔点的冷却过程。在转熔点(rngdin)P处，处，(3) LBC时，时，L先消失，固相组先消失，固相组 成点为成点为D和和F，其含量，其含量 由由D、J、F三点相对位置求出。三点相对位置求出。P点是回吸点又是析晶终点。点是回吸点又是析晶终点。BCLbL+AL+CA+CA C BL+BTaEP D J FML2B+C第67页/共154页第六十八页，共155页。2022-6-869(3)组成组成3在在P点回吸，在点回吸，在LBC时时LB同时同时(tngsh)消失，消失，(4) P点是回吸点又是析晶终点。点是回吸点又是析晶终点。bL+AL+CA+CC+BA C BL+BTaEP D L3BCL第68页/共154页第六十九页，共155页。2022-6-870P点是过渡点，因为点是过渡点，因为(yn wi)无无B相生成。相生成。bL+AL+CA+CC+BA C BL+BTaTEEPL Lp=1 f=2熔体熔体4F D , (C)EH , C+(A)E(液相消失液相消失(xiosh)L ，ACL C p=2 f=1L A+C p=3 f=04FD L H 第69页/共154页第七十页，共155页。2022-6-871 组成组成 反应性质反应性质(TP) 析晶终点析晶终点 析晶析晶终相终相 组成在组成在PD之间之间 LBC ；B先消失先消失 E AC DF之间之间 LBC ；L先消失先消失 P BC D点点 LBC ；LB同时消失同时消失 P C P点点 L(B)C E AC 总结总结(zngji)规律：规律：4bL+AL+CA+CC+BA C BL+BTaTEEPKL132D F第70页/共154页第七十一页，共155页。2022-6-872化合物在低温形成高温分解化合物在低温形成高温分解L+AL+BA+BA C BA+CC+BETaTeTd1A BA+BA+CB+CA+BEL+AL+B化合物存在于某一温度范围内化合物存在于某一温度范围内2第71页/共154页第七十二页，共155页。2022-6-873A BA+BA+CB+CL+AL+CL+B3升温形成，降温分解升温形成，降温分解C C/ D D/EHOP熔体熔体3的冷却的冷却(lngqu)过程：过程：L P +BCp=3 f=0 Lp=1 f=2熔体熔体3C C/ , (B)L Bp=2 f=1PD/, 开始开始(kish)回吸回吸B(C)P (液相消失液相消失(xiosh)D ，BC B+C p=2 f=1H , B+AO , A+BB+A p=2 f=1BCLCA+B第72页/共154页第七十三页，共155页。2022-6-874 两种类型：两种类型：A、在低共熔点下发生、在低共熔点下发生(fshng) B、在低共熔点以上发生、在低共熔点以上发生(fshng) 实例实例(shl)应用：应用： 1、CaO.Al2O3.2SiO2SiO2系统相系统相 图，石图，石 英多晶转变温度在低共熔点英多晶转变温度在低共熔点1368之上，之上， 在液相中，在液相中， -方石英方石英 -鳞石英的转鳞石英的转 变温度变温度 1470。 2、CaO.SiO2 CaO.Al2O3.2SiO2系系 统相图，统相图， CS在低于低共熔点在低于低共熔点 (1307)的温度，的温度， 在固相中发生在固相中发生(fshng) 多晶转变：多晶转变：-CS -CS， 转变温度为转变温度为1125。第73页/共154页第七十四页，共155页。2022-6-875A、在低共熔点下发生、在低共熔点下发生(fshng)TETPBA B A BA BA LBLETabB、在低共熔点以上、在低共熔点以上(yshng)发生发生aC P EA +LA +LA +BB+LLA BB%第74页/共154页第七十五页，共155页。2022-6-8761BA B A BA BA LBLETaTETPP F/ FD D/C C/1/b析晶路程析晶路程(lchng)： Lp=1 f=2熔体熔体1C C/ , (B)L Bp=2 f=1ED/, B(A )A +B p=2 f=1F，A B E(液相消失液相消失(xiosh)D , B A A +B p=2 f=1L A+B p=3 f=01/ ，A BLA+BA A 第75页/共154页第七十六页，共155页。2022-6-87723aEA +LA +LA +BB+LLA BB%DL A p=2 f=1F F/ , (A )F/FC P PC , (A A )E D/ ， A +BD/ Lp=1 f=2熔体熔体2PC , A L+A A +L p=3 f=0 A A E(L消失消失)G ，A BGL A +B p=3 f=0A +BLL A p=2 f=1第76页/共154页第七十七页，共155页。2022-6-8781、点、点E：低共熔点：低共熔点 LAB f=0 F：LG ALF f=02、线、线GKF为液相分界线；为液相分界线；3、帽形区、帽形区GKFG为二液存在区，区域的存在与温度有关为二液存在区，区域的存在与温度有关(yugun)。4、析晶路程：、析晶路程：TFTEKTaG EbA A+BA+LA+LB+LL2L分相分相 区区OBFB第77页/共154页第七十八页，共155页。2022-6-879 两层两层p=1 f=2熔体熔体1L A +B p=3 f=0E(L消失消失(xiosh)O ，ABLF A p=2 f=1E TE ， A+(B) 两层两层p=1 f=2L2L2/GTF，(A)FTF，ALG LF+A f=0L1 L1/ TFTEKTaG EbA A+BA+LA+LB+LL2L分相分相 区区OBFBDP1第78页/共154页第七十九页，共155页。2022-6-880TFTEKTaG EbA A+BA+LA+LB+LL2L分相分相 区区OBFB1 两层两层p=1 f=2熔体熔体1L1 L1/L1 L1/ L2 L2/ 两层两层p=1 f=2L2L2/PGTF，(A)FTF，ALG LF+A f=0LF A p=2 f=1E TE ， A+(B)L A +B p=3 f=0E(L消失消失(xiosh)O ，AB L A +B 第79页/共154页第八十页，共155页。2022-6-8815、应用：、应用： CaO-SiO2及及MgO-SiO2系统相图，在系统相图，在SiO2含量高处含量高处(o ch)都有都有 一个二液分层区。一个二液分层区。第80页/共154页第八十一页，共155页。2022-6-88211、特点：、特点： 无三相无变量点，即无三相无变量点，即fMIN1 两个相平衡点，例两个相平衡点，例2点和点和7点。点。2、杠杆、杠杆(gnggn)规则计算固液相量。规则计算固液相量。A BCTTaTbS(AB)LL+S(AB)L+S(AB)B%236745OA B TTaTbS(AB)LL+S(AB)B%第81页/共154页第八十二页，共155页。2022-6-8833、举例：、举例： 2MgO.SiO2和和2FeO.SiO2在高温能在高温能以各种比例互溶形成以各种比例互溶形成(xngchng)连续固溶体。连续固溶体。举例：举例： 铁钙黄长石铁钙黄长石(Ca2FeSiAlO7)与镁方柱与镁方柱石石(Ca2MgSi2O7)形成连续固溶体中间形成连续固溶体中间(zhngjin)有一交点。有一交点。第82页/共154页第八十三页，共155页。2022-6-884 SA(B)表示表示(biosh)B组分溶解到组分溶解到A组分中所形成的固溶体；组分中所形成的固溶体； SB(A)表示表示(biosh)A组分溶解在组分溶解在 B组分中所形成的固溶体。组分中所形成的固溶体。T A F G B C DEba SA(B)+ SB(A)SA(B)SA(B)+LL+ SB(A)SB(A)L第83页/共154页第八十四页，共155页。2022-6-885T A F G B C Eba SA(B)+ SB(A)SA(BSA(B)+LL+ SB(A)SB(A)LD2 13ED , (SA(B)SB(A)T2P S , (SB(A)PST1SB(A)L Lp=1 f=2熔体熔体1液态溶液液态溶液L SB(A)p=2 f=11/ SB(A)+ SA(B)p=2 f=11/ ， SA(B)+ SB(A)Q NT3IL SB(A)+ SA(B)p=3 f=0L SB(A)+ SA(B)SA(B)SB(A)E(L消失消失)H ， SA(B)SB(A)H第84页/共154页第八十五页，共155页。2022-6-886另一类：生成不连续另一类：生成不连续(linx)固溶体且具有回吸点固溶体且具有回吸点的二元系统相图的二元系统相图1、点、点G :低共熔点低共熔点 LSA(B)+ SB(A) f=0 点点J ：回吸点，：回吸点，f=0 L+SA(B) SB(A)123A O P BbaFGJSA(B)+ SB(A)SA(B)SA(B)+LSB(A)L+ SB(A)T第85页/共154页第八十六页，共155页。2022-6-887A O P BbaSA(B)+ SB(A)SA(B)SA(B)+LL+ SB(A)T3JF , 开始回吸开始回吸SA(B)(SB(A)FJSA(B)L + SA(B) SB(A)p=3 f=0SB(A) SB(A)p=1 f=2X ， SA(B)+ SB(A)SB(A)HX Lp=1 f=2熔体熔体3JG，SB(A)GD C , (SA(B)CDL SA(B)p=2 f=1L SB(A)p=2 f=1E FF(L消失消失)E ， SB(A)第86页/共154页第八十七页，共155页。2022-6-888123A O P BbaFGJSA(B)+ SB(A)SA(B)SA(B)+LSB(A)L+ SB(A)T第87页/共154页第八十八页，共155页。2022-6-889 1、CaO-SiO2系统相图系统相图(xin t) 要求：要求： (1)会划分分二元系统；会划分分二元系统； (2)无变量点的性质，相间平衡；无变量点的性质，相间平衡； (3)具体分析具体分析SiO2-CS分系统，解释为何分系统，解释为何CaO可作为可作为 硅砖生产的硅砖生产的 矿化剂；矿化剂； (4) C2S-CaO分系统含有硅酸盐水泥的重要矿物分系统含有硅酸盐水泥的重要矿物 C3S和和C2S，C3S是不一致熔融化合物，仅能稳是不一致熔融化合物，仅能稳 定存在于定存在于12502150之间。之间。 (5) 会应用相图会应用相图(xin t)指导实际生产。指导实际生产。第88页/共154页第八十九页，共155页。2022-6-890图10-14 C2S的多晶转变(zhunbin)自由焓050010001500T 52567072586011601420LH第89页/共154页第九十页，共155页。2022-6-891(4) 在在A3S2SiO2分系统分系统,莫来石质莫来石质 (Al2O372% )及刚玉及刚玉(gngy)质耐火砖质耐火砖(Al2O390% )都都 是性能优良的耐火材料。是性能优良的耐火材料。分析粘土砖，其矿物分析粘土砖，其矿物(kungw)组成组成?分析生产硅砖中分析生产硅砖中Al2O3存在降低耐火度的影存在降低耐火度的影 响响?第90页/共154页第九十一页，共155页。2022-6-892分析粘土砖，其矿物组成分析粘土砖，其矿物组成? 石英和莫来石石英和莫来石(A3S2), A3S2含量含量(hnling)增加，耐火度增大，其中含增加，耐火度增大，其中含Al2O3大约大约33。 注意：配料组成在注意：配料组成在E1F范围内，必须注意液相线的变化。范围内，必须注意液相线的变化。 分析生产硅砖中分析生产硅砖中Al2O3存在降低耐火度的影存在降低耐火度的影 响响? 因因 为此系统中在为此系统中在1595低共熔点低共熔点(rngdin)处生成含处生成含Al2O3 5.5wt%d的液的液 相，相，E1点靠近点靠近SiO2,当加入当加入1wt的，在的，在1595就产生就产生 1：5.5=18.2 液相，与液相，与SiO2平衡的液相线从熔点平衡的液相线从熔点(rngdin)1723迅速降为迅速降为1595，因而使耐火度大大降低。，因而使耐火度大大降低。 第91页/共154页第九十二页，共155页。2022-6-893图10-15 Al2O3-SiO2系统(xtng)相图200 01800160014001200温 度 SiO220406 08 0Al2O3摩 尔 204 06080L +Al2O3172 3L+ SiO2E1159 5L+A3S2固溶 体1 850L1 840E2Al2O3+A3S2固 溶 体A3S2固 溶 体S iO2+A3S2固 溶 体重 量2 050L+A3S2固 溶 体F第92页/共154页第九十三页，共155页。2022-6-894 (1)划分二元分系统；划分二元分系统； (2)确定各无变量确定各无变量(binling)点的性质及相间平衡；点的性质及相间平衡； (3)应用：镁质耐火材料配料中应用：镁质耐火材料配料中MgO含量应大于含量应大于Mg2SiO4中中 MgO含量，否则配料点落入含量，否则配料点落入Mg2SiO4SiO2系统，系统， 开始出现液相温开始出现液相温 度及全融温度急剧下降，造成耐度及全融温度急剧下降，造成耐 火度急剧下降。火度急剧下降。 注意：镁质砖注意：镁质砖(T共共1850)与硅质砖与硅质砖(T共共1436) 不能混用，否则共熔点下降。不能混用，否则共熔点下降。 第93页/共154页第九十四页，共155页。2022-6-895L150017001900210023002500270029000102030405060708090100MgOMg2SiO4MgSiO3SiO2重量 SiO318501890BCMgOMgO+LDFFL+-方石英1543MgSiO3+LMgSiO3+-方石英Mg2SiO4+LAMgO+MgSiO4Mg2SiO4+MgSiO31557E1695图10-16 MgO-SiO2系统(xtng)相图第94页/共154页第九十五页，共155页。2022-6-896常用于玻璃常用于玻璃(b l)，其最低共熔点为，其最低共熔点为799。 73SiO2和和27Na2O易溶于水生成泡花碱。易溶于水生成泡花碱。 由于由于Na2O在高温容易挥发在高温容易挥发,故相图中缺乏故相图中缺乏Na2O含量高部分。含量高部分。第95页/共154页第九十六页，共155页。2022-6-897 三元凝聚系统三元凝聚系统: f c p 14 p ， 当当 p=1 时，时， fmax3 ( 即组成即组成(z chn)x1、x2和温度的变化。和温度的变化。) 相图相图第96页/共154页第九十七页，共155页。2022-6-898顶点：单元系统或纯组分；顶点：单元系统或纯组分； 边：边： 二元系统；二元系统； 内部内部(nib)：三元系统：三元系统 应用应用(yngyng)：1、已知组成点确定各物质的含量；、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。、已知含量确定其组成点的物质。一、一、 三元系统三元系统(xtng)(xtng)组成的表示方法组成的表示方法 在三元系统在三元系统(xtng)(xtng)中用等边三角形来表示组成。中用等边三角形来表示组成。图10-18 浓度三角形909090808080707070606060505050404040303030202020101010cEMDaABCa图10-19 双线法确定三元组成CABMbca第97页/共154页第九十八页，共155页。2022-6-899二、三元系统组成中的一些二、三元系统组成中的一些(yxi)关系关系 1、等含量规则、等含量规则 在等边三角形中，平行于一条边的直线在等边三角形中，平行于一条边的直线上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。ABCMNEDFO第98页/共154页第九十九页，共155页。2022-6-8100 从等边三角形的某一顶点从等边三角形的某一顶点(dngdin)向对边向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点之比不变，而顶点(dngdin)组分的含量则随着远组分的含量则随着远离顶点离顶点(dngdin)而降低。而降低。 背向规则：背向规则：在三角形中任一混合物在三角形中任一混合物M，若从，若从M中不断析出某一中不断析出某一顶点顶点(dngdin)的成分，则剩余物质的成分也不断的成分，则剩余物质的成分也不断改变改变(相对含量不变相对含量不变)，改变的途径在这个顶点，改变的途径在这个顶点(dngdin)和这个混合物的连线上，改变的方向背和这个混合物的连线上，改变的方向背向顶点向顶点(dngdin)。 2、定比例、定比例(bl)规则规则ABCMNEDFO第99页/共154页第一百页，共155页。2022-6-81013、杠杆规则、杠杆规则 在三元在三元(sn yun)系统中，一种混合物分解为系统中，一种混合物分解为两种物质两种物质(或两种物质合成为一种混合物或两种物质合成为一种混合物)时，它们时，它们的组成点在一条直线上，它们的重量比与其它组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。成点之间的距离成反比。A BCoMPb1bb2 推导推导(tudo)：GMGOGP GMb%GOb1%+GPb2%MOMPGGPO 物质的分解和合成实际上就是物相的变化。对于三元物质的分解和合成实际上就是物相的变化。对于三元(sn yun)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。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。第100页/共154页第一百零一页，共155页。2022-6-8102根据根据(gnj)杠杆规则：杠杆规则：M1M2P PM3 MM1 M2M3 MM1M2M3M.PA BC第101页/共154页第一百零二页，共155页。2022-6-81035 5、交叉位置规则、交叉位置规则 M M点在点在M1M2M3M1M2M3某一条边某一条边的外侧的外侧(wi c)(wi c)，且在另二条边，且在另二条边的延长线范围内。这需要从物的延长线范围内。这需要从物质质M1M1M2M2中取出一定量的中取出一定量的M3M3才能得到混合物才能得到混合物M M，此规则称，此规则称为交叉位置规则。为交叉位置规则。 由杠杆由杠杆(gnggn)规则：规则：M1M2P M+M3PM1M2MM3M1M2M3MPA BC从M1M2中取出中取出M3愈多，则愈多，则M点离点离M3愈远。愈远。第102页/共154页第一百零三页，共155页。2022-6-81046 6、共轭位置规则、共轭位置规则 在三元系统中，物质组成在三元系统中，物质组成点点M M在在的一个角顶之外，这的一个角顶之外，这需要从物质需要从物质M3M3中取出一定量中取出一定量的混合的混合(hnh)(hnh)物质物质M1M1M2M2，才能得到新物质才能得到新物质M M，此规则称，此规则称为共轭位置规则。为共轭位置规则。 由重心规则：由重心规则： M1 M1M2M2M MM3M3 或：或：M M M3 M3 (M1(M1M2)M2) 结论：从结论：从M3M3中取出中取出M1M1M2M2愈多，愈多， 则则M M点离点离M1M1和和M2M2愈愈远。远。M1M2M3MA BC.第103页/共154页第一百零四页，共155页。2022-6-8105CBAE2E1E3E/A/B/C/e3e1e2EABCM/DMFD/第104页/共154页第一百零五页，共155页。2022-6-8106第105页/共154页第一百零六页，共155页。2022-6-8107(1)立体图的空间曲面立体图的空间曲面(液相面液相面) 投影为平面上的投影为平面上的初晶区初晶区 、 、 ABCe1E E1E/、e2E E2E/ 、e3E E3E/;平面界线平面界线空间界线空间界线平面点平面点空间点空间点e1 E1e2 E2e3 E3 EE/ 第106页/共154页第一百零七页，共155页。2022-6-8108 (2) 冷却过程(guchng)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：结论： 三角形顶点温度最高，三角形顶点温度最高， 离顶点愈远其离顶点愈远其 表示表示(biosh) 温度愈低。等温线愈密，表示温度愈低。等温线愈密，表示(biosh)液液 相面越相面越 陡陡 峭。峭。第107页/共154页第一百零八页，共155页。2022-6-8109第108页/共154页第一百零九页，共155页。2022-6-8110 Lp=1 f=3熔体熔体MM C , (C)L Cp=2 f=2DC , C(B)L A +B+C p=4 f=0E(L消失消失(xiosh)M ，AB+CE F ，B+C+(A)L C+Bp=3 f=1FCBAEDCAB第109页/共154页第一百一十页，共155页。2022-6-81111 1、生成、生成(shn chn)(shn chn)一个一致熔融二元化合物的三元系统相图一个一致熔融二元化合物的三元系统相图L+AL+SL+BA e1 S e2 B e4e3CABCSE1E2m 在相图上的特点：在相图上的特点： 其组成点位于其初晶区范围内。其组成点位于其初晶区范围内。 要求：要求： (1) 确定温度的变化方向确定温度的变化方向(fngxing)； (2)各界线的性质；各界线的性质； (3) 会划分各分三元系统；会划分各分三元系统； (4) 分析不同组成点的析晶路程，分析不同组成点的析晶路程， 析析 晶终点和析晶终产物；晶终点和析晶终产物； (5) 在在E1E2界线上界线上m点是温度最点是温度最 高点。高点。 (连线规则连线规则)第110页/共154页第一百一十一页，共155页。2022-6-8112相图上的特点相图上的特点(tdin)： 化合物组成点不在其初晶区范围内。化合物组成点不在其初晶区范围内。A/Q/S/B/L+AL+SL+BA e1 Q S B e4e3CABCSEmP第111页/共154页第一百一十二页，共155页。2022-6-8113(1) 几条重要规则几条重要规则 A 连线规则：用来判断界线的温度走向；连线规则：用来判断界线的温度走向； 定义定义(dngy)：将界线：将界线(或延长线或延长线)与相应的连线相交，与相应的连线相交， 其交点是该界线上的温度最高点；其交点是该界线上的温度最高点； 温度走向是背离交点。温度走向是背离交点。CSCSEFmCSmCSCSmCS第112页/共154页第一百一十三页，共155页。2022-6-8114共熔界线共熔界线的温度下降方向：的温度下降方向：转熔界线转熔界线的温度下降方向：的温度下降方向：第113页/共154页第一百一十四页，共155页。2022-6-8115注：副三角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。注：副三角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判断无变量点的性质的又一方法(fngf)： 根据界线的温度下降方向，任何一个无变量点必是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；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两条界线的温度下降箭头指向交汇点单转熔点(双升点双升点)； 两条界线的温度下降箭头背向交汇点双转熔点两条界线的温度下降箭头背向交汇点双转熔点(双降点双降点)。第114页/共154页第一百一十五页，共155页。2022-6-8116A e1 Q S B e4e3CABCSEmP第115页/共154页第一百一十六页，共155页。2022-6-8117一、一、 三元系统三元系统(xtng)(xtng)组成的表示方法组成的表示方法BACM N P b c a 二、三元二、三元(sn yun)系统组成中的一些关系系统组成中的一些关系 1、等含量规则、等含量规则A BCP Q E D FM3、杠杆规则、杠杆规则5 5、交叉位置规则、交叉位置规则6 6、共轭位置规则、共轭位置规则M1M2M3M.PA BCM1M2M3MPA BC2、定比例规则定比例规则第116页/共154页第一百一十七页，共155页。2022-6-8118几条重要几条重要(zhngyo)规则规则A e1 Q S B e4e3CABCSEmP副三角形副三角形第117页/共154页第一百一十八页，共155页。2022-6-8119(2) 不同不同(b tn)组成的结晶路程分析组成的结晶路程分析 A、划分副三角形，、划分副三角形， 确定组成点的位置；确定组成点的位置； B、 分析析晶产物和析晶终点；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；、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。、利用规则检验其正确性。第118页/共154页第一百一十九页，共155页。2022-6-8120A e1 Q S B e4e3CABCSEmP.1FDL A +S p=3 f=1 Lp=1 f=3熔体熔体11 S , (S)DS , S(A)L A +S+C p=4 f=0E(L消失消失(xiosh)1 ，AS+CE F ，A+S+(C)L S p=2 f=2第119页/共154页第一百二十页，共155页。2022-6-8121A e1 Q S B e4e3CABCSEmPOQ2 .2点在点在B的初晶区，开始析出的初晶区，开始析出(xch)的晶相为的晶相为B，组成点在，组成点在 BSC内，析晶终点为内，析晶终点为P点，点，析出析出(xch)晶相为晶相为B、S、C。L C +B p=3 f=1 Lp=1 f=3熔体熔体22 B , (B)QB , B(C)L+B S+C p=4 f=0P(L消失消失(xiosh)2 ，BS+CP O ，B+(S)+CL B p=2 f=2第120页/共154页第一百二十一页，共155页。2022-6-8122A e1 Q S B e4e3CABCSEP. 3分析：分析：3点在点在C的初晶区内的初晶区内(q ni)，开始析出的晶，开始析出的晶相为相为C， 在在ASC内，析晶内，析晶终点在终点在E点，结晶终产物点，结晶终产物是是A、S、C。途中经过。途中经过P点，点，P点是转熔点，同时点是转熔点，同时也是过渡点。也是过渡点。 L+B S+C L C +B p=3 f=1 Lp=1 f=3熔体熔体33 C , (C)mC , C(B)L+B S+C p=4 f=0P(B消失消失(xiosh)F ，S+CP D ，B+(S)+CL C p=2 f=2L S+C p=3 f=1E G ，S+(A)+CL A+S+C p=4 f=0E(L消失消失(xiosh)3 ，A+S+CDFGm第121页/共154页第一百二十二页，共155页。2022-6-8123A e1 Q S B e4e3CABCSEmP. 4第122页/共154页第一百二十三页，共155页。2022-6-8124L +B C p=3 f=1 Lp=1 f=3熔体熔