二元系统课件

第六章6.1概述6.2相平衡及其研究方法6.3单元系统6.4二元系统6.5三元系统相平衡与相图6.4一相图的表示方法及杠杆规则二二元系统相图的基本类型三专业二元系统相图举例二元系统二元凝聚系统：含有二个组元（C＝2）的系统可以不考虑压力的改变对系统相平衡的影响相律：F＝C－P＋1＝3－P当Pmin＝1时Fmax＝2（T，X）Pmax＝3时Fmin＝0相图为温度一组成图

2．杠杆规则

——相图分析中的重要规则应用：计算一定条件下，系统中平衡各相间的数量关系

杠杆规则示意图和杠杆示意图关键：分清系统的总状态点，成平衡的两相的状态点，找准在某一温度下，它们各自在相图中的位置1．具有一个低其熔点的二元系统相图

特点：最简单的二元系统相图；两个组元液态时能以任意比例互溶，形成单相溶液；固相完全不互溶，两个组元各自从液相分别结晶；组元之间不生成化合物。二二元系统相图的基本类型（1）相图分析液相线aE、bE：P=2，F=1固相线GH相区：液相单相区L：P=1，F=2固液共存区(L+A),(L+B)固相区(A+B)：P=2，F=1低共熔点E：LEA＋BP＝3，F＝0（2）熔体的冷却析晶过程指将一定组成的二元混合物加热熔化后再将其平衡冷却而折晶的过程。（3）冷却析晶过程中各相含量的计算M熔体冷却到TD时，A晶相(F点)和液相(D点)平衡共存，系统总状态点在O点。根据杠杆规则：

系统中：当液相状态点刚到E点、固相状态点为G点时，B晶相尚未析出，系统中仍然是A晶相和液相两相平衡共存，此时，根据杠杆规则：当液相在E点消失后，系统中平衡共存的是A晶相和B晶相，该两相含量则分别为：

杠杆规则应用：一相分为两相，两相合为一相，多相系统可根据已知条件计算平衡共存各相的相对数量及百分含量；应用相图可确定配料组成已定制品，在不同状态下所具有的相组成及其相对含量，以预测和估计产品的性能，这对指导生产和研制新产品具有重要意义。两个低共熔点：E1、E2一个一致熔融化合物：AmBnAmBn－M线：划分出两个最简单分二元系统E1：A-AmBn分二元系统低共熔点：LE1A＋AmBn。E2：AmBn-B分二元系统低共熔点，LE2AmBn＋B。存在n个一致熔融化合物时，可以一致熔融化合物等组成线为分界线，将相图划分成n＋1个简单系统。

注意：一致熔融化合物若为非常稳定化合物，甚至在熔融时也不离解，则相应液相线呈尖峭高峰形（见图中Mˊ点）若化合物部分分解时，熔化温度将降低，则化合物愈不稳定，最高点也愈平滑（见图中M点）。

硅灰石（CaO·SiO2）和镁橄榄石（Mg2SiO2）为一致熔融化合物。3．具有一个不一致熔融化合物的二元系统相图

不一致熔融化合物：一种不稳定化合物，加热这种化合物到某一温度便发生分解，分解产物是一种液相和一种晶相，二者组成与原来化合物组成完全不同。

这类相图不能划分成两个简单的二元相图冷却析晶过程：熔体1化合物AmBn不能直接从二元熔液中结晶析出，而是通过A、B固相反应形成，只能存在于某一温度范围内（如T1－T2），超出这个范围，AmBn分解为晶相A和晶相B。

4．固相中有化合物生成与分解的二元系统相图

不同组成二元系统在Tl（或T2）温度下发生固相反应时可能有三种不同结果：①

组成在A－AmBn范围内，A组元含量较高，冷却到T1（或加热到T2）时，固相反应结果是B晶相消失，剩余A晶相和新生成化合物AmBn。②组成在AmBn－B范围内，冷却到T1（或加热到T2）时，固相反应结果是A晶相消失，剩余B晶相和新生成化合物AmBn。③组成刚好为AmBn二元系统，冷却到Tl（或加热T2）时，固相反应结果是A、B全部化合生成化合物AmBn。如图相图表示Ambn在低共熔温度以下的TD以上发生分解，而在低温时却为稳定。

5．具有多晶转变的二元系统相图TP：多晶转变温度TE：低共熔温度（1）TP＞TE

即多晶转变在液相中发生组元A有α和β两种晶型，其中Aα相在TP温度以上稳定，Aβ相在TP温度以下稳定，发生晶型转变的温度为TP。P点称为多晶转变点，在这个点上进行的平衡过程为：AαAβ。P＝3，F＝0DP线：晶型转变等温线，将A相区划分开来成Aα和Aβ稳定存在的两个相区。P点为组元A的多晶转变点，P点发展为一条多晶转变等温线（TP线），此线以上Aα相区，此线以下Aβ相区TP等温线上进行的平衡过程为：AαAβ，P＝3，F＝0，为无变量过程。多晶转变在硅酸盐系统中普遍存在，如在CaO－SiO2二元系统中CS、C2S和SiO2都具有多晶转变；在Na2O一SiO2系统中，除SiO2外，NS2也存在多晶转变。

6．形成连续固溶体的二元系统相图连续（或完全互溶、无限互溶）固溶体：溶质和溶剂能以任意比例相互溶解的固溶体。

特点：无二元无变量点（1）具有低共熔点的有限固溶体的二元系统相图aE线——与SA（B）固溶体平衡的液相线。bE线——与SB（A）固溶体平衡的液相线。aC和bD——固相线E——低共熔点，LESA（B）(C)＋SB（A）(D)C点——组元B在组元A中的最大固溶度D点——组元A在组元B中的最大固溶度CF——固溶体SA（B）的溶解度曲线DG——固溶体SB（A）的溶解度曲线可以看出：A、B二个组元在固态互溶的溶解度是随温度下降而下降。有三个单相区和三个二相区。

熔体M的冷却析晶过程：

注意：这类二元系统相图中，并不是所有高温熔体都在E点结晶结束，有一部分高温熔体（如组成在Cˊ点以左和Dˊ点以右的系统），其冷却结晶过程是在液相线上的某一点结晶结束，且结晶结束时F＝1。具体结晶结束点位置与原始熔体的组成有关。（2）具有转熔点的有限固溶体的二元系统相图转熔点P：LP＋SB（A）(D)SA（B）(C)

组成在Pˊ-Dˊ范围内原始熔体冷却到TP时都将发生转熔过程，但只有组成在Cˊ-Dˊ范围内熔体在P点液相消失，结晶结束。组成在Pˊ－Cˊ范围内熔体是SB（A）先消失，转熔过程结束，但结晶并没结束，它们和组成在A-Pˊ范围熔体都是在与SA（B）平衡的液相线上某一点结晶结束。组成在Dˊ-B范围内的原始熔体则在与SB（A）平衡的液相线上结晶结束。8．具有液相分层的二元系统相图

液相分层：二组元在液态并不完全互溶，只能有限互溶。CKD：液体分相区二液区内等温结线Lˊ1Lˊ2、Lˊˊ1Lˊˊ2、Lˊˊˊ1Lˊˊˊ2的两端表示各个温度下互相平衡的两个液相的组成。温度升高，两层液相的溶解度都增大，因而其组成越来越接近，到达K点，两层液相的组成已完全一致，分层现象消失，故K点称为临界温度。在CKD以外，不再发生二液分层现象，而成为液相单相区。曲线aC、DE均为与A晶相平衡的液相线，bE是与B晶相平衡的液相线。除低共熔点E外，系统中还有一个无变量点D：LCLD＋A，即冷却时从液相LC中析出A晶相，同时液相LC转变为液相LD；加热时过程反向进行。abM点冷却析晶过程：三专业二元系统相图（一）Al2O3-SiO2系统存在一个化合物：3Al2O3·2SiO2（A3S2），组成：72wt%Al2O3，28wt%SiO260mol%Al2O340mol%SiO2在A3S2的晶格中可溶于少量Al2O3（约3mol％）形成固溶体。601.相图介绍

（1）A3S2为不一致熔化合物（试样纯度不高），A3S2的转熔点为1828℃。

（2）A3S2为一致熔化合物（试样纯度高变并防止SiO2挥发），A3S2熔点为1850℃。2.相图应用对铝、硅质耐火材料的研究和生产具有指导意义1．硅铝质耐火材料分类及相应矿物组成2．Al2O3含量对硅铝质耐火材料性能的影响3．由组成估计其液相量4．由液相线的倾斜程度，判断液相量随温度变化的情况Al2O3/wt％＜115~3030~4848~9070~72＞90材料硅质半硅质粘土质高铝质莫来石质刚玉质主要矿物相鳞石英（有矿化剂）方石英玻璃相①方石英鳞石英少量莫来石及玻璃相莫来石方石英鳞石英莫来石少量硅氧晶体及玻璃相莫来石玻璃相刚玉莫来石Al2O3－SiO2系统各类耐火材料矿物组成（二）CaO-SiO2系统

存在四个化合物，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。硅砖生产中，CaO可作为矿化剂而引入。由图可见：加入CaO对硅砖在各不同温度下液相量的增加影响不大，所以对硅砖的耐火度无多大影响。可用一致熔融化合物等组成线作为界线，将系统划分成若干分系统，如以CS和C2S为界线，将系统分成SiO2－CS、CS－C2S……。其中C2S和C3S是水泥塑料中的主要矿物，C3S是高温分解，低温也分解的化合物。（三）CaO-Al2O3系统相图是在完全干燥的气氛中得到的。

其中C3A与CA在1360℃形成低共熔点，而C12A7没有其稳定相区。在湿空气中则可形成一致熔化合物C12A7，其熔点为1392℃。C3A是硅酸盐水泥熟料中的重要矿物；CA是矾土水泥主要矿物；CA2是耐火水泥主要矿物。四）Na2O-SiO2系统图上标号相平衡关系平衡性质化学组成（％）温度（℃）Na2OSiO2A熔体＋Na2O转熔点58421180B熔体低共熔点56441022C熔体熔