第6章习题及答案无机材料科学基础.docx

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第6章习题及答案无机材料科学基础

第六章 相平衡和相图

   6-1名词解释

   相组元数 独立组元数 自由度 相图 相平衡 凝聚系统 介稳平衡 无变量点 可逆多晶转变 不可逆多晶转变 一级变体间转变 二级变体间转变 一致熔融化合物 不一致熔融化合物 共熔界线 转熔界线 连线规则 切线规则 低共熔点（三升点） 单转熔点（双升点） 双转熔点（双降点） 液相独立析晶

   6-2什么是吉布斯相律？

它有什么实际意义？

   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？

                  图6-1                                图6-2

   6-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回答：

（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？

   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？

   6-6在SiO2系统相图中，找出两个可逆多晶转变和两个不可逆多晶转变的例子。

   6-7C2S有哪几种晶型？

在加热和冷却过程中它们如何转变？

β-C2S为什么能自发地转变成γ-C2S？

在生产中如何防止β-C2S转变为γ-C2S？

   6-8今通过实验测得如图6-3所示的各相图，试判断这些相图的正确性。

如果有错，请指出错在何处？

并说明理由。

图6-3

   6-9根据图6-4所示的二元系统相图回答：

（1）注明各相区；

（2）写出无变量点的性质及其相平衡关系；（3）写出M1和M2熔体的平衡冷却析晶过程；（4）计算从熔体刚冷至TP温度及离开TP温度时系统中存在各相的百分含量。

    6-10图6-5为具有一个不一致熔融化合物的二元系统，在低共熔点E发生如下析晶的过程：

LA＋AmBn。

E点B含量为20％，化合物AmBn含B量为64％，今有C1和C2两种配料，其配料点分置于E点两侧。

已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在达低共熔点温度前的冷却析晶过程中，从该二配料中析出的初晶相含量相等。

试计算C1和C2的组成。

                图6-4                                 图6-5

   6-11图6-6是一个未完成的具有一个不一致熔化合物并形成固溶体的二元系统相图。

请根据已给出的诸点完成此相图的草图。

图6-6

   6-12已知A和B两组成构成具有低共熔点的有限固溶体的二元系统。

试根据下列实验数据绘制粗略相图。

已知A的熔点为1000℃，B熔点为700℃。

含B为25mol％的试样在500℃完全凝固，其中含73.3mol％初晶相SA（B）和26.7mol％（SA（B）＋SB（A））共生体。

含B为50mol％的试样在同一温度下凝固完毕，其中含40mol％初晶相SA（B）和60mol％（SA（B）＋SB（A））共生体，而SA（B）相总量占晶相总量的50％。

实验数据均在达到平衡状态时测定。

   6-13根据Al2O3－SiO2系统相图说明：

（1）铝硅质耐火材料：

硅砖（含SiO2＞98％）、粘土砖（含Al2O335％～50％）、高铝砖（含Al2O360％～90％）、刚玉砖（含Al2O3＞90％）内，各有哪些主要的晶相？

（2）为了保持较高的耐火度，在生产硅砖时应注意什么？

（3）若耐火材料出现40％的液相便软化不能使用，试计算含40mol％Al2O3的粘土砖的最高使用温度。

   6-14根据CaO－SiO2系统相图回答下列问题：

（1）若以含CaO80％的熔体1000g冷却到2150℃以后（温度即将离开2150℃时），会获得何种产物？

这些产物的量各为多少？

（2）若以CaO、SiO2二组元配料，加热至熔融后再冷却，要求产物中只有C2S和C3S，则配料范围应选在哪里？

若平衡冷却能达到目的吗？

为什么？

应采取什么措施？

   6-15在CaO－SiO2和Al2O3－SiO2系统中，SiO2的液相线都很陡，解释为什么在硅砖生产中可掺入少量CaO做矿化剂不会降低硅砖的耐火度，而在硅砖中却要严格防止混入Al2O3，否则便会使硅砖耐火度大大下降。

   6-16加热粘土矿物高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）至600℃时，高岭石分解为水蒸气和Al2O3·2SiO2，继续加热到1595℃时会发生什么变化？

在该温度下长时间保温达到平衡，系统的相组成如何？

当系统生成40％液相时，应达到什么温度？

在什么温度下该粘土完全熔融？

   6-17将含有MgO和Al2O3的熔体冷却到一定温度，然后滤去析出的晶体并对剩下的液相进行分析，得知液相中含MgO为65％，而且知道液相量是物系总量的70％，求原始熔体的组成。

   6-18指出图6-7所示一些三元系统相图中的错误，并说明理由。

图6-7

   6-19请划分图6-8所示四个相图中的副三角形。

图6-8

   6-20在浓度三角形中画出下列配料的组成点的位置。

M：

A＝10％、B＝70％、C＝20％；N：

A＝10％、B＝20％、C＝70％；P：

A＝70％、B＝20％、C＝10％。

若将3kgM、2kgN和5kgP混合，试根据杠杆规则用作图法找出新配料Q的组成点位置。

   6-21如图6-9是最简单的三元系统投影图，图中等温线从高温到低温的次序是：

t5＞t4＞t3＞t2＞t1，根据此投影图回答：

（1）三个组元A、B、C熔点的高低次序是怎样排列的？

（2）各液相面的陡势排列如何？

哪个最陡？

哪个最平坦？

（3）指出组成为65％A、15％B、20％C的熔体在什么温度下开始析晶？

析晶过程怎样？

（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段中发生的变化过程）

                 图6-9                                        图6-10

   6-22图6-10为ABC三元系统相图，根据此相图：

（l）判断化合物K和D的性质；

（2）标出各条界线上的温度下降方向；（3）划分副三角形；（4）判断各无变量点的性质，并写出相平衡关系式。

   6-23试分析图6-11上配料点1、2、3的结晶过程，写出结晶过程的相平衡表达式（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段系统中发生的相变化和自由度数的变化）。

              图6-11                                 图6-12

   6-24图6-12所示为生成一个三元化合物的三元系统相图。

（1）判断三元化合物N的性质；

（2）标出界线上的温降方向（转熔界线用双箭头）；（3）指出无变量点K、L、M的性质，并写出相平衡方程；（4）分析点l、2的结晶过程，写出结晶过程的相平衡表达式。

   6-25根据图6-13三元系统相图：

（1）判断无变量点E、P的性质，并写出相平衡关系式；

（2）分析熔体M1、M2和M3的冷却析晶过程，并总结判断结晶产物和结晶结束点的规则；（3）加热组成为M4的混合物，将于什么温度出现液相？

在该温度下出现的最大液相量是多少？

在什么温度下完全熔融？

写出其加热过程相平衡表达式。

                图6-13                                     图6-14

   6-26图6-14为一个三元系统相图。

根据此图：

（1）判断化合物D的性质，标出图中各边界和界线温降方向并判断界线性质；

（2）判断无变量点E、F、G的性质，并写出相平衡关系式；

（2）写出熔体M1和M2的冷却析晶过程；（3）计算熔体M2液相刚到结晶结束点时以及结晶结束后的各相含量。

   6-27图6-15为生成2个一致熔融二元化合物的三元系统，据图回答下列问题：

（l）可将其划分为几个副三角形？

（2）标出图中各边界及相区界线上温度下降方向。

（3）判断各无变量点的性质，并写出相平衡关系式。

 图6-15                          图6-16

   6-28图6-16是生成一致熔融二元化合物（BC）的三元系统投影图。

设有组成为35％A、35％B、30％C的熔体，试确定其在图中的位置。

冷却时该熔体在何温度下开始析出晶体？

   6-29根据图6-17回答下列问题：

（l）说明化合物S1、S2的性质；

（2）在图中划分副三角形及用箭头指示出各界线的温度下降方向及性质；（3）指出各无变量点的性质并写出各点的平衡关系；（4）写出1、3组成的熔体的冷却结晶过程；（5）计算熔体1结晶结束时各相百分含量，若在第三次结晶过程开始前将其急冷却（这时液相凝固成为玻璃相），各相的百分含量又如何？

（用线段表示即可）；（6）加热组成2的三元混合物将于哪一点温度开始出现液相？

在该温度下生成的最大液相量是多少？

在什么温度下完全熔融？

写出它的加热过程。

   6-30根据图6-18回答下列问题：

（1）说明化合物S的熔融性质，并分析相图中各界线上温度变化的方向以及界线和无变量点的性质；

（2）写出组成点为1、2、3及4各熔体的冷却结晶过程；（3）分别将组成为5和组成为6的物系，在平衡的条件下加热到完全熔融，说明其固液相组成的变化途径。

图6-17                         图6-18

    6-31根据图6-19回答下列问题：

（1）用箭头标出各界线的温度下降方向并说明界线性质；

（2）指出各无变量点E、P、R、Q的性质，并写出其相平衡关系；（3）写出熔体M的结晶过程，说明液相离开R点的原因；（4）画出AB、BC二元系统相图。

图6-19

    6-32比较各种三元无变量点（低共熔点，单转熔点，双转熔点，过渡点和多晶转变点）的特点，写出它们的平衡关系。

    6-33图6-20中所示的三元系统相图，有三个二元化合物S1、S2、S3，相应地，在状态图上出现有六个相区。

据图回答：

（1）化合物S1、S2、S3的化学式怎样表示？

它们各具有什么性质？

（2）图中共有五个无变量点，确定它们的性质并写出相平衡方程；（3）分析组成位于S1S2连线上，且在组元B相区内的熔体的结晶过程？

    6-34图6-21为一个具有三个二元化合物的三元系统相图．据图试画出相应AB、AC及BC三个二元系统相图（熔点、二元低共熔点、二元转熔点温度自定，但要符合规律）。

                图6-20                                 图6-21

    6-35ABC三元系统相图如图6-22所示，图中有一个二元化合物D（AmBn）和一个三元化合物M（AxByCz）。

要求：

（l）划分为若干个副三角形，并写出副三角形名称；

（2）判断界线性质，标注各界线上温度下降方向（转熔线用双箭头）；（3）写出图中O、W、U、V各点相平衡关系式；（4）写出组成点1的第一结晶相和最终产物；（5）画出A－B二元系统相图并注明各区相态。

                图6-22