無機非金屬材料科學基礎1

1、<p>　　6-16加熱粘土礦物高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O）至600℃時，高嶺石分解為水蒸氣和Al2O3·2SiO2，繼續(xù)加熱到1595℃時會發(fā)生什么變化？在該溫度下長時間保溫達到平衡，系統(tǒng)的相組成如何？當系統(tǒng)生成40％液相時，應達到什么溫度？在什么溫度下該粘土完全熔融？</p><p>　　解：Al2O3 · 2SiO2 · H2O

2、Al2O3 · 2SiO2 + H2O</p><p>　　Al2O3 · 2SiO2 相圖中 SiO2 %=33%mol</p><p>　?。?）加熱到 1595 ℃ 時，生成A3S2</p><p>　?。?）1595 ℃ 長時間保溫，系統(tǒng)中為液相和A3S2 ， L%= =21.8%</p><p>　　（3）完全熔

3、融即固相完全消失，應為33%直線與液相線交點處溫度。</p><p>　　6-17將含有MgO和Al2O3的熔體冷卻到一定溫度，然后濾去析出的晶體并對剩下的液相進行分析，得知液相中含MgO為65％，</p><p>　　而且知道液相量是物系總量的70％，求原始熔體的組成。</p><p>　　解：MgO 45.5％；Al2O3 54.5％</p>

4、<p>　　6-18指出圖6-7所示一些三元系統(tǒng)相圖中的錯誤，并說明理由。</p><p>　　解：（a）此相圖上等界線相應的連線可將圖面劃分成五個副三角形，但是只有四個無變量點，這是不可能的。事實上三元化合物XYZ的初晶區(qū)不可能延伸到YZ邊上。</p><p><b>　　圖6-7</b></p><p>　　6-19請劃分圖6-

5、8所示四個相圖中的副三角形。</p><p><b>　　圖6-8</b></p><p><b>　　解：如下圖所示</b></p><p>　　6-20在濃度三角形中畫出下列配料的組成點的位置。M：A＝10％、B＝70％、C＝20％；N：A＝10％、B＝20％、</p><p>　　C＝70％；

6、P：A＝70％、B＝20％、C＝10％。若將3kgM、2kgN和5kgP混合，試根據(jù)杠桿規(guī)則用作圖法找出新配料Q的組成點位置。</p><p><b>　　解：如圖所示</b></p><p>　　6-21 圖6-9是最簡單的三元系統(tǒng)投影圖，圖中等溫線從高溫到低溫的次序是：t5＞t4＞t3＞t2＞t1，根據(jù)此投影圖回解：</p><p>　?。?/p>

7、1）三個組元A、B、C熔點的高低次序是怎樣排列的？</p><p>　?。?）各液相面的陡勢排列如何？哪個最陡？哪個最平坦？</p><p>　?。?）指出組成為65％A、15％B、20％C的熔體在什么溫度下開始析晶？析晶過程怎樣？（表明液、固相組成點的變化及結晶過程各階段中發(fā)生的變化過程）</p><p>　　解：（1）熔點：TB＞TA＞TC </p>

8、<p>　?。?）B最陡，C次之，A最平坦；</p><p>　　（3）如圖所示，在M點所在的溫度下開始析晶，</p><p><b>　　析晶過程如下：</b></p><p>　　圖6-9 圖6-10</p><p>　　6-22圖6-10為

9、ABC三元系統(tǒng)相圖，根據(jù)此相圖：（l）判斷化合物K和D的性質；（2）標出各條界線上的溫度下降方向；（3）劃分副三角形；</p><p>　?。?）判斷各無變量點的性質，并寫出相平衡關系式。</p><p>　　解：（1）K為一致熔融三元化合物；D為一致熔融二元化合物。</p><p><b>　　（2）如右圖所示。</b></p>

10、<p><b>　　（3）如右圖所示。</b></p><p>　　（4）無變量點M、N、O、P均為低共熔點，</p><p><b>　　向平衡關系如下：</b></p><p><b>　　M </b></p><p><b>　　N </b

11、></p><p><b>　　O </b></p><p><b>　　P </b></p><p>　　6-23試分析圖6-11上配料點1、2、3的結晶過程，寫出結晶過程的相平衡表達式（表明液、固相組成點的變化及結晶過程各階段系統(tǒng)中發(fā)生的相變化和自由度數(shù)的變化）。</p><p>　　

12、解：1點冷卻析晶過程：</p><p><b>　　2點冷卻析晶過程：</b></p><p><b>　　3點冷卻析晶過程：</b></p><p>　　圖6-11 圖6-12</p><p>　　6-24圖6-12所示為生成一個三

13、元化合物的三元系統(tǒng)相圖。（1）判斷三元化合物N的性質；（2）標出界線上的溫降方向（轉熔界線用雙箭頭）；（3）指出無變量點K、L、M的性質，并寫出相平衡方程；（4）分析點l、2的結晶過程，寫出結晶過程的相平衡表達式。</p><p>　　解： （1）N為不一致熔融三元化合物</p><p><b>　?。?）如圖所示</b></p><p>　

14、?。?）副△ACN 對應M 低共熔點 </p><p>　　副△BCN 對應L 低共熔點 </p><p>　　副△ABN 對應K 單轉熔點 </p><p>　?。?）1的結晶過程：</p><p><b>　　2的結晶過程：</b></p><p>　　6-25根據(jù)圖6-

15、13三元系統(tǒng)相圖：（1）判斷無變量點E、P的性質，并寫出相平衡關系式；（2）分析熔體M1、M2和M3的冷卻析晶過程，并總結判斷結晶產(chǎn)物和結晶結束點的規(guī)則；（3）加熱組成為M4的混合物，將于什么溫度出現(xiàn)液相？在該溫度下出現(xiàn)的最大液相量是多少？在什么溫度下完全熔融？寫出其加熱過程相平衡表達式。</p><p>　　解： （1）E為低共熔點 </p><p><b>　　P為單轉熔點

16、 </b></p><p>　?。?）①熔體M1的冷卻析晶過程：</p><p>　?、谌垠wM2的冷卻析晶過程：</p><p>　　③熔體M3的冷卻析晶過程：</p><p>　　熔體組成點所在副三角形三個頂點所代表的晶相違結晶產(chǎn)物；三晶相對應的初晶區(qū)所包圍的無變量點為結晶結束點。</p><p>　　

17、（3）加熱組成為M4的混合物，將于E點對應的溫度出現(xiàn)液相。在該溫度下出現(xiàn)的最大液相量為，在M4點對應的溫度下完全熔融。</p><p>　　加熱過程相平衡表達式：</p><p>　　圖6-13 圖6-14</p><p>　　6-26圖6-14為一個三元系統(tǒng)相圖。根據(jù)此圖：（1

18、）判斷化合物D的性質，標出圖中各邊界和界線溫降方向并判斷界線性質；（2）判斷無變量點E、F、G的性質，并寫出相平衡關系式；（3）寫出熔體M1和M2的冷卻析晶過程；（4）計算熔體M2液相剛到結晶結束點時以及結晶結束后的各相含量。</p><p>　　解： （1）化合物D為不一致熔融三元化合物；</p><p>　?。?）E 低共熔點 </p><p><

19、b>　　F 單轉熔點 </b></p><p><b>　　G 單轉熔點 </b></p><p>　　（3）熔體M1的冷卻析晶過程：</p><p>　　熔體M2的冷卻析晶過程：</p><p>　?。?）熔體M2液相剛到結晶結束點時各相的含量：</p><p>　　熔

20、體M2液相到結晶結束點后各相的含量：</p><p>　　6-27圖6-15為生成2個一致熔融二元化合物的三元系統(tǒng)，據(jù)圖回答下列問題： （l）可將其劃分為幾個副三角形？（2）標出圖中各邊界及相區(qū)界線上溫度下降方向。（3）判斷各無變量點的性質，并寫出相平衡關系式。</p><p>　　解： （1）三個副三角形，△AS1S2、△S1S2B、△S2CB</p><p>

21、;<b>　?。?）如下圖所示</b></p><p>　　（3）無變量點E1、E2、E3都是低共熔點，各向平衡關系式如下：</p><p>　　△AS1S2 E1 </p><p>　　△S1S2B E2 </p><p>　　△S2CB E3 </p><p>　　圖6-15

22、 圖6-16</p><p>　　6-28圖6-16是生成一致熔融二元化合物（BC）的三元系統(tǒng)投影圖。設有組成為35％A、35％B、30％C的熔體，試確定其在圖中的位置。冷卻時該熔體在何溫度下開始析出晶體？</p><p>　　解：M點的位置如下圖所示， M 點所在溫度約 1050 ℃ ， 1050 ℃ 開始析晶。</p>

23、;<p>　　6-29根據(jù)圖6-17回答下列問題：（l）說明化合物S1、S2的性質；（2）在圖中劃分副三角形及用箭頭指示出各界線的溫度下降方向及性質；（3）指出各無變量點的性質并寫出各點的平衡關系；（4）寫出1、3組成的熔體的冷卻結晶過程；（5）計算熔體1結晶結束時各相百分含量，若在第三次結晶過程開始前將其急冷卻（這時液相凝固成為玻璃相），各相的百分含量又如何？（用線段表示即可）；（6）加熱組成2的三元混合物將于哪一點溫度

24、開始出現(xiàn)液相？在該溫度下生成的最大液相量是多少？在什么溫度下完全熔融？寫出它的加熱過程。</p><p>　　解：（1）S1為一致熔融二元化合物，S2為不一致熔融化合物。</p><p><b>　　（2）如圖所示。</b></p><p>　?。?）E 低共熔點 </p><p>　　P1 單轉熔點 <

25、;/p><p>　　P2 單轉熔點 </p><p>　?。?）1組成的熔體的冷卻結晶過程</p><p>　　3組成的熔體的冷卻結晶過程</p><p>　　（5）熔體1結晶結束時各相百分含量</p><p>　　在第三次結晶過程開始前將其急冷卻，各相的百分含量</p><p>　?。?）在

26、P2點對應的溫度開始出現(xiàn)液相，在該溫度下出現(xiàn)的最大液相量為：</p><p>　　在2點對應的溫度下完全熔融。</p><p><b>　　組成2加熱過程：</b></p><p>　　圖6-17 圖6-18</p><p>　　6-30根據(jù)圖6-18回答

27、下列問題：（1）說明化合物S的熔融性質，并分析相圖中各界線上溫度變化的方向以及界線和無變量點的性質；（2）寫出組成點為1、2、3及4各熔體的冷卻結晶過程；（3）分別將組成為5和組成為6的物系，在平衡的條件下加熱到完全熔融，說明其固液相組成的變化途徑。</p><p>　　解：（1）化合物S為不一致熔融三元化合物；P1E、P2E均為共熔界線，P1P2為轉熔界線；無變量點E為低共熔點，P1、P2均為單轉熔點。<

28、/p><p>　　（2）組成點為1的熔體的冷卻結晶過程：</p><p>　　組成點為2的熔體的冷卻結晶過程：</p><p>　　組成點為3的熔體的冷卻結晶過程：</p><p>　　組成點為4的熔體的冷卻結晶過程：</p><p>　?。?）組成為5物系的熔融過程：</p><p>　　組成為6

29、物系的熔融過程：</p><p>　　6-31根據(jù)圖6-19回答下列問題：（1）用箭頭標出各界線的溫度下降方向并說明界線性質；（2）指出各無變量點E、P、R、Q的性質，并寫出其相平衡關系；（3）寫出熔體M的結晶過程，說明液相離開R點的原因；（4）畫出 AB、BC二元系統(tǒng)相圖。</p><p>　　解：（1）界線Ee2、e1P、ab、PE、RE、QR、e3Q均為共熔界線，界線aP、bR為轉熔

30、界線。</p><p>　?。?）E 低共熔點 </p><p><b>　　P 單轉熔點 </b></p><p>　　Q 過渡點 </p><p>　?。?）熔體M的結晶過程：</p><p>　　熔體M在副△BCS內(nèi)，其結晶結束點應在E點，所以液相離開R點。</p>

31、;<p><b>　　圖6-19</b></p><p>　　6-32比較各種三元無變量點（低共熔點，單轉熔點，雙轉熔點，過渡點和多晶轉變點）的特點，寫出它們的平衡關系。</p><p>　　解：低共熔點指是一種無變量點，系統(tǒng)冷卻時幾種晶相同時從熔液中析出，或加熱時同時融化。相平衡關系為L（E）</p><p>　　若無變量點處于

32、交叉位置的是單共熔分別點，在共軛位置的是雙轉熔點。相轉變關系為，</p><p>　　過渡點就是轉熔性質和共熔性質轉變的點，無對應三角形，相平衡的三晶相組成在一條直線上。</p><p>　　多晶轉變點兩種或者三種晶型發(fā)生晶型轉變的溫度點。</p><p>　　6-38如圖6-25為CaO－Al2O3－SiO2系統(tǒng)的富鈣部分相圖，若原始液相組成位于硅酸鹽水泥的配料圈

33、內(nèi)，并恰好在CaO和C3S初相區(qū)的邊界曲線上。（1）分析此液相組成的結晶過程；（2）在緩慢冷卻到無變量點K的溫度1455℃時急劇冷卻到室溫，則最終獲得哪些相，各相含量多少？</p><p>　　圖6-25 CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)高鈣區(qū)部分相圖</p><p><b>　　解：（1） ， </b></p><p>　?。?） 溶體平

34、衡冷卻得到產(chǎn)物是C2S，C3S和C3A，其固相組成點為P點，各晶相可根據(jù)P點在△C2S—C3S—C3A中的位置按雙線法求得，C2S=14.6%,C3S=63.9%，C3A=21.5%。實際生產(chǎn)過程中有可能會產(chǎn)生玻璃相。</p><p>　　6-39見圖6-25，已知H點的溫度1470℃，K點溫度1455℃，F(xiàn)點溫度1355℃。今取配料成分恰為無變量點H的組成，在充分平衡條件下，問：（l）加熱該配料混合物，什么溫度

35、開始出現(xiàn)液相？（2）要使物料全部熔融，至少要加熱到多高溫度？（3）寫出該配合料的加熱過程相平衡表達式。</p><p>　　解： （1） 1335℃</p><p><b>　?。?）1455℃</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　6-40如圖6-25，配

36、料P的液相在無變量點K發(fā)生獨立析晶，最終在低共熔點F結束結晶。問此時所獲得的C3S、C2S、C3A和C4AF四種晶相的含量各為多少？如果在F點仍未達到充分平衡，殘留液相能否離開F點向其它無變量點繼續(xù)轉移？為什么？</p><p>　　解： 配料P的液相在無變量點K發(fā)生獨立析晶，最終在低共熔點F結束結晶，所獲得C3S為63.9%，C2S為14.6%，C3A和C4AF為21.5%。</p><p&

37、gt;　　獨立析晶過程也不一定會進行到底，由于冷卻速度較快，還可能使熟料中殘留玻璃相，這樣的話殘留玻璃相有可能離開F點向其它無變量點繼續(xù)轉移。</p><p>　　6- 43參看CaO－A12O3－SiO2系統(tǒng)相圖（圖6-27），回答下列問題：（1）組成為 66％CaO、26％SiO2、8％A12O3的水泥配料將于什么溫度開始出現(xiàn)液相？這時生成的最大液相量是多少；（2）為了得到較高的C3S含量，（1）中組成的水泥

38、燒成后急冷好．還是緩冷讓其充分結晶好？（3）欲得到（l）中組成的水泥，若只用高嶺土和石灰石（A12O3·2SiO2·2H2O和CaCO3）配料，能否得到該水泥的組成點？為什么？若不能，需要加入何種原料？并計算出所需各種原料的百分含量。</p><p>　　圖6-27 CaO－Al2O3－SiO2系統(tǒng)相圖</p><p>　　解：（1） k 點開始出現(xiàn)液相，溫度為 14

39、55 ℃ ,連接 3k 交 CaO-C3S 線于 6 點 ,</p><p>　　L%=，線段長度可直接量取。</p><p>　　（2）急冷好， k 點將進行轉熔過程 </p><p>　　這樣C3S量會減少，急冷使轉熔過程來不及進行，從而提高C3S含量</p><p>　?。?） AS2與CaCO3配料，不能得到 3 點礦物組成<

40、/p><p>　　3 點組成 66 CaO 1.179mol 26 SiO2 0.433mol 8 Al203 0.078mol化成 mol% 69.76% 25.62% 4.62% SiO2 mol%/ Al203 mol%=5.55</p><p>　　題目組成點 Al203 · 2SiO2 · 2H2O 與CaCO3配料， SiO2 mol%/Al203 mo

41、l%=2 ：1，二者比較， SiO2 量不夠，所以需加入 SiO2 。 </p><p>　　設配料 100g ，含有66g CaO ， 26g SiO2 ， 8g Al203，66g CaO 化成CaCO3量 66/56 × 100=117.86g</p><p>　　8g Al203 化成 Al203 · 2SiO2 · 2H2O 量 8/102 

42、5; 258=20.24g</p><p>　　AS2 · 2H2O 提供 SiO2 8/102 × 2 × 60=9.41g</p><p>　　還需 SiO2 量 20.24-9.41=10.83g，CaCO3 wt%=79.14% ，AS2· 2H2O wt%=13.59% ， SiO2 wt%=7.27%</p><p&g

43、t;　　6-44根據(jù)Na2O－CaO－SiO2系統(tǒng)相圖（圖6-28）回解：（1）組成為13％Na2O，13％CaO，74％SiO2玻璃配合料將于什么溫度熔化？在什么溫度完全熔融？（2）上面組成的玻璃，當加熱到1050℃、1000℃、900℃、800℃時，可能會析出什么晶體？（3）NC3S6晶體加熱時是否會不一致熔化？分解出什么晶體，熔化溫度如何？</p><p>　　圖6-28 Na2O－CaO－SiO2系統(tǒng)相

44、圖</p><p>　　解：（1）該點位于△NC3S6 -NCS5 -SiO2 中， Q 點附近β -CS 初晶區(qū)對應無變量H 點 1:3:6+ α-石英 +L 1:1:5， 配料在 827 ℃熔化，完全熔化為 1050 ℃左右</p><p>　?。?）加熱到 1050 ℃ L→ β-CS，1000 ℃ L→1:3:6+ α-鱗石英，900 ℃ L→1:3:6+ α-石英，800 ℃ 加

45、熱到 800 ℃時未熔化，冷卻到 800 ℃時三個晶相 1:3:6 1:1:5</p><p>　?。?）NC3S6 加熱是不一致熔融，加熱分解</p><p>　　1:3:6 析晶，先析出α-CS ，α -CS →β-CS ， RQ 線上 L+ β-CS→1:3:6</p><p>　　1:3:6 加熱到 RQ 界線與 CS-1:3:6 交點溫度開始熔化（105

46、0 ℃左右）分解出β-CS</p><p>　　6-45在陶瓷生產(chǎn)中一般出現(xiàn) 35％液相就足以使瓷坯玻化，而當液相達到45％時，將使瓷坯變形，成為過燒。根據(jù)MgO－A12O3－SiO2系統(tǒng)相圖（圖6-29）具體計算含10％偏高嶺石、90％偏滑石的配料的燒成溫度范圍。</p><p>　　圖6-29 MgO－Al2O3－SiO2系統(tǒng)高硅部分相圖</p><p>　　

47、解：組成點確定下來，圖中 M 點，△ MS-M 2 Al2S35 -SiO2 對應無變量點 1 點（1355 ℃）加熱該組成點，于 1 點開始出現(xiàn)液相，液相組成點在 MS 與 SiO2 界線上移動，固相組成點在 MS-SiO2 連線上變化，以 M 點為支點連成杠桿，當 L%=35% 時，對應溫度 1390 ℃， L%=45% 時，對應溫度 1430 ℃，燒成溫度范圍為 1390 ～ 1430 ℃。</p><p>

48、;　　6-46根據(jù)K2O－A12O3－SiO2系統(tǒng)相圖（圖6-30），計算含50％高嶺石、30％長石、20％石英的一個瓷器配方在1250℃燒成達到平衡時的相組成及各相的相對量。</p><p>　　圖6-30 K2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖</p><p>　　解： 50%AS2 30%KAS6 20%SiO2 組成點在△ QWD 中 3 點， 3 點位于初晶區(qū)，對應 E 點

49、結晶結束 985 ℃ L SiO2 +A3S2 + KAS 6 ，加熱組成為 3 物質，于 E 點開始出現(xiàn)液相</p><p>　　升溫于 1250 ℃時，固相中有 SiO2 ·A3S2 及 L 相，液相組成點在莫來石與石英界線上（與 1250 ℃等溫線交點），固相組成點在 SiO2 與A3S2 連線上，用杠桿規(guī)則計算。</p><p>　　6-47根據(jù)K2O－A12O3－SiO

50、2系統(tǒng)相圖（圖6-30），如果要使瓷器中僅含有40％莫來石晶相及60％的玻璃相，原料中應含K2O多少？若僅從長石中獲得，K2O原料中長石的配比應是多少？</p><p>　　解： 40%A3S2 + 60% 液相。 原始組成點在A3S2 初晶區(qū)，在A3S2 組點與 E 點連線上，在圖中 12 點附近，過原始組成點做△ SiO2 -K20-Al203 各邊平行線，確定出K2O 、 SiO2 、Al203百分含量&l

51、t;/p><p>　　K2O：wt%=4.12% Al203 :wt%=27.06% SiO2: wt%=68.82%</p><p>　　長石K2O ·Al203· 6SiO2 （94+102+360=556）</p><p>　　僅從長石中獲得K2O</p><p>　　100gK2O: 4.12g Al203: 27.0

52、6g SiO2: 68.82g</p><p>　　4.12gK2O 化成長石 4.12/94 × 556=24.34g</p><p>　　24.34g 長石提供Al203 4.47g SiO2 15.79g</p><p>　　另需加Al203: 27.06-4.47=22.59g SiO2: 68.82-15.79=53.03</p>

53、<p><b>　　長石 </b></p><p>　　6-48高鋁水泥的配料通常選擇在CA相區(qū)范圍內(nèi)，生產(chǎn)時常燒至熔融后冷卻制得，高鋁水泥主要礦物為CA，而C2AS沒有水硬性，因此希望水泥中不含C2AS。這樣在CA相區(qū)內(nèi)應取什么范圍的配料才好，為什么（注意生產(chǎn)時不可能完全平衡，可能會出現(xiàn)獨立結晶過程）？</p><p>　　解：高鋁水泥具有快速硬化的特性，

54、在國防工業(yè)中有廣泛的應用，配料范圍在Al2O335%～55%,CaO35%～45%,SiO25%～10%,Fe2O30～15%。這樣可以防止C2AS的產(chǎn)生。</p><p>　　6-49對某硅酸鹽水泥進行巖相分析，得知熔劑礦物中C3A先于C4AF析出晶相，問此配方是高鋁配方（P＞l.38），還是高鐵配方（P＜1.38）？對于這兩種不同配料在燒成帶的降溫速度應如何控制？</p><p>　　

55、解： 是高鋁配方（P>1.38）。鋁氧率P>1.38的配料，其溶體冷卻經(jīng)過KT2界線時液相要回收C3S，析出C2S和C3A。因此，當熟料在燒成帶內(nèi)緩慢降溫，使冷卻過程接近平衡狀態(tài)時，將有部分C3S被回收，這對水泥質量不利。所以對P>1.38的配料，在燒成帶的冷卻過程中應采取極冷的方法。鋁氧率P<1.38的配料，其溶體冷卻析晶過程要經(jīng)過WT2界線，在該界線上液相回吸C2S，析出C3S和C4AF，因此，熟料冷卻速度愈