無機材料科學基礎課后答案-資料下載頁

　　

【正文】 適當的水混合均勻制成泥團，該泥團受到高于某一個數值剪應力作用后，可以塑造成任何形狀，當去處應力泥團能保持其形狀，這種性質稱為可塑性。影響因素有：，礦物組成不同，顆粒間的作用力也不同。,陽離子的電價越高可塑性越好。，顆粒越細，比表面積越大，顆粒間的接觸點越多，則可塑性增加。生產上可以增大礦物組分的比表面積來增大電細管力，從而增大可塑性；也可增大或減小吸附的陽離子的電價，從而改變粘土可塑性；或者將礦物的顆粒減小增大接觸點來增大粘土的可塑性；第六章答案61略。62什么是吉布斯相律？它有什么實際意義？解：相律是吉布斯根據熱力學原理得出的相平衡基本定律，又稱吉布斯相律，用于描述達到相平衡時系統中自由度數與組分數和相數之間的關系。一般形式的數學表達式為F＝C－P＋2。其中F為自由度數，C為組分數，P為相數，2代表溫度和壓力兩個變量。應用相率可以很方便地確定平衡體系的自由度數。63固體硫有兩種晶型，即單斜硫、斜方硫，因此，硫系統可能有四個相，如果某人實驗得到這四個相平衡共存，試判斷這個實驗有無問題？解：有問題，根據相律，F=CP+2=1P+2=3P，系統平衡時，F=0，則P=3，硫系統只能是三相平衡系統。　　圖61　　　　　　　　　　　　　圖6264如圖61是鈣長石（CaAl2Si2O）的單元系統相圖，請根據相圖回解：（1）六方、正交和三斜鈣長石的熔點各是多少？（2）三斜和六方晶型的轉變是可逆的還是不可逆的？你是如何判斷出來的？（3）正交晶型是熱力學穩定態？還是介穩態？解：（1）六方鈣長石熔點約1300℃（B點），正鈣長石熔點約1180℃（C點），三斜鈣長石的熔點約為1750℃（A點）。（2）三斜與六方晶型的轉變是可逆的。因為六方晶型加熱到轉變溫度會轉變成三斜晶型，而高溫穩定的三斜晶型冷卻到轉變溫度又會轉變成六方晶型。（3）正交晶型是介穩態。65圖62是具有多晶轉變的某物質的相圖，其中DEF線是熔體的蒸發曲線。KE是晶型I的升華曲線；GF是晶型II的升華曲線；JG是晶型III的升華曲線，回答下列問題：（1）在圖中標明各相的相區，并寫出圖中各無變量點的相平衡關系；（2）系統中哪種晶型為穩定相？哪種晶型為介穩相？（3）各晶型之間的轉變是可逆轉變還是不可逆轉變？解：（1）KEC為晶型Ⅰ的相區，EFBC過冷液體的介穩區，AGFB晶型Ⅱ的介穩區，JGA晶型Ⅲ的介穩區，CED是液相區，KED是氣相區；（2）晶型Ⅰ為穩定相，晶型Ⅱ、Ⅲ為介穩相；因為晶型Ⅱ、Ⅲ的蒸汽壓高于晶型Ⅰ的，即它們的自由能較高，有自發轉變為自由能較低的晶型Ⅰ的趨勢；（3）晶型Ⅰ轉變為晶型Ⅱ、Ⅲ是單向的，不可逆的，多晶轉變點的溫度高于兩種晶型的熔點；晶型Ⅱ、Ⅲ之間的轉變是可逆的，雙向的，多晶轉變點溫度低于Ⅱ、Ⅲ的熔點。66在SiO2系統相圖中，找出兩個可逆多晶轉變和兩個不可逆多晶轉變的例子。解：可逆多晶轉變：β石英←→α石英α石英←→α鱗石英不可逆多晶轉變：β方石英←→β石英γ鱗石英←→β石英67C2S有哪幾種晶型？在加熱和冷卻過程中它們如何轉變？βC2S為什么能自發地轉變成γC2S？在生產中如何防止βC2S轉變為γC2S？解：C2S有、四種晶型，它們之間的轉變如右圖所示。由于βC2S是一種熱力學非平衡態，沒有能穩定存在的溫度區間，因而在相圖上沒有出現βC2S的相區。C3S和βC2S是硅酸鹽水泥中含量最高的兩種水硬性礦物，但當水泥熟料緩慢冷卻時，C3S將會分解，βC2S將轉變為無水硬活性的γC2S。為了避免這種情況的發生，生產上采取急冷措施，將C3S和βC2S迅速越過分解溫度或晶型轉變溫度，在低溫下以介穩態保存下來。68今通過實驗測得如圖63所示的各相圖，試判斷這些相圖的正確性。如果有錯，請指出錯在何處？并說明理由。圖63解：第一圖錯，B組元有一個固定的熔點，因此液相線和固相線在B側應交于一點。第二圖錯，A、B組元具有一個低共熔點，因此A、B的兩條液相線應交于一點。第三圖錯，析晶過程中，達到共熔點后，系統進入低共熔過程，從液相中析出固溶體α、β，系統進入三相平衡狀態，系統的溫度不能變，因此中間的那條線應與AB平行。第四圖錯，具有低共熔點的有限固溶體二元系統相圖中γ固溶體不可能存在。第五圖錯，具有轉熔點的有限固溶體二元系統相圖中γ固溶體不可能存在。69根據圖64所示的二元系統相圖回解：（1）注明各相區；（2）寫出無變量點的性質及其相平衡關系；（3）寫出M1和M2熔體的平衡冷卻析晶過程；（4）計算從熔體剛冷至TP溫度及離開TP溫度時系統中存在各相的百分含量。解：（1）相區如圖所示：（2）轉熔點P：低共熔點E：（3）液：固：圖64液：固：（4）點，剛到時離開時，點，剛到時離開時，610圖65為具有一個不一致熔融化合物的二元系統，在低共熔點E發生如下析晶的過程：LA＋AmBn。E點B含量為20％，化合物AmBn含B量為64％，今有C1和C2兩種配料，其配料點分置于E點兩側。，且在達低共熔點溫度前的冷卻析晶過程中，從該二配料中析出的初晶相含量相等。試計算C1和C2的組成。圖65解：設A－B二元相圖中組成以質量百分數表示。和兩種配料量均為G（kg）。據題意，初相在低共溶點前析出，則和二配料組成必在AP之間（若在PB之間，初相比在轉熔點P前析出）。又該二配料組成不同，而析出的初相含量相等，可知二配料點一定分置于低共溶點E兩側，析出初相分別為和A。設含B的量為x%,含B量為y%,則根據桿杠規則可以建立下面方程：解聯立方程，得x=26%,y=%。所以，組成為含B的量26%，%611圖66是一個未完成的具有一個不一致熔化合物并形成固溶體的二元系統相圖。請根據已給出的諸點完成此相圖的草圖。解：草圖如下：圖66612已知A和B兩組成構成具有低共熔點的有限固溶體的二元系統。試根據下列實驗數據繪制粗略相圖。已知A的熔點為1000℃，B熔點為700℃。含B為25mol％的試樣在500℃完全凝固，％初晶相SA（B）％（SA（B）＋SB（A））共生體。含B為50mol％的試樣在同一溫度下凝固完畢，其中含40mol％初晶相SA（B）和60mol％（SA（B）＋SB（A））共生體，而SA（B）相總量占晶相總量的50％。實驗數據均在達到平衡狀態時測定。解：因a、b點溫度及低共熔溫度已知，欲繪此相圖之草圖，關鍵是求出C、E、D三點之組成。由于二個試樣析出初晶相均為，且在同一溫度下凝固完畢（此溫度顯然即低共熔溫度，可知該二試樣的組成必都落在CE間。設C點含B量為x,E點含B量為z。根據題意借助杠桿規則可以獲得下面關系式。解上述聯立方程，得x=,y=,z=,據此，,。這樣相圖中C、E、D位置可以找到，從而繪出相圖的草圖如下：613根據Al2O3－SiO2系統相圖說明：（1）鋁硅質耐火材料：硅磚（含SiO2＞98％）、粘土磚（含Al2O335％～50％）、高鋁磚（含Al2O360％～90％）、剛玉磚（含Al2O3＞90％）內，各有哪些主要的晶相？（2）為了保持較高的耐火度，在生產硅磚時應注意什么？（3）若耐火材料出現40％的液相便軟化不能使用，試計算含40mol％Al2O3的粘土磚的最高使用溫度。解：（1）硅磚（含SiO298%）主要晶相：SiO2Al2032SiO3固溶體（莫來石），粘土磚（含Al20335～50%）主要晶相：SiOA3S2，高鋁磚（含Al20360～90%）主要晶相：60～72%A3S272～90%Al20A3S2。（2）為了保持硅磚的耐火度，要嚴格防止原料中混如Al203。SiO2熔點為1723℃，SiO2液相很陡，加入少量的Al203后，硅磚中會產生大量的液相，SiO2的熔點劇烈下降。如加入1wt%Al203，在低共熔點（1595℃）時產生的液相量為1/=%，會使硅磚的耐火度大大下降；（3）根據相圖，當出現40%液相時，由桿杠規則可知，得x=,在相圖中作出析晶路線，可以估計出粘土磚的最高溫度約為1670℃。Al2O3－SiO2系統相圖614根據CaO－SiO2系統相圖回答下列問題：（1）若以含CaO80％的熔體1000g冷卻到2150℃以后（溫度即將離開2150℃時），會獲得何種產物？這些產物的量各為多少？（2）若以CaO、SiO2二組元配料，加熱至熔融后再冷卻，要求產物中只有C2S和C3S，則配料范圍應選在哪里？若平衡冷卻能達到目的嗎？為什么？應采取什么措施？解：CaO－SiO2系統如下：CaO－SiO2系統相圖（1）根據上圖，可知，含CaO80％的熔體1000g冷卻到即將離開轉熔點M時（2150℃），產物為C3S和CaO，根據桿杠規則可知：C3S為，CaO為。（2）若要求產物中只有C2S和C3S，據相圖可知，配料范圍應選在含CaO65%～74%之間。平衡冷卻不能達到目的，因為平衡冷卻得到的是C2S和CaO，為使產物只有C2S和C3S，應在溫度降至1250℃急冷。615在CaO－SiO2和Al2O3－SiO2系統中，SiO2的液相線都很陡，解釋為什么在硅磚生產中可摻入少量CaO做礦化劑不會降低硅磚的耐火度，而在硅磚中卻要嚴格防止混入Al2O3，否則便會使硅磚耐火度大大下降。解：SiO2中加入少量的CaO，在低共熔點1436℃時，液相量為2/37=%，液相量增加不多，不會降低硅磚的耐火度，故可加少量CaO作礦化劑。616加熱粘土礦物高嶺石（Al2O32SiO22H2O）至600℃時，高嶺石分解為水蒸氣和Al2O32SiO2，繼續加熱到1595℃時會發生什么變化？在該溫度下長時間保溫達到平衡，系統的相組成如何？當系統生成40％液相時，應達到什么溫度？在什么溫度下該粘土完全熔融？解：Al2O32SiO2H2OAl2O32SiO2+H2OAl2O32SiO2相圖中SiO2%=33%mol（1）加熱到1595℃時，生成A3S2（2）1595℃長時間保溫，系統中為液相和A3S2，L%==%（3）完全熔融即固相完全消失，應為33%直線與液相線交點處溫度。617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％，而且知道液相量是物系總量的70％，求原始熔體的組成。解：％；％618指出圖67所示一些三元系統相圖中的錯誤，并說明理由。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的初晶區不可能延伸到YZ邊上。圖67619請劃分圖68所示四個相圖中的副三角形。圖68解：如下圖所示620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％、C＝70％；P：A＝70％、B＝20％、C＝10％。若將3kgM、2kgN和5kgP混合，試根據杠桿規則用作圖法找出新配料Q的組成點位置。解：如圖所示621圖69是最簡單的三元系統投影圖，圖中等溫線從高溫到低溫的次序是：t5＞t4＞t3＞t2＞t1，根據此投影圖回解：（1）三個組元A、B、C熔點的高低次序是怎樣排列的？（2）各液相面的陡勢排列如何？哪個最陡？哪個最平坦？（3）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生的變化過程）解：（1）熔點：TB＞TA＞TC（2）B最陡，C次之，A最平坦；（3）如圖所示，在M點所在的溫度下開始析晶，析晶過程如下：圖69　　　　　　　　　圖610622圖610為ABC三元系統相圖，根據此相圖：（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；（4）判斷各無變量點的性質，并寫出相平衡關系式。解：（1）K為一致熔融三元化合物；D為一致熔融二元化合物。（2）如圖所示。（3）如圖所示。（4）無變量點M、N、O、P均為低共熔點，向平衡關系如下：MNOP623試分析圖611上配料點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中發生的相變化和自由度數的變化）。解：1點冷卻析晶過程：2點冷卻析晶過程：3點冷卻析晶過程：圖611　　　　　　　　　　　　圖612624圖612所示為生成一個三元化合物的三元系統相圖。（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。解：（1）N為不一致熔融三元化合物（2）如圖所示（3）副△ACN對應M低共熔點副△BCN對應L低共熔點副△ABN對應K單轉熔點（4）1的結晶過程：2的結晶過程：625根據圖613三元系統相圖：（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MM2和M3的冷卻析晶過程，并總結判斷結晶產物和結晶結束點的規則；（3）加熱組成為M4的混合物，將于什么溫度出現液相？在該溫度下出現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。解：（1）E為低共熔點P為單轉熔點（2）①熔體M1的冷卻析晶過程：②熔體M2的冷卻析晶過程：③熔體M3的冷卻析晶過程：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物；三晶相對應的初晶區所包圍的無變量點為結晶結束點。（3）加熱組成為M4的混合物，將于E點對應的溫度出現液相。在該溫度下出現的最大液相量為，在M4點對應的溫度下完全熔融。加熱過程相平衡表達式：圖613　　　　　　　　　　　　　圖614