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1、第六章答案6-1略。6-2什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。一般形式的数学表达式为FCP2。其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。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？解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0，则P=3，硫系统只能是三相平衡系统。图6-1图6-26-4如图6
2、-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（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？解：（1）六方钙长石熔点约1300（B点），正钙长石熔点约1180（C点），三斜钙长石的熔点约为1750（A点）。（2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。因为六方晶型加热到转变温度会转变成三斜晶型，而高温稳定的三斜晶型冷却到转变温度又会转变成六方晶型。（3）正交晶型是介稳态。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
3、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？解：（1）KEC为晶型的相区，EFBC过冷液体的介稳区，AGFB晶型的介稳区，JGA晶型的介稳区，CED是液相区，KED是气相区；（2）晶型为稳定相，晶型、为介稳相；因为晶型、的蒸汽压高于晶型的，即它们的自由能较高，有自发转变为自由能较低的晶型的趋势；（3）晶型转变为晶型、是单向的，不可逆的，多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点；晶型、之间的转变是可逆的，双向的，多晶转变点温度低于、
4、的熔点。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。解：可逆多晶转变：-石英-石英-石英-鳞石英不可逆多晶转变：-方石英-石英-鳞石英-石英6-7C2S有哪几种晶型？在加热和冷却过程中它们如何转变？-C2S为什么能自发地转变成-C2S？在生产中如何防止-C2S转变为-C2S？解：C2S有、四种晶型，它们之间的转变如右图所示。由于-C2S是一种热力学非平衡态，没有能稳定存在的温度区间，因而在相图上没有出现-C2S的相区。C3S和-C2S是硅酸盐水泥中含量最高的两种水硬性矿物，但当水泥熟料缓慢冷却时，C3S将会分解，-C2S将转变为无水硬活性的-C2S。为了避免这种
5、情况的发生，生产上采取急冷措施，将C3S和-C2S迅速越过分解温度或晶型转变温度，在低温下以介稳态保存下来。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解：第一图错，B组元有一个固定的熔点，因此液相线和固相线在B侧应交于一点。第二图错，A、B组元具有一个低共熔点，因此A、B的两条液相线应交于一点。第三图错，析晶过程中，达到共熔点后，系统进入低共熔过程，从液相中析出固溶体、，系统进入三相平衡状态，系统的温度不能变，因此中间的那条线应与AB平行。第四图错，具有低共熔点的有限固溶体二元系统相图中固溶体不可能存在。第五图错，具有转熔
6、点的有限固溶体二元系统相图中固溶体不可能存在。6-9根据图6-4所示的二元系统相图回解：（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。解：（1）相区如图所示：（2）转熔点P：低共熔点E：（3）液：固：图6-4液：固：（4）点，刚到时离开时，点，刚到时离开时，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：LAAmBn。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C
7、2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6-5解：设AB二元相图中组成以质量百分数表示。和两种配料量均为G（kg）。据题意，初相在低共溶点前析出，则和二配料组成必在AP之间（若在PB之间，初相比在转熔点P前析出）。又该二配料组成不同，而析出的初相含量相等，可知二配料点一定分置于低共溶点E两侧，析出初相分别为和A。设含B的量为x%,含B量为y%,则根据杆杠规则可以建立下面方程：解联立方程，得x=26%,y=17.3%。所以，组成为含B的量26%，组成为含B17.3%6-11图6-6是一个未完成的具有一个不一致熔化合物
8、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。解：草图如下：图6-66-12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。解：因a、b点温度及低共熔温度已知，欲绘此相图之草图，关键是求出C、E
9、、D三点之组成。由于二个试样析出初晶相均为，且在同一温度下凝固完毕（此温度显然即低共熔温度，可知该二试样的组成必都落在CE间。设C点含B量为x,E点含B量为z。根据题意借助杠杆规则可以获得下面关系式。解上述联立方程，得x=0.051,y=0.799,z=0.949,据此，可确定C点含B量0.05mol,E点含B量为0.80mol,D点含B量为0.95mol。这样相图中C、E、D位置可以找到，从而绘出相图的草图如下：6-13根据Al2O3SiO2系统相图说明：（1）铝硅质耐火材料：硅砖（含SiO298）、粘土砖（含Al2O33550）、高铝砖（含Al2O36090）、刚玉砖（含Al2O390）内
10、，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40molAl2O3的粘土砖的最高使用温度。解：（1）硅砖（含SiO298%）主要晶相：SiO2、2Al2032SiO3固溶体（莫来石），粘土砖（含Al2033550%）主要晶相：SiO2、A3S2，高铝砖（含Al2036090%）主要晶相：6072%A3S27290%Al203、A3S2。（2）为了保持硅砖的耐火度，要严格防止原料中混如Al203。SiO2熔点为1723，SiO2液相很陡，加入少量的Al203后，硅砖中会产生大量的液相，SiO2的熔点剧烈下降。如加入
11、1wt%Al203，在低共熔点（1595）时产生的液相量为1/5.5=18.2%，会使硅砖的耐火度大大下降；（3）根据相图，当出现40%液相时，由杆杠规则可知，得x=0.1,在相图中作出析晶路线，可以估计出粘土砖的最高温度约为1670。Al2O3SiO2系统相图6-14根据CaOSiO2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？解：CaO
12、SiO2系统如下：CaOSiO2系统相图（1）根据上图，可知，含CaO80的熔体1000g冷却到即将离开转熔点M时（2150），产物为C3S和CaO，根据杆杠规则可知：C3S为，CaO为。（2）若要求产物中只有C2S和C3S，据相图可知，配料范围应选在含CaO65%74%之间。平衡冷却不能达到目的，因为平衡冷却得到的是C2S和CaO，为使产物只有C2S和C3S，应在温度降至1250急冷。6-15在CaOSiO2和Al2O3SiO2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
13、。解：SiO2中加入少量的CaO，在低共熔点1436时，液相量为2/37=5.4%，液相量增加不多，不会降低硅砖的耐火度，故可加少量CaO作矿化剂。6-16加热粘土矿物高岭石（Al2O32SiO22H2O）至600时，高岭石分解为水蒸气和Al2O32SiO2，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？解：Al2O32SiO2H2OAl2O32SiO2+H2OAl2O32SiO2相图中SiO2%=33%mol（1）加热到1595时，生成A3S2（2）1595长时间保温，系统中为液相和A3S
14、2，L%=21.8%（3）完全熔融即固相完全消失，应为33%直线与液相线交点处温度。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。解：MgO45.5；Al2O354.56-18指出图6-7所示一些三元系统相图中的错误，并说明理由。解：（a）此相图上等界线相应的连线可将图面划分成五个副三角形，但是只有四个无变量点，这是不可能的。事实上三元化合物XYZ的初晶区不可能延伸到YZ边上。图6-76-19请划分图6-8所示四个相图中的副三角形。图6-8解：如下图所示6-20在浓度三
15、角形中画出下列配料的组成点的位置。M：A10、B70、C20；N：A10、B20、C70；P：A70、B20、C10。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。解：如图所示6-21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：t5t4t3t2t1，根据此投影图回解：（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65A、15B、20C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）解：（1）熔点：TBTATC（2）B最陡，C次之，A最平坦；（3）如图所示，在M点所在的温度下开始析晶，析晶过程如下：图6-9图6-106-22图6-10为ABC三元系统相图，根据此相图：（l）
