Вариант 9

С помощью диаграммы состояния системы Na₂O – B₂O₃ (рис. 11) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 80% B₂O₃ и 20% Na₂O; б) 60% B₂O₃ и 40% Na₂O.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Определите соотношение между фазами, полученными при полной кристаллизации расплава состава 60% B₂O₃ и 40% Na₂O.

4. При какой температуре в смеси состава 55% B₂O₃ и 45% Na₂O образуется 30% жидкой фазы?

5. Сколько химических соединений образуется в данной системе? Какое из соединений плавится инконгруэнтно? Опишите процесс плавления данного соединения.

Вариант 10

С помощью диаграммы состояния системы BaTiO₃ – SiO₂ (рис. 12) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% BaTiO₃ и 80% SiO₂; б) 5% BaTiO₃ и 95% SiO₂.

2. Определите, каким должен быть состав исходной смеси для получения керамики, состоящей из 60% BaTiO₃ и 40% BaTiSiO₅ .

3. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 60% BaTiO₃ и 40% SiO₂, до температуры 1300°С и при полной кристаллизации после завершения всех фазовых превращений.

5. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 10% BaTiO₃ и 90% SiO₂ при 1600°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

Вариант 11

С помощью диаграммы состояния системы BeF₂ – LiF (рис. 13) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% LiF и 80% BeF₂; б) 40% LiF и 60% BeF₂.

2. Определите количество фаз, образовавшихся в смеси состава 30% LiF и 70% BeF₂ при 300°С.

3. Смесь содержит 60% BeF₂ и 40% LiBe₂F₅. При какой температуре в процессе нагревания смеси образуется 50% жидкой фазы? Какое количество жидкости появится при нагревании до температуры эвтектики?

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

5. Исходная смесь содержит 90% LiF и 10% BeF₂. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации.

Вариант 12

С помощью диаграммы состояния системы CaO·SiO₂ – ВaO·SiO₂ (рис. 14) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 50% ВaO·SiO₂ и 50% CaO·SiO₂; б) 80% ВaO·SiO₂ и 20% CaO·SiO₂.

2. Определите температуру, при которой в смеси, имеющей состав 20% ВaO·SiO₂ и 80% CaO·SiO₂, соотношение жидкой и твердой фаз будет составлять 2 : 1.

3. Определите состав исходной смеси, из которой при охлаждении выделится 30% ВaO·SiO₂ и 70% 2CaO·ВaO·3SiO₂.

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектической и перитектической точкам.

5. Опишите процесс плавления химического соединения 2CaO·ВaO·3SiO₂.

Рис. 3 Диаграмма состояния системы MgO – SiO₂

Обозначения: Ф – форстерит; Кл – клиноэнстатит

Рис. 4 Диаграмма состояния системы Li₂O – SiO₂

Рис. 5 Диаграмма состояния системы Na₂O – SiO₂.

Обозначения: I, II, III –полиморфные формы дисиликата натрия

Рис. 6 Диаграмма состояния системы Al₂O₃ – SiO₂

Рис. 7 Диаграмма состояния системы ZnO – SiO₂

Обозначения: К – кристобаллит; Т – тридимит

Рис. 8 Диаграмма состояния системы CaO – Fe₂O₃

Обозначения: М – магнетитовый твердый раствор;

Г₁ – гематит; Г₂ – гематитовый твердый раствор

Рис. 9 Диаграмма состояния системы K₂O – SiO₂

Рис. 10 Диаграмма состояния системы CaO – Al₂O₃

Рис. 11 Диаграмма состояния системы Na₂O – B₂O₃

Рис. 12 Диаграмма состояния системы BaTiO₃ – SiO₂.

Обозначения: BaTiO₃(I); BaTiO₃(II) – кубическая и гексагональная

формы твердого раствора соответственно

Рис. 13 Диаграмма состояния системы BeF₂ – LiF.

Обозначения: BeF₂(I); BeF₂(II) – высоко- и низкотемпературные

формы соответственно

Рис. 14 Диаграмма состояния системы CaO·SiO₂ – ВaO·SiO₂

Пример 2.1. На рис. 15 изображена диаграмма состояния системы CaO – SiO₂. Опишите процесс кристаллизации расплава состава 15% CaO и 85% SiO₂.

Рис. 15 Диаграмма состояния системы CaO – SiO₂.

Обозначения: К – кристобалит; Т – тридимит;

Р – ранкинит; В – волластонит

Решение. Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 1). Химический состав исходной смеси относится к области составов, проявляющих стабильную ликвацию, т.е. расслоение в жидкой фазе. При охлаждении до купола ликвации начнется распад однофазного расплава на две несмешивающиеся жидкости. На линии ликвидуса появятся кристаллы α-кристобаллита в равновесии с жидкостью. При 1470 ºС произойдет полиморфное превращение кристобаллита в тридимит. При температуре примерно 1420 ºС жидкая фаза полностью исчезнет с образованием кристаллов α-тридимита и псевдоволластонита α-CaSiO₃. При 1125 ºС произойдет переход α-CaSiO₃ → β-CaSiO₃, а при 870 ºС – переход α-тридимит → α-кварц. Фазовые превращения закончатся при температуре 573 ºС переходом α-кварц → β-кварц.

Полная схема фазовых превращении следующая: расплав → две несмешивающиеся жидкости → α-кристобаллит + Ж → α-тридимит + Ж → α- тридимит + α-CaSiO₃ → α-тридимит + β-CaSiO₃ → α-кварц + β-CaSiO₃ → β-кварц + β-CaSiO₃.

Пример 2.2. Опишите процесс кристаллизации расплава состава 70% CaO и 30% SiO₂.

Решение. Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 2). На кривой ликвидуса при охлаждении такого расплава начнут выделяться кристаллы соединения 3CaO·SiO₂ (Ca₃SiO₅) в присутствии остаточной жидкой фазы. По достижении линии солидуса жидкая фаза исчезнет и в равновесии будут находиться две фазы: α-2CaO·SiO₂(Ca₂SiO₄) и 3CaO·SiO₂(Ca₃SiO₅). При температуре выше 1400 ºС происходит полиморфное превращение α-Ca₂SiO₄ → α^′-Ca₂SiO₄. При 1250 ºС соединение Ca₃SiO₅ разлагается с образованием Ca₂SiO₄ и CaO, поэтому ниже 1250 ºС в равновесии будут фазы α^′-Ca₂SiO₄ и CaO. В процессе дальнейшего охлаждения при температуре примерно 650 ºС α^′-Ca₂SiO₄ переходит в γ-форму.

Полная схема фазовых превращении следующая: расплав → Ca₃SiO₅ + Ж → Ca₃SiO₅ + α-Ca₂SiO₄ → Ca₃SiO₅ + α^′-Ca₂SiO₄ → α^′-Ca₂SiO₄ + CaO → γ-Ca₂SiO₄ + CaO.

Пример 2.3. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 15% CaO и 85% SiO₂, до температур 1800 ºС; 1600 ºС и при полной кристаллизации.

Решение. При температуре 1800 ºС (фигуративная точка в) в равновесии две несмешивающиеся жидкости. Проведем через точку в конноду (ас) и опустим перпендикуляры из точек а и с на линию состава. Таким образом узнаем составы обеих жидкостей. Массовое соотношение между равновесными фазами при данной температуре определяется по правилу рычага. Для этого измеряем отрезки ав и вс. Запишем соотношение по правилу рычага:

,

где – масса жидкости составаа;

–масса жидкости состава с.

Массовая доля жидкости состава а равна = .

Массовая доля жидкости состава с равна = .

При температуре 1600 ºС (фигуративная точка g) в равновесии кристобалит и остаточная жидкая фаза, состав которой определяется точкой d. По правилу рычага:

.

Массовая доля кристобалита равна = .

Массовая доля жидкости равна = .

При полной кристаллизации и завершении всех фазовых превращений (температура примерно 850 ºС) в равновесии две твердые фазы: β-кварц SiO₂ и волластонит β-CaSiO₃. На линии состава возьмем отрезки от заданноного состава до составов полученных фаз, т.е. SiO₂ и CaSiO₃ и составим уравнение:

.

Массовая доля кристаллов кварца в конечной смеси составит , а кристаллов волластонита – 43%.