相图(PhaseDiagram)或称相平衡图(PhaseEquilibriaDiagram)是研究物系相平衡时各种
热力学变量(如温度、压力、摩尔量)之间关系及其变化规律的图形表达形式。由于在大多数
情况下工程技术领域所研究的体系的各种反应和相平衡,都是在等压条件下(主要是在大气
压力下)进行的,因此工程中相图的图轴通常是由温度和组元的摩尔分数(或质量分数)组
成。这种由温度和组元的成分为坐标轴组成的相图中的每个点都代表这个系统的一个确定的
热力学状态,故也把这种图形称为“状态图”(ConstitutionDiagram)。
根据相图可以了解到该体系中任何一个成分在任何温度存在有哪些相,各个相的成分及
其相对量,以及在温度变化时其组成相的变化规律,产生什么反应。这些信息都是材料成分
设计、确定材料制备加工工艺方法和预测材料性能的重要依据。美国著名冶金学家JohnF.
Elliott形象地比喻,相图是材料科技工作者的地图;也有人比喻相图是材料研究的指南针。
因此世界各发达国家对相图的研究都十分重视,有大量专门从事相图研究的科技人员。随着
科学技术的发展,新材料也不断涌现,如非平衡态材料、复合材料、梯度材料等,而且实际使
用的材料绝大多数都是多元合金,因之相图的研究内容也越来越广。尽管如此,二元相图始
终是相图研究和应用的基础,其重要性仍然是不言而喻的。
科学技术的进步使实验测定相图的技术水平,以及相图计算的理论和方法都在不断提
高,相图中的有关资料数据也在不断更新和补充,及时地汇编出版新的相图集,以反映最新
研究成果,也就成为一项具有重要科学价值和实际意义的基础性工作;也是为材料科学与工
程领域的广大科技人员,高等院校相关专业师生,从事科研、生产和教学提供必不可少的
工具。
如前所述,发达国家十分重视相图研究,投入了大量人力、物力,也有多种专门发表相
图研究成果的刊物,例如国际相图委员会于1980年创刊的BulletinofAlloyPhaseDiagrams
(1991年改名为JourneyofAlloyPhaseEquilibria,2004年又改名为JourneyofPhaseEquilibria
andDiffusion)以及世界著名的JourneyofLessCommonMetals,这些都是发表相图研究成果的
重要的刊物;前苏联(俄罗斯)科技情报研究所,从1955年至1996年连续出版了40期金属系
状态图(Диаграммысостаянияметаллическихсистем)等。目前,世界上关于相图及相关数
据的出版物已达数百种,与之同时,相图集的汇编出版也成为重要的基础性工作。自1936年
M.Hansen第一本《二元合金状态图集》(德文版)问世以来,德、美、俄、日等国相继修订、增
补、汇编了数十种较大型的二元合金相图集,其详细的历史过程毋庸赘述,近20年来仅美国
和俄罗斯都相继汇编出版了几部二元相图巨著。1986年美国金属学会汇编出版了一部
《BinaryAlloyPhaseDiagrams》,共二卷800多页,在此基础上于1990年作了较大的增补,又
出版了《BinaryAlloyPhaseDiagrams》(第二版),共三卷3000多页,此书至2001年先后重印
了四次;2000年美国HiroakOkamoto又出版了DeskHandbook:《PhaseDiagramsforBinary
Alloys》,共800多页;俄罗斯莫斯科机械制造出版社于1996年出版了一部《Диаграммы
состаяниядвойныхметаллическихсистем》,共三卷3300多页,这几部二元合金相图集都收
集汇编了2000多个二元相图,以及二元系中间相的晶体结构数据,并对每个相图中相转变的
特点、资料来源等作了详细说明。可以说这几部二元相图集是目前最全最新的二元相图集。
此外,美国金属学会从1987年开始汇编出版了Au、Be、Mg、Ni、Ti、V、W等12本二元
专题相图集。
我国对相图的研究工作也得到了重视,有了较大进展,在相图计算以及多元相图的试验
研究方法,在合金设计中的应用等方面,都取得了国际公认的成果。二元相图的汇编出版,
也做了不少工作,但还远远满足不了目前材料学科发展的需要。到目前为止,我国还只有上
海科学技术出版社于1986年出版过一本《二元合金状态图集》(虞觉奇、易文质等编译),它
共收集了1134幅二元合金相图,是国内一本比较齐全的二元合金相图集;另外,冶金工业出
版社于2004年出版了一本日本长崎诚三和平林真编的《二元合金状态图集》的中译本(刘安
生译),共收集了666幅二元合金相图;1983、1993和2007年冶金工业出版社又先后出版了
《贵金属合金相图》、《贵金属合金相图第一补编》、《贵金属合金相图及化合物结构参数》,这
三本有关贵金属合金的相图集(均由何孝纯主编),它包括了二元、三元相图;2007年中南大
学出版社出版了《镁合金相图集》(刘楚明等编),也包括了二元、三元相图,此外中南大学出
版社于2002年、2005年先后出版的《铜合金及其加工手册》(田荣璋、王祝堂主编),《铝合金
及其加工手册》(王祝堂、田荣璋主编)也分别收集了50多幅铜合金、铝合金二元相图。上述
我国汇编出版的这些二元相图集,有的只针对某一类合金,有的则出版时间较早,没有反映
近代相图研究成果。显然,根据目前情况,再汇编出版一本内容更新更完整的二元相图集是
十分必要的。
我们经过三年多的工作,主要依据:HiroakiOkamoto,DeskHandbook,《PhaseDiagrams
forBinaryAlloys》,2000;T.Masalski,H.Okamoto,P.R.SubramanianandKaeprzake,《Binary
AlloyPhaseDiagrams》,2nd,ASMInternationalMaterialsPark,OH,1990;以及АкадРАНН.
П. Лякищев, 《Диаграммы состаяния двойных металлических систем》, москва
мащинотроение,1996,这三部比较齐全的二元相图集,并参考其他一些已发表的二元相图
及中间相晶体结构参数,通过各种最新资料的筛选、校核、相互补充,汇编成这本《二元合金
相图及中间相晶体结构》,它共收集、遴选了2200多幅二元合金相图和1870多个二元系的中
间相晶体结构参数;读者不仅可以根据相图来分析合金成分与相组成的关系,以及温度变化
时相转变的规律,而且可以根据组成相的晶体结构特征进一步分析合金可能具有的性能特
点,有利于扩展材料开发的思路,同时也对材料物理的研究人员和测试人员有一定的参考
价值。
在众多的二元相图的资料中,由于测定相图的试验条件的差异,试验技术的发展,不同
作者,或发表时间的先后不同,同一相图经常存在若干差异,甚至有较大的变化,这是经常
出现的正常情况,我们按照通常的做法,都是采用最新发表的资料。在汇编过程中通过对每
一幅相图的仔细阅读后发现,原文中(包括英文、俄文)存在不少的排印和其他错误,我们经
过校核对已发现的错误作了修正。另外还发现原文中存在一些由于考虑不够仔细或疏忽而出
现的不妥之处,例如有许多二元系的中间相存在晶型转变,固定成分中间相的晶型转变为一
恒定温度,原文中就用一根水平实线表示,如Ag-Ce二元系(见图1,Ag-Ce相图)中存在
αAg2Ce 540℃βAg2Ce,
βAg2Ce 748℃γAg2Ce
αAgCe 470℃βAgCe
等三个晶型转变,如果都用一水平直线表示,其结果在相图中540℃、748℃、477℃三根水平
实线通过了两个两相区。显然,这种表示方法是不妥的,一方面它容易与表示三相平衡反应
的水平实线混淆,严格地说,这也是违背相律和相区接触法则的。对这种错误我们都进行了
修正,一律以细点线表示。另外,在目前众多的二元相图资料中,由沸点较低的组元所组成
的二元相图,低沸点组元侧的端际单相区在沸点以上温度仍标为液相。例如Hg-S二元系,
Hg的沸点为357℃,S的沸点为44460℃,图中Hg和S侧的两个端际单相区,在组元沸点以
上温度,都分别标为L1和L3。类似情况,在Bi系、Cd系中还有很多。我们认为这也是由于
疏忽造成的错误,都进行了修正。此外,原文中对磁性转变表示也不统一,有的用虚线表示
有的用点划线表示,我们都统一用点划线表示。有关中间相的晶体结构,原文中也少量存在
化合物的泊松符号、空间群和Strukturbericht标记表示不一致的情况,经过核对也作了修正。
为了便于排版,本书将相图和晶体结构分成两篇,都按英文字母顺序排列。参考文献中
除了列出了本书一些主要参考资料外,对每幅相图选列了一篇参考文献供读者需要时参考。
在最后的附录中列出了元素的有关物理性质数据,便于读者查阅。
考虑到本书的读者,大多数都系统学习过金属学或物理冶金基础,对相图和晶体结构的
基本知识已经掌握,故对相图、相平衡、晶体结构的基本概念不再重复介绍。但考虑到某些
不常见的等温反应,例如偏晶、熔晶、合晶、偏析等,有些读者可能不太熟悉,也考虑到有的
从事材料研究工作不久的青年读者的需要,我们仍然在相图篇开始,把二元系中三相平衡反
应在相图中的表示方法、固溶体和中间相的一些基本特点作了简要介绍;晶体结构篇开始也
对晶体结构表示方法的基本知识作了简要说明,便于读者正确阅读、理解。
本书编写过程中得到了中南大学校长黄伯云院士、副校长邱冠周教授的支持,还得到金
展鹏院士的关心并为本书作序,在此一并表示衷心感谢。本书的出版还得到了崇义章源钨制
品公司黄泽兰董事长、羊建高总经理支持,特此表示感谢。编者力求收集的资料全面、准确,
但由于水平有限,加之资料太多太广,且时间仓促,肯定还存在不足和差错之处,敬请读者
批评指正。
编者
2008年8月