包晶反應

包晶反應（peritectic reaction）是有些合金當凝固到一定溫度時，已結晶出來的一定成分的（舊）固相與剩餘液相（有確定成分）發生反應生成另一種（新）固相的恆溫轉變過程。

包晶反應是指由一種液相和一種固相生成一種新的固相的反應，通常認為在此反應中有先存固相被消耗或被再吸收的現象存在。而加熱時，包晶反應是指異元熔化，即由一種固相熔化為一種不同成分的液相和一種新的固相。

基本介紹

• 中文名：包晶反應
• 外文名：peritectic reaction
• 套用學科：晶體化學
• 工業套用：孕育處理、軸承合金
• 反應條件：恆溫轉變過程
• 對比：共晶反應

基本定義

如下圖中所示的二元體系，它包含有異元熔化相ab，成分點x即為以ab，結晶過程中，包晶反應為：

L（包晶成分）+β→ab，它與ab的熔化是相反的過程。

現在研究位於β初相區之上的成分點y，在圖中畫出了剛好位於包晶溫度以上的連結線及剛好位於包晶溫度以下的連結線。在包晶溫度以上，體系中有包晶成分的液相和β相固體；在包晶溫度以下，有平衡相ab和β。因此結晶反應為：L（包晶成分）+β→ab+β，在此過程中β相被部分吸收。

二元包晶繫結晶路徑

影響範圍

δ-Fe相的析出和包晶反應對鑄造碳鋼和低合金鋼是非常重要的結晶過程階段。在一次結晶過程中形成的奧氏體的晶粒度與原始δ-Fe相的晶粒大小及包晶反應的結晶過冷度有關。δ-Fe 相的晶粒度愈細小及包品反應的結晶過冷度愈大時，則所形成的奧氏體晶粒愈細。

實際上，奧氏體的枝晶臂間距也同樣與δ-Fe相的結晶過程有關。在-Pe的析出過程中，當冷卻速度增大時，δ-Fe相的結晶前沿處的溫度梯度增大，枝晶臂間距減小，分枝增多，因面使得進一步生成的奧氏體的枝晶細化。
同理，奧氏體晶粒內部的結晶偏析，也與δ-Fe相的結晶過程條件有關。結晶過冷度大時，原子擴散遲緩，結晶偏析程度也相應減輕。通過對鋼液進行孕育處理和變質處理，能夠人為地改變這一段結晶過程的條件，從而改
善厚壁鑄件的組織，提高其性能。

如採用鈦、鋯、釩等元素對鋼液進行孕育，則能夠在鋼液中形成大量彌散的鈦、鋯等元素的氮化物，作為δ-Fe析出時的非均質晶核，從而使δ-Fe相細化。採用鈰、鑭等稀，士元素對鋼被進行變質處理，能細化δ-Pe相的枝晶臂間距。由於稀土元素具有表面活性的特性，在鑄鋼結晶中，稀土元素僅有微量固溶於δ-Fe相中，大部分富集在δ-Fe枝晶的結晶前沿，並吸附在δ-Fe枝晶表面，阻礙鐵原子的擴散，從而延緩δ-Fe的結晶過程，使8-Fe的結晶過冷度增大，並使包晶反應溫度降低，從而促使δ-Fe相晶粒細化，一次枝晶長度縮短，並使枝晶臂間距縮小。見下圖：

稀土（加入照占鐵液重0.015%）對鋼一次枝晶長度的影響

實際套用

包晶合金在一般凝固條件下，得到的組織通常是粗的兩相枝晶組織，包晶反應和包晶轉變所產生的固相往往包圍著先包晶相（初生相），不能得到象共晶合金一樣的兩相均勻混合物；同時由於包晶反應的不完全性，所以凝固後的合金中存在嚴重的顯微偏析和巨觀偏析。由於上述原因，包晶合金在工業上的套用比共晶合金要少。但是，包晶反應具有下述兩個顯著特點l一是包晶反應的形成相依附在初生相（先包晶相）上形成，二是包晶反應的不完全性。利用這兩個特點，在工業上有以下套用。

在軸承合金中的套用

軸承是用來支承軸頸的，軸在轉動過程中與軸承之間不可避免要出現摩擦和磨損。在使用中通常希望被磨損的是軸承，而不是軸，因為更換一根軸比更換軸承要困難和昂貴得多。實踐表明，滑動軸承主要失效方式是嚴重磨損和因發熱而咬合。根據軸承工作條件，希望軸承合金的組織由具有足夠塑性和韌性的基體及均勻分布的硬質點所組成。這些硬質點一般都是金屬化合物，所占的體積比例為5～50%。軟的基體使軸承具有良好的磨合性，不會因受衝擊而開裂，硬的質點使軸承具有小的摩擦係數和抗咬合性能。軸承合金還要求具有高的導熱性和小的膨脹系等等。

在下圖中影線區所包括的包晶合金可能滿足軸承合金所提出的要求，這些合金先結晶出硬的化合物，然後通過包晶反應形成軟的固溶體，並把硬的化合物質點包圍起來，從而得到軟的基體上分布有硬的化合物質點的組織。Sn-Sb系軸承合金就屬此例。

適於作軸承合金的成分範圍

在孕育處理中的套用

在鎂、鎂一鋯合金中加入鋯合金或含鋯的鹽類，在鋁合金中加入Al—Ti合金或可被還原的含鈦鹽類。在銅合鐵或鐵合金等等都是通過包晶反應而增進和促使形核，從而顯著細化晶粒。

包晶反應涉及一個液相和一個固相轉變成另一個新固相的過程，新固相一包晶反應的產物包圍初生相，使包晶轉變難於進行到底，也就是說包晶反應必然要形成一個包層，而包層是擴散障壁，溶質原子通過包層的擴散速度控制了包晶轉變的速度和程度，而溶質原子在固相中擴散速度通常是小的，因此包晶轉變一般進行得很不完全，包晶反應所形成的晶粒是小的。如果在包品反應前，在熔體中出現大量先包晶相的微小質點，當溫度梯度足夠小時，主要相（包晶形成相）將沿著它們形核；並由於形成包層，它起著擴散障壁作用，使主要相的長大受到限制，因此凝固後得到細小的晶粒。包晶形核的一個重要特點是非均質晶核在熔體內部形成，因此，它們對主要相結晶提供未污染的和潔淨的界面。