[科普中国]-包晶合金

包晶合金是指在金属结晶的过程中，晶粒的生长是由内而外生长，同时表面还有另外一相金属与其互溶，形成包晶合金。其特点是：①液相中完全互溶；固相中部分互溶或完全不互溶；②有一对固、液相线的分配系数小于1，另一对固、液相线的分配系数大于1。

凝固过程具有包晶反应的合金在工程材料中是屡见不鲜的，例女Fe-C合金含w(C)在0.1%～0.5%的钢，Cu-Zn合金，Sn-Sb合金等。典型的包晶反应相图如图一所示。

这是选择具有典型包晶凝固特征的w(Co)成分的合金作为研究对象。该合金首先析出α枝晶，在α枝晶的长大过程中，组元B在液相中富集，导致液相成分沿相图中的液相线变化。当温度降至Tp时，则发生包晶反应Lp+α=β。β相在α相表面发生异质形核，并很快沿表面生长，将α相包裹在中间。进一步的包晶反应通过β相内的扩散进行。组元B自β与L界面向α与β界面扩散，导致α与β界面向仪相一侧扩展，而组元A则自α与β界面向B与L界面扩散并导致该界面向液相扩展，最后完成包晶凝固反应。由于固相扩散速度比较缓慢，利于仅相的大量形核。通常人们正是利用这一特点，进行细化晶粒的。由于包层对溶质元素扩散的屏障作用，使得包晶反应不易继续进行下去，也就是包晶反应产物仪相不易继续长大，因而获得细小的晶粒组织。

平衡结晶这里所谓的平衡也是指结晶过程中各相的成分能按状态图的要求而充分均化。设有成分为C0的液态合金，在冷到T1以下有一定过冷时，开始析出成分为α1的新相。随着温度的继续降低，α相不断生长，同时还可能继续析出新的α晶体，α的成分沿固相线AD变化，液相不断减少，剩余的液体成分沿液相线AB变化。待温度到达Tp时，α的成分为D，液体的成分为B，以后就产生包晶转变αp+ Lb=βp1

包晶转变的实质包晶转变的实质是液体中的B原子继续向α内溶解而使A原子的排列方式产生改变，由α的结构转变为β的结构，而β相的固溶能力较强，在Tp时的成分为P。可见，包晶转变必须伴随着B原子向α相扩散和溶解的过程，因此这个反应只能在α相表面进行。先在表面进行包晶转变形成β层，然后B原子扩散通过β层向α相界面输送，使α不断转变为B，即β的界面不断向α内推进，直到全部转变为β，得到均匀成分的β相。

如同所有结晶过程一样，包晶转变也要求一定的过冷，设包晶转变在温度T时进行，过冷度为(Tp-T)，过冷时，在β-α界面上α的浓度为C，β的浓度为Cd。在β-L界面上，L的浓度为C，β的浓度为Cd。可见β相两个界面上的成分是不同的，存在一个浓度梯度，因此B原子要从β-L界面不断向β→α界面扩散。2

不平衡结晶在实际情况下，液体和固体中的原子扩散都是不充分的。α相生长时，由于界面前成分过冷，一般都以枝晶状生长，在生长时还存在着晶内偏析。真正的包晶转变仅产生于α和液体直接接触时。a+L→β产生的β相在α树枝表面的析出也有一个生核和生长过程。如果β相与α相之间存在较好的界面共格关系，β相容易以α表面作为衬底而生核析出。对一系列包晶合金的考查表明，许多包晶系中α和B之间存在着良好的界面共格关系，例如Fe-C系中的δ和γ相，Al-Ti系中的TiAl3和α之间等等。β可以在一个α枝晶表面的许多部位进行生核，它们在生长过程中逐渐合并在一起，但有的晶核在生长过程中可能产生位向的偏移或在生长界面前沿出现杂质的富集，它们与从邻近晶核长出的晶体间出现晶界，于是一个α枝晶上可能生长出几个β晶体，好像β晶粒把原有的α枝晶分割成几部分，这种现象称为粒化。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学