[科普中国]-包晶反应

简介

如下图中所示的二元体系，它包含有异元熔化相ab，成分点x即为以ab，结晶过程中，包晶反应为：

L（包晶成分）+β→ab，它与ab的熔化是相反的过程。

现在研究位于β初相区之上的成分点y，在图中画出了刚好位于包晶温度以上的连结线及刚好位于包晶温度以下的连结线。在包晶温度以上，体系中有包晶成分的液相和β相固体；在包晶温度以下，有平衡相ab和β。因此结晶反应为：L（包晶成分）+β→ab+β，在此过程中β相被部分吸收。1

包晶反应的影响δ-Fe相的析出和包晶反应对铸造碳钢和低合金钢是非常重要的结晶过程阶段。在一次结晶过程中形成的奥氏体的晶粒度与原始δ-Fe相的晶粒大小及包晶反应的结晶过冷度有关。δ-Fe 相的晶粒度愈细小及包品反应的结晶过冷度愈大时，则所形成的奥氏体晶粒愈细。

实际上，奥氏体的枝晶臂间距也同样与δ-Fe相的结晶过程有关。在-Pe的析出过程中，当冷却速度增大时，δ-Fe相的结晶前沿处的温度梯度增大，枝晶臂间距减小，分枝增多，因面使得进一步生成的奥氏体的枝晶细化。
同理，奥氏体晶粒内部的结晶偏析，也与δ-Fe相的结晶过程条件有关。结晶过冷度大时，原子扩散迟缓，结晶偏析程度也相应减轻。通过对钢液进行孕育处理和变质处理，能够人为地改变这一段结晶过程的条件，从而改
善厚壁铸件的组织，提高其性能。

如采用钛、锆、钒等元素对钢液进行孕育，则能够在钢液中形成大量弥散的钛、锆等元素的氮化物，作为δ-Fe析出时的非均质晶核，从而使δ-Fe相细化。采用铈、镧等稀，士元素对钢被进行变质处理，能细化δ-Pe相的枝晶臂间距。由于稀土元素具有表面活性的特性，在铸钢结晶中，稀土元素仅有微量固溶于δ-Fe相中，大部分富集在δ-Fe枝晶的结晶前沿，并吸附在δ-Fe枝晶表面，阻碍铁原子的扩散，从而延缓δ-Fe的结晶过程，使8-Fe的结晶过冷度增大，并使包晶反应温度降低，从而促使δ-Fe相晶粒细化，一次枝晶长度缩短，并使枝晶臂间距缩小。见下图：2

包晶反应的应用包晶合金在一般凝固条件下，得到的组织通常是粗的两相枝晶组织，包晶反应和包晶转变所产生的固相往往包围着先包晶相（初生相），不能得到象共晶合金一样的两相均匀混合物；同时由于包晶反应的不完全性，所以凝固后的合金中存在严重的显微偏析和宏观偏析。由于上述原因，包晶合金在工业上的应用比共晶合金要少。但是，包晶反应具有下述两个显著特点l一是包晶反应的形成相依附在初生相（先包晶相）上形成，二是包晶反应的不完全性。利用这两个特点，在工业上有以下应用。3

在轴承合金中的应用轴承是用来支承轴颈的，轴在转动过程中与轴承之间不可避免要出现摩擦和磨损。在使用中通常希望被磨损的是轴承，而不是轴，因为更换一根轴比更换轴承要困难和昂贵得多。实践表明，滑动轴承主要失效方式是严重磨损和因发热而咬合。根据轴承工作条件，希望轴承合金的组织由具有足够塑性和韧性的基体及均匀分布的硬质点所组成。这些硬质点一般都是金属化合物，所占的体积比例为5～50%。软的基体使轴承具有良好的磨合性，不会因受冲击而开裂，硬的质点使轴承具有小的摩擦系数和抗咬合性能。轴承合金还要求具有高的导热性和小的膨胀系等等。

在下图中影线区所包括的包晶合金可能满足轴承合金所提出的要求，这些合金先结晶出硬的化合物，然后通过包晶反应形成软的固溶体，并把硬的化合物质点包围起来，从而得到软的基体上分布有硬的化合物质点的组织。Sn-Sb系轴承合金就属此例。

在孕育处理中的应用在镁、镁一锆合金中加入锆合金或含锆的盐类，在铝合金中加入Al—Ti合金或可被还原的含钛盐类。在铜合铁或铁合金等等都是通过包晶反应而增进和促使形核，从而显著细化晶粒。

包晶反应涉及一个液相和一个固相转变成另一个新固相的过程，新固相一包晶反应的产物包围初生相，使包晶转变难于进行到底，也就是说包晶反应必然要形成一个包层，而包层是扩散障壁，溶质原子通过包层的扩散速度控制了包晶转变的速度和程度，而溶质原子在固相中扩散速度通常是小的，因此包晶转变一般进行得很不完全，包晶反应所形成的晶粒是小的。如果在包品反应前，在熔体中出现大量先包晶相的微小质点，当温度梯度足够小时，主要相（包晶形成相）将沿着它们形核；并由于形成包层，它起着扩散障壁作用，使主要相的长大受到限制，因此凝固后得到细小的晶粒。包晶形核的一个重要特点是非均质晶核在熔体内部形成，因此，它们对主要相结晶提供未污染的和洁净的界面。3