包晶反应是合金凝固时一种液相与一种已结晶固相在恒温下反应、生成另一种新固相的转变，属于三相恒温转变。[1][2] 新固相通常包覆在先存固相表面，把液相与初生相隔开，反应常因扩散受阻而不能进行完全。[3] 铁碳合金中液相与 δ 铁素体在 1495 ℃ 左右生成奥氏体的包晶反应最为典型，对钢的凝固组织与铸坯质量影响很大。[4][5]
定义
包晶反应又称包晶转变，指一定成分的液相与一定成分的固相在冷却过程中相互作用，生成另一种成分固定的固相的转变。[6][1] 在二元合金系中，它是恒温反应，也是可逆反应。[6] 反应发生时液相、初生固相与新固相三相共存，体系的自由度为零，因而温度和三个相的成分都被确定下来。[2]
两组元在液相中完全互溶、在固态仅部分互溶并存在包晶转变的相图称为包晶相图，这类相图在铁碳合金、铜锌合金等体系中都能见到。[7] 具有包晶反应的合金在工程材料中并不少见，含碳量约 0.1%～0.5% 的 Fe-C 合金、Cu-Zn 合金、Sn-Sb 合金都属此类。[8]
原理
以二元包晶系为例，合金冷却时先从液相中结晶出初生固相 α，随着温度下降，α 不断增多，剩余液相与 α 的成分分别沿液相线和固相线变化；温度降到包晶温度时，一定成分的液相与 α 反应生成新固相 β，可写成 $L + \alpha \to \beta$。[2][1]
β 相在 α 与液相的界面上形核，并沿 α 的表面铺展开来，把初生相包裹其中，形成液相—α—β 三相接触的界面。[1][3] 此后反应只能靠原子穿过 β 层扩散来维持：溶质从液相一侧的界面扩散到 α 一侧的界面，使 α 不断溶解、β 不断长大。[2]
从钢的凝固过程看，包晶相变可细分为三个阶段：包晶反应阶段是初生相与液相接触生成包晶相，溶质通过液相扩散；包晶转变阶段依靠固相中的原子扩散使包晶相继续生长；温度降到包晶温度以下后进入直接凝固阶段，剩余液相直接依附包晶相凝固增厚。[9]
graph LR
L[液相 L] --> R[包晶反应 L+α→β]
A[初生固相 α] --> R
R --> B[新固相 β 包覆 α]
B --> D[原子穿过 β 层扩散]
D --> E[α 溶解、β 长大]
发展历程
对包晶凝固机制的认识是随凝固理论的发展逐步细化的。早期研究只把相图上 $L+\alpha \to \beta$ 当作一个整体转变来描述；Kerr 等人于 1974 年把包晶相的形成拆分为两个过程，即需要三相直接接触的包晶反应与依靠固相扩散推进的包晶转变，Hillert 于 1979 年对后者的生长给出了近似解析。[2]
针对钢铁材料的研究进一步把包晶相变划分为包晶反应、包晶转变和直接凝固三个阶段，这一划分被用于分析连铸坯裂纹的形成机理。[9]
应用
钢的凝固是包晶反应最重要的应用领域。δ 铁素体的析出及随后的包晶反应是铸造碳钢和低合金钢结晶过程中的重要阶段，所形成的奥氏体晶粒大小取决于 δ 相的晶粒度与反应的过冷度，δ 相越细、过冷度越大，得到的奥氏体晶粒越细。[1] 向钢液中加入钛、锆、钒等元素进行孕育处理，或加入铈、镧等稀土元素进行变质处理，能够改变这一阶段的结晶条件，细化 δ 相枝晶并改善厚壁铸件的组织。[1]
在连铸生产中，碳含量处于包晶成分范围的包晶钢是主要的裂纹敏感钢种之一。凝固时发生的包晶反应伴随明显的体积收缩，会使初生坯壳在最薄弱处产生应力集中，成为铸坯表面横裂纹和角部裂纹的重要来源。[5][9] 为此需要对包晶钢单独设计结晶器锥度、振动参数与冷却制度，并通过微合金化细化铸坯表层的柱状晶；有研究显示，把钛含量提高到 0.09% 可使粗大柱状奥氏体区完全消失。[10]
利用新相依附初生相形成以及反应不易完全这两个特点，可以制备软基体上分布硬质点的轴承合金：合金先结晶出硬的化合物，随后通过包晶反应生成软固溶体并把硬质点包围起来，Sn-Sb 系轴承合金即属此类。[1] 在镁及镁锆合金中加入锆、在铝合金中加入含钛物质等，同样是借助包晶反应促进形核、细化晶粒。[1]
局限
包晶反应的根本限制来自动力学。新生成的 β 相把液相与初生相 α 隔开，反应要继续就必须依靠原子在固相中长距离扩散，而固相扩散速率远低于液相中的传输；实际冷却留给反应的时间有限，转变常在完成之前就被中断。[3][2]
其直接后果是初生相残留在芯部，形成由残留 α 核心、β 包层和最后凝固区组成的非平衡组织；反应越不完全，合金中的显微偏析和宏观偏析越严重。由于组织不易均匀、性能不易控制，包晶合金在工业上的应用少于共晶合金。[1][3]
反应能否进行到底还受温度与原子扩散能力影响，在包晶温度较低或组元扩散较慢的合金中尤其容易不完全。[7] 对于已经形成的非平衡组织，可在略低于包晶反应线或固相线的温度进行长时间高温扩散退火，以减轻或消除偏析。[5]
参见
参考资料
- [科普中国]-包晶反应 . kepuchina.cn [引用日期2026-09-29]
- Peritectic Reaction . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- 包晶反应 | Bohrium . bohrium.com [引用日期2026-09-29]
- 铁碳平衡图-邢钢 . xtsteel.cn [引用日期2026-09-29]
- 百科_搜搜钢_中国领先的钢铁B2B电子商务平台、钢铁电子商务网站 . mysteel.com [引用日期2026-09-29]
- dictView . moe.edu.tw [引用日期2026-09-29]
- 6 二元相图 . csust.edu.cn [引用日期2026-09-29]
- [科普中国]-包晶合金 . kepuchina.cn [引用日期2026-09-29]
- CN113198992A(PDF) . googleapis.com [引用日期2026-09-29]
- s12613-021-2375-2 . ustb.edu.cn [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T11:26:49Z
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