THE MECHANISM OF NON-EQUILIBRIUM SEGREGATION OF BORON TO AUSTENITE GRAIN BOUNDARIES

业已证实,淬火硼钢中硼向奥氏体晶界的偏聚,是在冷却过程中发生的一种非平衡的晶界偏聚。本文通过解变温扩散方程,导出了非平衡晶界偏聚的理论公式,建立了晶界贫硼区宽度与淬火加热温度、冷却速度以及非平衡晶界偏聚扩散激活能与扩散常数之间的关系,理论预言与实验结果较好地吻合。 根据实验结果和理论分析,提出这种非平衡晶界偏聚的机制,是在冷却过程中,过饱和空位或双空位带着硼原子向晶界(空位阱)迁移的结果。 基于这种非平衡晶界偏聚的新概念,可以较完满地说明影响硼钢淬透性的众多复杂因素。     

THE NON-EQUILIBRIUM SEGREGATION OF BORON TO AUSTENITE GRAIN BOUNDARIES

采用高分辨率的径迹显微照相技术,研究了淬火硼钢中硼向奥氏体晶界偏聚的规律,定量地测定出跨过奥氏体晶界的硼的成分剖面图以及非平衡晶界偏聚的特征参量(晶界贫硼区宽度、晶界富集程度和富集带宽度)。试验表明,这种偏聚具有如下特征: 在偏聚晶界的两侧存在有一定宽度的贫硼区,晶界偏聚的硼是在冷却过程中由该区富集而来;这种偏聚对冷却速度很敏感,急速冷却可以抑制这种偏聚。冷却速度降低,晶界偏聚由连续的偏聚带,逐步发展为不连续的聚集直至明显地析出硼相,贫硼区宽度与冷却速度的平方根成反比;它的温度关系与晶界平衡偏聚预言相反,随淬火温度升高,晶界偏聚程度与贫硼区宽度增加。 通过试验,论证了淬火钢中硼向奥氏体晶界的偏聚,是在冷却过程中发生的一种非平衡的晶界偏聚现象。     

硼向奥氏体晶界的非平衡偏聚

采用高分辨率的径迹显微照相技术,研究了淬火硼钢中硼向奥氏体晶界偏聚的规律,定量地测定出跨过奥氏体晶界的硼的成分剖面图以及非平衡晶界偏聚的特征参量(晶界贫硼区宽度、晶界富集程度和富集带宽度)。试验表明,这种偏聚具有如下特征: 在偏聚晶界的两侧存在有一定宽度的贫硼区,晶界偏聚的硼是在冷却过程中由该区富集而来;这种偏聚对冷却速度很敏感,急速冷却可以抑制这种偏聚。冷却速度降低,晶界偏聚由连续的偏聚带,逐步发展为不连续的聚集直至明显地析出硼相,贫硼区宽度与冷却速度的平方根成反比;它的温度关系与晶界平衡偏聚预言相反,随淬火温度升高,晶界偏聚程度与贫硼区宽度增加。通过试验,论证了淬火钢中硼向奥氏体晶界的偏聚,是在冷却过程中发生的一种非平衡的晶界偏聚现象。     

硼钢淬透性与硼向奥氏体晶界的偏聚

用改进的径迹显微照相技术研究了50B钢800—1150℃顶端淬火试样中硼分布状态的变化规律及其与硼钢淬透性的关系。试验表明,硼钢淬透性的变化与冷却时硼向奥氏体晶界偏聚的发展速度密切相关。由硼的成分剖面图可定量测定出这种偏聚的发展速度。晶界硼偏聚发展过快或过慢均不利于硼提高淬透性的效应。只有当晶界硼偏聚的发展速度与基体成分相变孕育期相配合时,硼才能发挥最大效应。利用这种观点可以说明硼钢淬透性的变化特征,分析影响硼钢淬透性的各种因素。     

THE HARDENABILITY OF BORON STEEL AND THE SEGREGATION OF BORON

用改进的径迹显微照相技术研究了50B钢800—1150℃顶端淬火试样中硼分布状态的变化规律及其与硼钢淬透性的关系。试验表明,硼钢淬透性的变化与冷却时硼向奥氏体晶界偏聚的发展速度密切相关。由硼的成分剖面图可定量测定出这种偏聚的发展速度。 晶界硼偏聚发展过快或过慢均不利于硼提高淬透性的效应。只有当晶界硼偏聚的发展速度与基体成分相变孕育期相配合时,硼才能发挥最大效应。利用这种观点可以说明硼钢淬透性的变化特征,分析影响硼钢淬透性的各种因素。     

MECHANISM OF NON-EQUILIBRIUM SEGREGATION OF SOLUTE TO GRAIN BOUNDARIES

本文以空位-溶质原子拖曳机制为基础,并考虑了空位、溶质原子和复合体三者的反应平衡及晶界平衡偏聚的作用,得到了溶质原子的非平衡晶界偏聚动力学方程。对硼在奥氏体中等温及连续冷却时所产生的非平衡晶界偏聚现象进行了理论计算,得到了与实验较为一致的结果。     

硼在钢中的分布

采用经过改进的核反应产物粒子径迹照相技术,研究25MnTiBR钢中硼的分布状态及其对钢的淬透性的影响。试验结果表明,硼的平衡偏聚在高温奥氏体化时消失;硼钢在淬火过程中产生的晶界偏聚是一个非平衡的动力学过程。随奥氏体化后,淬火温度升高使偏聚程度增加,以及在其附近出现贫硼区,是晶界非平衡偏聚的显著特征。在25MnTiBR钢中加入0.4%稀土金属,在一定温度范围内有显著阻碍硼向奥氏体晶界偏聚的作用。这可能主要是由于稀土元素在此温度范围内存在有平衡偏聚的结果;硼和稀土元素在奥氏体晶界偏聚,以一定程度互相配合,对提高钢的淬透性是有利的。     

硼在体心立方Fe—3%Si合金中的晶界偏聚行为

利用硼径迹显微照相(PTA)技术研究了体心立方Fe—3%Si合金试样在冷却和淬火等温过程中硼向晶界的偏聚行为结果表明:Fe-3%Si合金中硼的晶界平衡偏聚趋势高于奥氏体合金,也不存在淬火诱导硼向晶界的非平衡偏聚.硼原子与晶界结合能Q=55.7 kJ/mol用淬火诱导非平衡偏聚的复合体机制解释了硼在Fe-3%Si合金与奥氏体合金中偏聚行为异同的原因.     

THE DISTRIBUTION OF BORON IN STEEL

采用经过改进的核反应产物粒子径迹照相技术,研究25MnTiBR钢中硼的分布状态及其对钢的淬透性的影响。试验结果表明,硼的平衡偏聚在高温奥氏体化时消失;硼钢在淬火过程中产生的晶界偏聚是一个非平衡的动力学过程。随奥氏体化后,淬火温度升高使偏聚程度增加,以及在其附近出现贫硼区,是晶界非平衡偏聚的显著特征。 在25MnTiBR钢中加入0.4％稀土金属,在一定温度范围内有显著阻碍硼向奥氏体晶界偏聚的作用。这可能主要是由于稀土元素在此温度范围内存在有平衡偏聚的结果;硼和稀土元素在奥氏体晶界偏聚,以一定程度互相配合,对提高钢的淬透性是有利的。     

在Ni3Al中硼的非平衡晶界偏聚

在１０２３～１３７３Ｋ的初始温度范围和０．０５～２６８．９１Ｋ／ｓ的冷速范围内，用俄歇剖层分析确定了含硼Ｎｉ３Ａｌ合金中硼的非平衡晶界偏聚行为。基于由空位在晶界湮灭所产生的体系自由能下降驱动可动的溶质－空位复合体向晶界迁移。从而产生溶质非平衡晶界偏聚的模型，导出了定量描述非平衡偏聚行为的解析表达式，理论计算结果与硼非平衡偏聚的试验数据相符，通过模拟实测确定Ｎｉ３Ａｌ－Ｂ合金中硼及硼－空位复合体的扩     

TWO KINDS OF BORON SEGREGATION AT AUSTENITE GRAIN BOUNDARIES

用PTA法研究了Fe-30％Nj合金中硼在晶界的偏聚行为.实验表明,在550—1200℃保温后,用不同方式冷却的试样中存在有平衡与非平衡两类硼偏聚,其形成机制各不相同,而且试验条件的影响亦不同.保温时形成的平衡偏聚在低温淬火试样中起主要作用.在高温加热后,用通常冷速冷却时,晶界偏聚主要来源于冷却过程中产生的非平衡偏聚.实际试样中观察到的硼偏聚是这两类偏聚的叠加,主要偏聚方式的转折温度区受冷却速度影响,在中等冷速下,这个转折温度在650—750℃之间。     

硼在奥氏体晶界的两类偏聚

用PTA法研究了Fe-30％Nj合金中硼在晶界的偏聚行为.实验表明,在550—1200℃保温后,用不同方式冷却的试样中存在有平衡与非平衡两类硼偏聚,其形成机制各不相同,而且试验条件的影响亦不同.保温时形成的平衡偏聚在低温淬火试样中起主要作用.在高温加热后,用通常冷速冷却时,晶界偏聚主要来源于冷却过程中产生的非平衡偏聚.实际试样中观察到的硼偏聚是这两类偏聚的叠加,主要偏聚方式的转折温度区受冷却速度影响,在中等冷速下,这个转折温度在650—750℃之间。     

γ—Fe中硼的扩散机制

实验结果表明,硼在γ—Fe中的扩散系数相当于间隙原子的扩散系数,故一般认为硼是以间隙方式扩散,但本文计算结果表明:硼在γ—Fe中,主要是以硼—空位复合体方式扩散,其扩散系数与实验值非常接近,而且γ—Fe/B晶界的非平衡偏聚和Fe—B系晶格常数测量结果支持了本文的观点。     

MECHANISM FOR DIFFUSION OF BORON IN γ-Fe

实验结果表明,硼在γ—Fe中的扩散系数相当于间隙原子的扩散系数,故一般认为硼是以间隙方式扩散,但本文计算结果表明:硼在γ—Fe中,主要是以硼—空位复合体方式扩散,其扩散系数与实验值非常接近,而且γ—Fe/B晶界的非平衡偏聚和Fe—B系晶格常数测量结果支持了本文的观点。     

12Cr1MoV钢连续冷却过程中P的晶界偏聚

采用分步冷却工艺，研究了连续冷却过程中12Cr1MoV钢中P的非平衡晶界偏聚过程，实际测得在813K恒温45h时，P在晶界的偏聚量为4．1at％，相应的理论计算等效时问te(813K)=42．558h时，P在晶界的偏聚量为4．4at％，表明实验结果与理论计算值相吻合。从而说明晶界偏聚的等效时间理论能很好地解释分步冷却工艺中P的非平衡晶界偏聚动力学和分步冷却工艺加速脆化的机理。     

在Ni_3Al中硼的非平衡晶界偏聚

在１０２３～１３７３Ｋ的初始温度范围和０．０５～２６８．９１Ｋ／ｓ的冷速范围内，用俄歇剖层分析确定了含硼Ｎｉ_３Ａｌ合金中硼的非平衡晶界偏聚行为。基于由空位在晶界湮灭所产生的体系自由能下降驱动可动的溶质－空位复合体向晶界迁移、从而产生溶质非平衡晶界偏聚的模型，导出了定量描述非平衡偏聚行为的解析表达式。理论计算结果与硼非平衡偏聚的试验数据相符。通过模拟实测确定Ｎｉ_３Ａｌ－Ｂ合金中硼及硼－空位复合体的扩散系数分别为：Ｄ＝１×１０￣（－６）ｅｘｐ［－１．９６（ｅＶ）／ｋＴ］和Ｄ_（Ｐ（Ｂ））＝１×１０￣（－）４ｅｘｐ［－１．９６（ｅＶ）／ｋＴ］（ｍ￣２／ｓ）；硼－空位复合体的结合能为Ｅ_（ｂ（Ｂ）＝０．５ｅＶ。     

微量溶质元素在金属晶界的偏聚

溶质元素在金属晶界的偏聚可以分为两类，即平衡偏聚和非平衡偏聚。本文回顾了这两类偏聚现象及其机理，着重讨论分析了有重要工程用途的三类典型的晶界偏聚：硼在奥氏体晶界的两类偏聚的实验规律及对硼钢淬透性影响；磷在奥氏体晶界的平衡偏聚及对钢回火脆性的作用，钢中的其他合金元素对磷的偏聚的影响；硼在多种金属间化合物的偏聚及对这些金属间化合物塑性的影响及其机理。     

晶界非平衡偏聚的发生与发展过程

采用硼（Ｂ）径迹照相法和透射电镜从实验上观察了连续冷却过程中Ｂ在晶界非平衡偏聚的发生发展过程。测定了晶界偏聚的富集因子、富集带宽度、贫Ｂ区宽度和贫化因子等偏聚特征参量 实验结果表明，对于Ｂ含量（质量分数）为１０×１０－４％的 Ｆｅ－４０％Ｎｉ合金体系，以 ２℃／ｓ的冷速从 １１５０ ℃冷却到 ６４０℃的时候，Ｂ在晶界上的偏聚经历了 ３段式的发展．并在８６０ ℃时开始向非平衡析出转化。 可以用晶界及晶界附近扩展畸变区对于溶质原子的吸附作用解释上述现象     

Ni3Al中B和Mg的非平衡晶界共偏聚

在1023－1373K的初始温度和0.05-268.91K/s的冷速范围内，用Auger剖层分析确定含B和Mg的Ni3Al合金中B和Mg的非平衡晶界共偏聚行为，按照溶质－空位复合体迁移机制所导出的描述非平衡晶界偏聚的扩散速率方程解析表达式，很好地模拟了本实验结果，并确定了Ni3Al-B-Mg合金中B及B－空位复合体，Mg及Mg-空位复合体的扩散系数及复合体激活能。     

微合金钢高温热塑性低谷区硼的偏聚

利用径迹显微照相技术研究了2.25Cr-1.0Mo钢以15℃/s从1320℃冷却到1000、900、800℃等温10s时硼的分布,讨论了硼的偏聚对含硼低碳钢热塑性的影响.结果表明,从高温冷却到各实验温度时,硼偏聚到奥氏体晶界,在900℃左右偏聚量最大.含硼0.00075 wt%样品晶界与晶内均未出现明显的含硼析出,含硼0.0035 wt%的样品冷却到900℃和800℃时,时,晶界与晶内出现少量含硼析出物.含硼0.0081 wt%的样品,在1000℃时,晶界和晶内均已出现大量含硼析出物,随着温度的降低,含硼析出物增多,冷却到800℃时,偏聚到晶界的硼多数已析出.分析表明添加硼后,硼偏聚到奥氏体晶界,抑制了晶界处铁素体的形核,提高了含硼钢的热塑性.