预形变量对再结晶晶界反常硼偏聚的影响

D0I:10.13374f.issnl00103x.1998.0B.B5 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 预形变量对再结晶晶界反常硼偏聚的影响* 曹兵 贺信莱 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要用二次压缩方法测定了含硼面心Fε-30%N合金1000℃热变形10%和40%后保温时的 软化率曲线，并由此估计了再结晶过程.用径迹照相方法(PTA)研究了再结晶过程中运动晶界反 常偏聚规律以及形变量对反常硼偏聚的影响，用定量统计方法测量了不同形变量下，运动晶界的 硼偏聚量.结果表明，新晶粒长大过程中，晶界反常偏聚量与形变量，晶界运动速度等因素有 关，并用半定量的方法估算了不同形变量下，再结晶新晶粒长大过程中新品粒边界向变形晶粒推 进时的平均速度，用晶界展宽机制对此现象进行了讨论. 关键词硼：形变量；再结晶：晶界偏聚 分类号TG111.7 微量硼对钢的组织及其性能有显著的影响，而硼在品界的偏聚是产生这种影响的主要原 因1.因此，微量硼的偏聚规律，是晶界偏聚研究的一个重要方面.1972年Kasen.用电阻法 测量再结晶过程电阻变化时发现，运动晶界可能存在溶质的反常富集.近年来研究发现，在 再结晶过程中，运动界面上存在有明显的非平衡硼偏聚.章三红，贺信莱等人.引研究了硼在 Fe-3%Sⅰ变形再结晶过程中的偏聚现象，据此提出了运动晶界非平衡偏聚的晶界展宽机 制.崔怀洋博土研究了含硼面心立方F-30%Ni合金经20%预变形后再结晶运动晶界上的非 平衡硼偏聚现象侧，不同的预形变量对这类反常硼偏聚现象必然会有影响，但至今尚未见报 导.本文采用PTA方法，研究了F-30%i合金不同预形变量条件下，再结晶新晶粒长大过程 中晶界硼偏聚的情况. 1试样制备与实验方法 1.1试样制备 实验合金由真空感应炉冶练，钢锭经1200℃加热后，热锻成直径为13mm的圆棒，圆棒 进行1150℃，30min均匀化处理后，水冷到室温.预处理后的样品加工成9mm×15mm的 小圆柱.合金成分（质量分数）：30%Ni,0.04%Nb,0.0023%B,0.083%Mn,0.04%Ti,其余为Fe. 该成分的合金以一般冷却速度冷到室温时，可保持单相奥氏体组织，实验在Gleeble-1500热 模拟机上进行. 1.2实验方法 采用常用的二次压缩法测量了不同预变形合金的再结晶行为.不同试样分别进行10% 或40%的预变形，由测量的结果按A.Laasraoui和J.J.Jonas的平均应力比方法得到不同时 1997-10-05收稿曹兵女，27岁 *国家自然科学基金资助课题

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 03. 035

Vol.20 No.3 曹兵等：预形变量对再结晶晶界反常硼偏聚的彭响 ·267· 间1的软化率，再由此曲线估算再结晶程度， 对样品进行一次压缩变形后，根据上面已测得的软化率和时间关系曲线，选取不同的保 温时间，然后分别采用空冷和水淬方法取得中间试样.试样水淬目的是为了较好地显示再结 晶时硼的实际分布情况.所取试样沿横向中间切开，按金相程序热镶，抛光；部分留做金相观 察，另一部分用PTA方法观察硼的分布情况. 硼的径迹显微照相(PTA)技术利用同位素"B与热中子发生核反应，反应产物α粒子和 Lⅰ粒子在特殊固体探测膜上产生损伤，从而反映出试样表面上B分布.采用三酯酸纤维作 探测膜，中子辐照的积分通量是5×10+个/cm2. 2实验结果 2.1不同量预应变后高温再结晶测定 二次压缩法测定Fe-30%Ni合金在1000℃下，热变形10%和40%后的软化率曲线，如图 1.其中ε=20%时的有关数据及硼分布试样的统计工作引自相同合金的崔怀洋博士论文. 100 100 801 80H 40% 20%●/ /0 10% 40% 20% 60 10% 40 40 20 20 0 10 100 1000 0.1 10 1001000 s 图1不同变形量下的软化率曲线 图2不同变形量下的再结晶曲线 (由图1曲线估算) 由于软化率曲线的变化是材料中回复和再结晶共同作用的结果.已有较多工作表明，高 温变形后回复过程大体上早于再结晶.本文按文献[1]的方法，回复软化取10%进行估算.从 10%到95%的软化过程主要是由再结晶而引起的.由软化率曲线（图1）估算的再结晶比率 随时间的变化曲线如图2.从图可见，F-30%N合金再结晶是一个典型的扩散型相变过程， 形变量不同对再结晶过程有很大的影响，形变量越大，再结晶过程越长， 2.2不同预变形后再结晶过程及硼分布变化 (1)水淬试样.图3及图4分别给出1000℃下预应变40%和10%后保温不同时间试样中 再结晶及硼分布状态.由图可见，由于Gleeble试样过大，因此尽管保温不同时间后用水淬快 速冷却，但并不能完全抑制冷却过程中硼的非平衡偏聚（类似合金的已有工作表明，1000℃ 保温后，快速冰盐水淬时，晶界上看不到硼偏聚).图3(40%变形后已有少量再结晶)及图 4妇(10%变形后未开始再结晶)为水淬试样硼分布，这时可以看到在原始晶界上仍显示有少量 需偏聚.这种冷却时产生的少量非平衡偏聚犹如背底，会叠加在所有晶界的总偏聚上·但实验 看到的另一明显特征是，随着再结晶开始，新生再结晶晶粒与原始变形晶粒之间晶界上的硼

·268* 北京科技大学学报 1998年第3期 偏聚，很明显地大于原始旧晶界的硼偏聚.在硼分布图上从形态及硼偏聚量可以很容易地区 分新旧晶粒，并且很少量的非平衡偏聚也大体上勾画出了原始晶界的位置，从而可以看到新 晶粒形核的部位.由图3(b)可见，这时试样已再结晶约25%~30%，在较多原始变形晶界上已 形成新晶粒（图中N处），这种晶粒与旧晶粒之间边界上有很明显的硼偏聚：但是在一些未形 核的晶界上（图中箭头处），只是由于冷却过程的少量非平衡偏聚才把它勾画了出来，移动的 新晶界上硼偏聚明显大于原始晶界， 当保温时间进一步延长，再结晶比率加大，图3(c)及3()是保温1s再结晶60%左右试 样中硼的分布形态.由图可见，这时原始奥氏体晶界基本已全被新晶粒占有，这些新晶粒已开 始联成一片，残留的原始变形晶体（图中O处）被新晶粒包围.由图3()看到，在这试样中，局 (a 6 图3e=40%水淬样品PTA照片，保温时 间/s:(a0.2,b)0.5.(c)1,(d)1,(e3 图中N为形成新晶粒；↑为未形核晶 界：O为残留原始变形晶体

Vol.20 No.3 曹兵等：预形变量对再结晶晶界反常硼偏聚的影响 ·269. 部极少量地区还能看到一些原始晶界（图中箭头处），它上面的硼偏聚仍是极弱.当]000℃变 形40%后保温3s时，试样中再结晶基本完成(90%左右)，这时残留的变形晶粒极少（图中O 处)，而大部分新品粒已长大，并相互联成一片，在相接触处品界移动受阻或停止，可以看到这 部分晶界上的偏聚减弱以致消失，如图3().当保温时间进一步延长，再结品完成，新晶粒长 大基本停止，试样中硼的分布状态基本上回到了图3(a)的状态. 图4绘出了1000℃变形10%再结晶过程中试样内硼分布的变化.图4(a)是变形后保温 1s的情况，原始的奥氏体变形晶粒边界上只有极少量冷却诱导的非平衡偏聚，图4(b)是保温 10s时的硼分布，这时再结晶在局部开始，少量新晶粒主要在三晶粒交叉点处形核（图中N 处)，由图可见，这时长大的新晶粒边界上有明显的硼偏聚，对比图4(b)和3()可见，虽然新 晶界上硼偏聚明显高于原始品界，但是随预变形量增加，这种差异更为明显.保温时间进一步 延长，再结晶过程的规律与40%变形后基本相似，到保温200s时，再结晶已完成，新晶粒长 大停止，试样中硼分布（图4(c))基本恢复到图34(a)的状态. 图4e=10%水淬样品PTA照片保温时间s:(a)1,(b)10,(c)200,N为形核部位 (2)移动新晶界上偏聚程度的半定量统计.上面水冷样品的径迹显微照片给出，在向变形 旧晶粒推进的运动晶界上硼的偏聚明显大于原始晶界，并且这种差异随着形变量的不同而变 化.为了能较定量地了解形变量不同时，晶界偏聚量的变化，进行了半定量统计工作 首先摄取各类试样的PTA照片，各试样的蚀刻程度尽量一致，以保证单个蚀坑的大小相 近，然后在放大1000倍的照片上用50mm×2mm的矩形框分别统计新生再结晶晶粒的移动 晶界上以及晶内任意位置的径迹蚀坑数，按文献[12]给出的硼浓度与蚀坑密度关系式，通过 重叠校正后得到各试样中移动晶界处的硼浓度(C)和晶内平均浓度(C,)之比.在每个再结晶 过程的中间水淬试样上选取50个视场进行统计，然后取平均值.为了消除由于冷速不足在所 有晶界偏聚上均叠加的冷却过程非平衡偏聚，同时统计了未开始再结晶试样上原始旧晶界硼 滋度C与基体浓度C,之比，由于各试样尺寸及冷却方式相同，因此这个值对所有试样各条晶 界相同.用参量K=(CC。-C1C+)表示再结晶过程中新晶粒的反常偏聚量，当K=1时表 示晶界上除了因冷却过程引起的少量非平衡偏聚外，没有其他硼偏聚，然后用K与保温时间 作图，如图5， 从图5可以看到，不同量预应变后，曲线变化的形态相似.在再结晶开始前，没有新品界

·270· 北京科技大学学报 1998年第3撕 K值为1，随保温时间增加，再结晶开始，新晶界上 测得的K很快增加，然后此值在相当时间间隔内 变化不大，不同预应变后，在再结晶进行阶段测得 e=40% 的平均K值分别为：e=10%时，K=1.51;e= e=20% 20%时，K=2.28;E=40%,K=3.46.图中曲线在 某一处开始下降，与金相观察及软化曲线测定对 e=10% 照表明，等温到此时间，再结晶量已很大，新晶粒 已长大到一定程度并相互碰上，这些界面的长大 0 0.1 10 1001000 基本停止，界面移动速度很快下降，晶界上的偏聚 t/s 量开始降低，直至消失， 图5不同预应变后K=(CC。-CyC1) 随保温时间的变化曲线 3讨论 3.1再结晶过程新晶粒长大速度估算 实验结果看到，不同预变形后，运动晶界上硼的偏聚程度明显不同，这可能与预变形程度 及再结晶新晶粒长大速度（即新晶界移动速度）不同有关，采用半定量的方法估算了不同预形 变后再结晶时的平均晶界移动速度 金相观察及径迹照相法显示，合金经10%和20%预变形后再结晶时，新晶粒主要在原始 三晶粒交叉点处形核并长大，这与文献[5]情况相似，文献[5]中，用纯几何方法估算了当新晶 粒只在三晶粒交叉点形核，并假设各晶粒长大速度相同时，当新晶粒半径r。≈d4,新晶粒会 占满旧晶粒边界并相互碰撞，在这种情况时新晶粒占的总面积（或换算成占的体积分数）约为 50%~60%.因此，只要测得不同预变形后再结晶50%的时间1。及试样原始晶粒直径d,新 晶粒长大（即新晶界移动）的平均长大速度可由V=r,进行估算.但用PTA方法看到在 40%变形后在晶界上也出现了一些形核的有利位置，由文献[5]可知，在这种情况下，当：。≈ d8时，新晶粒占面积约为30%，新晶粒长大的平均速度可由V=/,进行估算 用金相的方法分别测量了形变量为10%，20%和40%的平均晶粒直径d,样品垂直于轴 向切开抛光浸蚀后，在金相显微镜下测定了30个晶粒的直径（晶粒直径很大，在500μm以 上).表1给出了计算的不同变形量下新晶界移动速度.应当指出此值仅是很粗略的半定量 估计，不同变形量后试样实际晶粒被压扁程度不同，加上热变形后，晶粒不会是等轴的，这些 都会明显影响估算值 表1估算的晶界运动速度随形变量的变化 3.5 形变量%d/10-4mr./10mos/s W(m·s) 3.0 10 5.488 1.372 20 6.8610-b 2.5 20 5.482 1.371 15 9.00x10-6 40 5.474 0.684 0.60a3)1.1410 2.0 根据10%，20%和40%所对应的晶界移动平 1.5 均速度，可以得到偏聚量和平均速度之间的相互 10 100 1000 关系，如图6所示.此处的反常偏聚量是指新晶 以（μm·s 图6反常偏聚量值和晶界运动平均速度的关系 粒形成并长大到相交之前的平均偏聚量，从图可

Vol.20 No.3 曹兵等：顶形变量对再结晶晶界反常硼偏聚的影响 ·271· 以看到随着晶界运动速度的增加，晶界的平均偏聚量明显增加. 3.2再结晶过程运动晶界上的硼偏聚 迄今为止，溶质原子与运动晶界相互作用的理论是Cahn"),Lucke4.1的溶质拖拽理 论，但它不能解释溶质在运动晶界上的非平衡富集现象.为了说明这种反常现象，章三红等提 出了运动晶界展宽模型 此模型认为溶质原子在运动晶界上的非平衡偏聚是与运动品界的结构有关的.再结品 时，晶界不断向前运动，位错不断地进入晶界而湮灭，由于湮灭需要时间，当晶界运动速度一 定时，新进入品界的位错与已进人晶界的位错的消失将逐步达到动态平衡，从而使晶界运动 过程中一直保持一定数目的外来位错，这些位错产生的畸变将使这种晶界具有比正常晶界更 大的宽度，晶界增宽，使溶质偏聚区域增大，运动品界上总的偏聚量明显比静止晶界大， 本实验中由于预变形量加大，使变形区的位错密度增加，同时也造成再结品速度加快，晶 界运动速度增加；这样单位时间进人晶界的位错数量也大大增加，这两者都会造成运动晶 界实际宽度加大，本实验结果与晶界展宽模型的预期一致， 4 结论 (I)利用二次压缩法测量了Fe-Ni合金1000℃下形变40%和10%后保温时的软化率曲 线，并用半定量的方法估算了经不同变形高温再结晶过程中，新晶粒长大时，晶界运动的速度 变化. (2)合金再结晶过程中新生晶粒运动的边界上有比原始晶界高得多的硼偏聚，当预应变 量增加时，运动晶界的偏聚程度明显提高，当再结品结束，新品粒相遇，晶界移动受阻或停止 时，新晶界偏聚量逐步下降，以至消失， (3)半定量法测定结果表明，不同预变形后，移动新晶界的峰值偏聚比K随预应变量加 大而增加，它与再结晶晶界移动速度有关，这些结果与运动晶界展宽模型的预测一致， 参考文献 I Williams T M,Stoneham A M,Harries D R.Segregation of Boron to Grain Boundaries in Solu- tion-Treated Type 316.Metal Sei,1979,14:10 2贺信莱，褚幼义，唐立，周振新，柯俊，等温过程中奥氏体晶界硼偏聚的非平衡特征，金属学报，1987， A291:23 3 Kasen M B.Some Observations on Boundary Segregation During Grain Growth Annealing of Ultra- purity Aluminum.Acta Metall.1972,20:105 4 Kasen M B.Solute Segregation and Boundary Structural Change During Grain Growth.Acta Metall. 1983,31:483 5 He X L,Jahazi M D,Jonas J J.The Non-equilibrium Segregation of Boron During the Recrysta llization of Nb-treated Hsla Steels.Acta Metall.1991.39:2295 6 Zhang S H.He X L,Ko T.Boron Segregation in Fe-3%Si During Cooling.J Metal Sci.1994.29: 2633 7 Zhang S H.He X L,Ko T.Non-equilibrium Segregation of Solute to Grain Boundary.J Metal1994. 29:2655

·272· 北京科技大学学报 1998年第3期 8 Huaiyang Cui,Xinlai He,Jun Ke.Boron Segregation Near Moving Boundaries.Chinese Science Bulletion.1995,40:1652 9 Laasraoui A,Jonas J J.Recrystallization of Austenite After Deformation at High Temperatures and Strain Rate-analysis and Modeling.Met Trans,1991,22A:115 10 He X L,Chu Y Y.The Application of the B(n,a)'Li Fission Reaction to Study Boron Behaviour in Materials.J appl phys,1983,161:1145 11 Djaic R A,Jonas J J.Static Recrystallization of Austenite Between Intervals of Hot Working.J Iron &Stell Inst,1972,210:256 12 Hughes J O H,Rogers G T.High-resolution Autora-diagraphy of Trace Boron in Metals and Solids. J Inst Metals,1967,95:299 13 Cahn J W.The Impurity-drag Ettect in Grain Boundary Motion.Acta Metall,1962,10:789 14 Lucke K,Detert K.A Quantitative Theory of Grain-boundary Motion and Recrystallization in Metals in The Presence of Impurities.Acta Metall,1957,5:628 15 Lucke K,Stuwe H P.On the Theory of Impurity Controlled Grain Boundary Motion.Acta Metall, 1971,19:1087 Effect of Pre-deformation on Abnormal Segregation of Grain Boundary during Recrystallization Process Cao Bing He Xinlai Applied Science School UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The softening rates of Fe-30%Ni alloy containing boron after 10%and 40%deformation at 1 000C have been measured by a method of interrupted compression, the recrystallization process has also been evaluated.The moving velocity of the boundary of new recrystallizing grain which was growing into the deformed grains has been calculat- ed semi-quantitatively.By means of PTA technique the abnormal segregation phenomenon on the moving boundary during recrystallization and the influence of pre-deformation have been investigated and the amount of B segregation on moving grain boundaries has been measured.Results indicate that the abnormal segregation of boundaries,when the new grains are growing,is concerned with the pre-deformation and the moving velocity of the bourdaries.This phenomenon is discussed by the grain boundary widening mechanism. KEY WORDS boron;pre-deformation;recrystallization;boundary segregation