《北京钢铁学院学报》：硼钢淬透性与硼偏聚

-D0:10:13374/j.issn1001-053x.1983.01.013 北京钢铁学院学报 1983年第1期 硼钢淬透性与硼偏聚 金属物理教研宣贺信莱褚幼义柯俊 摘要 用改进的径迹显微照相技术研究了50B钢800一1150°C顶端淬火试样中硼的 分布状态及其变化规律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。晶界硼偏聚来自二侧贫硼区，利 用成分剖面图技术可定量测定这种偏聚的发展速度。 晶界硼偏聚发展过快与过慢均对发挥硼效应不利。试验表明，只有当晶界硼 偏聚的发展速度与基体成分相变孕育期能较好配合时，硼的效应最大。利用这种观 点可正确说明硼钢淬透性的变化特征及认识与分析影响硼钢淬透性的各种因素。 序言 硼对钢淬透性的影响已有大量研究，有若干很好的总结和书藉〔1一4。所得的结果表 明，硼钢与其它钢种在淬透性规律上的主要差别是：极微量硼就能起作用，这种作用与钢的 成分和杂质（如氧、氮）含量有关；在给定的某种基体成分钢（特别是加钛保护的硼钢）中， 淬透性随淬火温度变化表现出特殊的峰值曲线；钢的淬火前热历史会对淬透性发生明显 影响，以及在一定的热处理过程中，会出现不同形式的沿奥氏体晶界硼相析出，这种析出 的速度和形态会给淬透性带来影响等。 关于硼作用的机理，一般认为它偏聚在奥氏体晶界上（或在奥氏体晶界上形成连续共 格硼相)，从而影响新相的形核。不同的偏聚状态影响不同。但是，对偏聚的形成规律，它 对淬透性影响的定量关系，以及如何理解影响硼钢淬透性的复杂多变的因素，还缺少一个 较成熟的理论，从而给硼钢生产、使用以及硼钢的发展带来了一定的困难。 从传统的晶界平衡偏聚理论出发，认为由于热力学原因，淬火时在奥氏体晶界上存在 有一定的硼偏聚状态，这种一一定的偏聚状态就决定了硼影响的大小，从而决定了有怎样的 淬透性。这类理论试图把各种复杂的变化归结为奥氏体化保温时晶界偏聚量不足，正好或 过多来进行讨论5一7，但它无法说明各种复杂的实验现象〔8、9)。 径迹显微照相(PTA法)试验结果表明10一12，在通常奥氏体化温度下，硼原子在 晶界并无明显的偏聚，近代关于硼的晶界非平衡偏聚现象的研究和实验论证表明，砌是在 淬火冷却过程中由晶界两侧贫硼区以某种空位复合体扩散运动方式偏聚到晶界上，贫硼区 宽度的变化是这种偏聚过程发生发展的一个重要参量(13一17。用这一观点可以说明高温保 155

北 京 栩 铁 学 院 学 报 年 抹 翔 硼钢淬透性与硼偏聚 金 属物 理 成研 室 贺信 莱 褚 幼 义 柯俊 摘 要 用 改 进 的 径迹显微 照相技术研究 了 钢 一 “ 顶 端淬火试样 中硼的 分布状态及 其变化规律与硼钢淬 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 。 晶界硼偏聚来 自二侧贫硼区 ， 利 用成 分 剖面图技术可定量测定 这种偏聚 的发展速度 。 晶 界硼偏聚发展过快与过慢均对发挥硼效应不利 。 试验 表明 ， 只有当晶界硼 偏聚的发展速度 与基体成分相变孕育期能较 好配 合时 ， 硼 的效应最大 。 利 用 这种观 点可正确说 明硼钢淬 透性的变化特征 及认识 与分析影响硼钢淬 透性 的各种因素 。 序 一」一 百 硼对钢淬 透性 的影响 已有大量研究 ， 有若干很 好的总 结和 书藉〔 ’一通〕 。 所得 的 结 果 表 明 ， 硼钢 与其它钢 种在 淬 透性规律上 的主 要差别是 极微量 硼就能 起作 用 ， 这种作用 与钢的 成分和 杂质 如氧 、 氮 含量有关 在给定的某种基 体成 分 钢 特 另 是加钦保护 的硼钢 中 ， 淬透性随淬 火温度变化表现 出特 殊的峰值 曲线 ， 钢 的淬火 前热 历史会对淬透性 发 生 明 显 影响 ， 以及在一定 的热处理过 程 中 ， 会 出现 不 同形 式的沿奥 氏体 晶界硼相析 出 ， 这种析 出 的速度和形态 会给淬 透性带夹影 响等 。 关于 硼作 用 的机理 ， 一般 认 为它偏 聚在 奥氏体晶界上 或在 奥 氏体晶界 上 形成 连续共 格硼相 ， 从而影 响新相 的形核 。 不 同的偏聚状态 影 响不 同 。 但是 ， 对偏 聚的 形成 规律 ， ‘白 对淬透性影 响的定 量关 系 ， 以及 如何理解影 响硼钢淬透性的复 杂多变的 因素 ， 玉缺 少一 个 较成熟 的理论 ， 从而给 硼钢生 产 、 使用 以及 硼钢 的发展带来了一定 的困 难 。 从传统的晶界平衡 偏聚理论 出发 ， 认 为由于 热 力学原 因 ， 淬 火 时在 奥 氏体 晶界 上存在 有一定 的硼偏聚状态 ， 这种一定 的偏聚 状 态就 决定了 硼影 响的大 小 ， 从而决定 了有怎样的 淬透性 。 这类理 论试 图把各 种复杂的 变化 归 结 为奥 氏体 化保温时 晶 界偏 聚量不 足 ， 正 好或 过 多来 进行讨论沁一 〕 ， 但 它无 法说明 各 种复杂 的实验 现 象〔 的 。 径迹显微 照相 法 试验 结果表 明〔 一 ” 〕 ， 在 通 常奥 氏体 化温 度 下 ， 硼 原 子 在 晶界并无明 显的偏聚 ， 近代关于硼的晶 界非平衡偏 聚现 象的研究和 实验 论证表明 ， 硼是在 淬火冷却过 程 中由晶界两侧贫硼 区 以某种空位 复合体扩散运动方 式偏 聚到晶界 卜 ， 贫 硼 区 宽宾的变化是这种偏聚过程发生发展的一个重要参量〔 ’ “ 一， ，， 用这一观点可 以说明 高温 保 乒兵 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．01．013

温时硼对晶界能降低不多〔18)，以及翻的晶界偏聚温度系数为负，但高温冷却时，晶界偏聚量 反而增多等矛盾的现象。本文从此观点出发，试图建立硼钢淬透性与硼向奥氏体晶界偏聚 之间的关系，并以此来弄清影响硼钢淬透性的复杂因素。 一、试验材料及方法 试验用50B钢，用5吨电炉治炼，加钛保护硼，成分为： C0.54%,Mn0.75%,Si0.31%,A1s0.017%,Ti0.035%,N0.015%,Bs0.0027%. 钢锭经热锻成75mm方坯，为检查钢中硼分布的均匀性，保证顶淬试验的有效性，取 钢锭中段方坯，进行逐点成分分析，分析部位见图1，结果列于表1。由表可见方坯中硼 分布基本均匀。 方坯经二次热轧成直径30mm圆棒。 钢材经950°C正火处理后加工成标准顶淬试样，为防止加热时的脱硼和脱碳，顶淬后 试样从表面磨去2.5毫米，进行硬度测量，以HRc43评定半马氏体距离。 表1 钢坯上不同部位取样分析硼含量(%) 取 ·位 2 3 平 湖 位 1 0.0028 0.0028 0.0027 0.0028 0,0028 II 0.0026 0,0029 0.0027 0.0027 0.0027 1ll 0.0025 0.0026 0.0027 0.0027 0.0026 注，1.取样都位如图1所示 2.试验钢坯平均隔含量是0.0027% 顶淬后试样用改进的经迹显微照相技 术19,20)进行研究。硼在钢中的微观分布 用两重复合粘接技术把醋酸纤维(AC) 薄膜紧密地粘合在试样上，在反应堆热中 子区辐照，单位面积辐照积分通量为 4,1014中子数/cm2,揭下AC膜经蚀刻后 在显微镜下进行观察。试验的灵敏度为 图1试验坯上败样都位 1Ppm,空间分辨率约2μ。运用已发展的统 计方法及成分剖面图技术c13,15),对微观区域的硼分布进行定量或半定量估算。 二、试验结果 1.淬透性试验 钢材按标准在840°C顶淬，结果符合工业用50B钢技术要求，半马氏体距离为9mm, 晶粒度8级。相应无硼的50钢的半马氏体距离为5mm,硼淬透性因子为1.8。 在800°C到1150°C范围内，在不同加热温度下进行顶淬试验，半马氏体距离随淬火温度 156

温 时硼对晶界能降低不 多〔 〕 ， 以及硼 的晶界偏聚温度系数 为负 ， 但高温冷 却时 ， 晶界偏聚量 反而增多等矛盾 的现 象 。 本文从此观点 出发 ， 试图建立 硼钢淬透性与硼 向奥氏体晶界偏聚 之间 的关系 ， 并以此夹弄清影响硼钢淬透性的复杂因素 。 一 、 试验材料及方法 试验用 钢 ， 用 吨 电炉冶炼 ， 加钦保护硼 ， 成分 为 ， ， ， ， ， ， · 钢锭 经热锻成 方坯 ， 为检查钢中硼分布的均匀性 ， 保证顶淬试验的有效 性 ， 取 钢锭中段方坯 ， 进 行逐点成分 分析 ， 分析部位见图 ， 结果列于表 。 由表可见方坯 中硼 分布基本均匀 。 方坯经二次热轧成直径 圆棒 。 钢材经 呱 。 正火处理后加工成标准顶 淬试样 ， 为防止加热 时的脱硼 和脱碳 ， 顶 淬 后 试样从表面磨去 毫米 ， 进 行硬度测量 ， 以 评定 半马 氏体距离 。 裹 钢坯上不同部位取样分析翻 含 平 均 一 。 。 。 公 卜 。 。 。 令 。 。 。 。 。 。 。 川 注 。 取 祥部位 如图 所 示 试 脸俐 坯平 均翻 含 是 。 。 顶 淬后试样用改进 的经迹显微 照相技 术〔 、 〕进 行研究 。 硼在 钢中的微观 分 布 用两 重复合 钻接技术 把醋 酸 纤 维 薄膜紧密地 粘合在试样上 ， 在反应堆热 中 子 区辐照 ， 单 位面 积 辐 照 积 分 通 量 为 ， “ 中子 数 “ ， 揭下 膜 经蚀刻后 在显微镜下进 行观察 。 试验 的 灵 敏 度 为 ， 空间分辨率 约 “ 。 运用 已发展 的 统 一 ， 二 图 试 验 坯上 取 样 部 位 计方法及成分剖面图技术 〔 ，， 幻 ， 对 微 观区域的 硼 分 布进行定 量或半定量估算 。 二 、 试 验 结 果 。 淬透性试验 钢材按标准在 顶淬 ， 结果符合工业用 钢技术 要求 ， 半马 氏体 距 离 为 ， 晶粒度 级 。 相应 无 硼的 钢的 半马 氏体距离为 ， 硼 淬透性因子 为 。 。 在 到 范围 内 ，在不同加热温度下进 行顶淬试验 ， 半马 氏休距离随淬火温 度

的变化示于图2()，对应试样中奥氏体晶粒度的变化如图2(b)所示。结果表明，淬透性随淬 火温度变化的规律，符合典型硼钢的峰值变化曲线。峰值出现在950一1000°℃，淬火温度 进一步升高，虽然试样中奥氏体晶粒度粗化，但淬透性反而下降。 11.0 10.0 氏 100 体期 9.0 9. 8.0L 700 809 900 1000J1001200*(: 700, 800.900 度80840006960000i网 1000J5001200℃， 0 品粒88GK3322 2 ■8084096950i02101o5 粒度323名22 7u0 800 9001000 11001280C 8 700 800 900 100011001200°C 郭火温常。…，… 火府 图250B解不同温度加热顶淬半马氏体距离 :图360B佩加热1150°C后炉神到不同温度顶淬 ()与晶粒度变化曲线(6)。升温热处理 半马氏体距高(a)及晶粒度曲线(b)。摩祖热处理 为了消除晶粒大小变化的千扰，进行了降湿顶淬试验。'全部试样首先加热到1150°C, 保温30分后炉冷到不同顶淬温度保温20分淬火，检查表面，发现脱硼层深2mm。试样表面 磨去2.5mm后，测量半马氏体距离随淬火温度的变化。如图3(a)所示。这批试样淬火时其奥 氏体晶粒度基本相同，见图3(b)。 由图3可见，消除晶粒度影响后，硼效应随淬火温度变化的特征更加突出。由于这时 试样均为粗大晶粒，因此除800°C淬火者外，半马氏体距离均大于升温试样。 已有的试验分析(21,22)及径迹显微照相分析表明，该钢中硼相主要是M2,(CB),型化合 物，当加热温度高于950°C后，M2。(伦B),相基本溶清，1150°C加热后炉冷试样在950°C 以下才开始沿晶界析出含硼相（图4，·见图版）。径迹照相结果表明，950°C以上顶淬试样 中，基体径迹密度没有明显变化（图5）。看来在950°C以上，淬透性的明显变化，不是由 于钢中硼化物溶解，固溶硼量变化引起。 2,哪的偏聚状态与淬透性： 径迹显微照相技术分析指出1150°C加热后炉冷到900°C顶淬试样中的硼分布状态，如 图4（见图版）。由图可见，在同一个顶淬试样中，硼的分布形态各处均不相同，除在 900°C保温已有硼相析出外，离顶端3毫米处原爽氏体晶界上的硼偏聚很不明显，7毫米 处在奥氏体晶界上形成细而连续的网状硼偏聚带，10.5毫米处开始出现局部的不连续聚 集，直到12毫米处出现沿晶界细硼相析出。由于同一试样上各处硼分布状态不同，各种状 态都有，自然难以把特定的偏聚状态与该试样淬透性的高低直接对应起来。 157

的变化示于图 ， 对应试样中奥氏体晶粒度的 变化如 图 所示 。 结果表明 ， 淬透性随淬 火温度 变化的规律 ， 符合 典型硼钢的峰值变化 曲线 。 峰 值 出现在 。一 ， 淬 火温度 进一步 升 高 ， 虽 然试样 中奥 氏休晶粒度 粗化 ， 但 淬透性反而下 降 。 体习氏瓦距场 半 。 马 民 休 肠 离 箭一 一不而一丽 一代前犷一百矛之 仲弓卜叫卜呻卜闷卜 宁， 益幽笠当罗 ‘ 峨枉度吸列 退 度 压而 一压丽环而俪矿「而厄应 ‘ 。 叫冈同画网同匹 拉班级品别 航一瑞犷一谕尸 一亩才，孩示二 湘 朴火拐常 乍火通 叹 圈 炯 不 同温 度加 热 顶淬半 马 氏体 距 离 与晶粒 度变 化 曲线 。 升 沮 热处理 侧 名 ‘ 翻加热 后 炉 冷 到不 同滋 度顶 淬 半 马 氏体距 离 及 晶较 度 曲线 。 降沮 热 处 理 为了 消除 晶粒大小变化 的干扰 ， 进行了降 温顶 淬试验 。 ‘ 全 部试样首 先 加热 到 “ ， 保温 分后炉冷到不同顶淬温度保温 分淬火 ， 检查表 面 ， 发现脱硼层深 。 试样表面 磨去 后 ， 测量 半马 氏体距离随淬火温度的变化 。 如 图 所 示 。 这批 试样淬火 时其奥 氏体晶粒度基木相 同 ， 见 图 。 由图 可 见 ， 消除晶粒度影响后 ， 硼效应随淬火温度变化的特 征更 加 突出 。 由于这时 试样均为粗大 晶粒 ， 因此除 淬火 者外 ， 半 马 氏体距离均 大于 升温试样 。 已有的 试验分析〔邵 ，韶〕及径迹显微照相分析表 明 ， 该钢 中硼相主 要是 。 型 化合 物 ， 当加热温度 高于 后 ， ， 。 相基本溶 清 ， “ 加热 后 炉 冷试样在 以下 才开始沿 晶界析 出含硼相 ’ ， 见 图版 。 径迹 照相结果表 明 ， 以 上 顶淬试 样 中 ， 基体径迹 密度 没有明显变化 图 肠 。 看来在 以上 ， 淬透性的 明 显变化 ， 不是 由 于钢中硼化 物溶 解 ， 固溶硼量变化引起 。 祖的偏 聚状态与 淬透性 飞 径迹显微 照 相技术分析指 出 加热 后 炉冷到 “ 顶 淬试样中的 硼 分 布状 态 ， 如 图 见图版 。 由图可见 ， 在 同一 个顶淬试样中 ， 硼的 分布形态各处均 不 相 同 ， 除 在 。 。 。 保 温 已 有硼相析 出外 ，离顶 端 毫 米处原奥 氏 体晶界上 的硼 偏 聚很不明 显 ， 毫 米 处在奥 氏体晶界上形成细 而连续的 网状硼偏聚带 ， 毫米处开始 出现 局 部的 不 连 续 聚 集 ， 直到 毫 米 处 出现沿 晶界细硼相析 出 。 由于 同一试样上 各处硼 分布状态不 同 ， 各种状 态 都有 ， 自然难 以 把特 定的 偏聚 状态与该试样淬透性的 高低直接对 应起来 。 飞

硼在奥氏体晶界偏聚的研究结果还表明，即使在顶淬试样的某一个特定点上，它的偏 聚形态在冷却过程中也是在不断变化的，这种变化速度与冷却过程有关。 图5（见图版）给出了1000°C和1150°C顶淬时，试样各部位硼偏聚的发展情况。从显示 的硼分布可见，这类钢在950°C以上硼相已全部溶清，基体蚀坑密度不再发生变化。但由 于顶淬温度不同，晶界偏聚的发展速度有明显差异。1150°℃顶淬时，偏聚发展很快，相 应于距离顶端3毫米处的冷却速度，试样中已形成明显的连续偏聚带，在5毫米处偏聚已 发展到断续的聚集状态。这种过快的发展速度，对应着该试样淬透性的大幅度下降。而随 淬火温度下降，偏聚的发展速度逐步减慢，从1000°C淬火时（图5(b)。同一位置或冷速 下，晶界偏聚减慢，硼提高淬透性的效应明显起来，半马氏体距离明显增加。 图4和6（见图版）给出了900°C及其以下温度顶淬时的情况。这时由于顶淬温度低，从 1150°C冷却到900°，840°及800°C,保温时在奥氏体晶界上已有微细含硼相析出，钢中固溶 硼量有所降低。温度愈低，析出量愈多，固溶量下降愈大。这样，顶淬冷却时，硼向晶界 偏聚的发展速度840°C及800°C比900°C顶淬时慢得多，此时硼的淬透性效应也有所降低。 特别是在800°C淬火时，由于顶淬前大量细硼相已在奥氏体晶界及晶内析出，固溶硼量降 低，加上冷却时部分固溶硼原子又偏析到已形成的细小硼相上，因此直到离顶端1？，？mm 处，晶界上才开始形成明显的连续网状硼偏聚带。对应的淬透性甚至低于直接加热到800°C 顶淬的细晶粒试样（后者淬火前没有大量沿晶界细硼相析出物）。 从试验结果可以看到，硼向奥氏体晶界偏聚发展的速度快慢和对应试样的淬透性值有 明显关系，偏聚发展过快和过慢，均不能充分发挥硼提高淬透性的作用。 3.非平衡偏聚形成与发展的速度 晶界上偏聚的硼是冷却过程中来自晶界两侧的贫硼区9,13门，可以用晶界二侧形成的贫 硼区宽度作为描述晶界非平衡偏聚发展变化的一个特征参量。用PTA法测定晶界附近硼的 成分剖面图如图？所示。其中x和2δ分别表示晶界两侧贫硼区宽度和晶界富集带宽度。 界 离品界距离 (8) 离酷界距离 图？黄漏区测定示常图田 158

枷在奥氏体 晶界偏聚的研究结果还表明 ， 即使在顶 淬试样的某一 个特定 点上 ， 它的偏 聚形态 在冷却过 程中也 是在不断变化的 ， 这种变化速度与冷却过 程有关 。 图 见 图版 给 出了 和 “ 顶淬时 ， 试样各部位硼 偏 聚的发展 情况 。 从 显示 的硼 分布可 见 ， 这类钢在 以上 硼 相已全 部溶清 ， 基 体蚀坑 密度 不再发生 变化 。 但 由 于 顶 淬温度 不 同 ， 晶 界偏聚的发展速度 有明 显差异 。 “ 顶 淬时 ， 偏 聚发 展 很 快 ， 相 应于距 离顶端 毫米 处 的 冷却速度 ， 试样中已形成 明显的 连续偏 聚带 ， 在 毫米处偏 聚 已 发 展到断续 的 聚集状态 。 这种过快的发 展速度 ， 对 应着该试样淬透性 的 大幅度 下降 。 而随 淬火温度下 降 ， 偏 聚的发展速度逐 步减慢 ， 从 “ 淬火 时 图 。 同一位 置或 冷速 下 ， 晶 界偏 聚 减慢 ， 硼 提 高淬透性的效应明显起来 ， 半马 氏体距离明 显增 加 。 图 和 见 图版 给 出了 及其以下温度顶淬时的 情况 。 这时 由于 顶淬温度低 ， 从 冷却到 “ ， 。 “ 及 “ ， 保 温 时在奥 氏体晶界上 已有微细 含硼相析 出 ， 钢 中 固 溶 硼量有所降 低 。 温度愈 低 ， 析 出量愈 多 ， 固溶量下降愈 大 。 这样 ， 顶淬冷却时 ， 硼 向晶界 偏聚 的发展速度 。 。 及 。 。 。 比 。 。 “ 顶 淬 时慢得 多 ， 此 时硼 的 淬 透性效应 也有所 降 低 。 特别是在 。 。 。 淬火 时 ， 由于顶 淬 前大量 细硼相 已在奥 氏体晶界及 晶 内析 出 ， 固溶硼 量 降 低 ， 加上 冷却时部分固 溶硼 原子 又偏析到 已形成的 细小硼 相上 ， 因此直到离顶端 处 ， 晶界 上 才开始 形成 明显 的 连续 网状硼偏聚带 。 对应的淬 透性 甚至 低于直接 加热 到 “ 顶 淬的细 晶粒试样 后者淬火前没有大量沿晶界细硼 相析 出物 。 从试验 结果可 以看 到 ， 硼 向奥氏休晶界偏 聚发展的 速度快慢和 对应试样的 淬 透性 值有 明显关系 ， 偏聚 发 展过快和过慢 ， 均不能充分发挥硼提 高淬透性 的作用 。 非平衡偏蔽形成与发展的速度 晶界上偏聚的 硼是冷却过程 中来 自晶界两侧的贫硼 区〔， 〕 ， 可 以用 晶界二侧形成 的 贫 硼 区宽度作 为描述 晶 界非平衡偏聚发 展变化的一个特 征参量 。 用 法测定晶 界附 近硼 的 成分剖面图如图 所示 。 其中 和 各分别 表示晶界两侧贫硼 区 宽度和 晶界富 集带宽度 。 扩攀爹 汤考 嚷黯瓣… 七 、 公 份升份扭林倒 离品舞媚舞 翻姗如粕加喻协 ‘ 脚 贫姗区口 定 示幸阅

用这种统计方法，测定了不同淬火温度下，顶淬试样各部位（相应于不同冷速）硼的 成分剖面图，由图上测出晶界附近贫硼区宽度随冷却速度的变化，其结果如8图·。 1150: (u) 35 区 1100C 30 25 950C ∠1000°C 20 900C 15 840G 10 0 20 30x10立 /A 图8不同温度顶淬试样不同部位货硼区宽度与祖度及冷却速度关系 由图可见，在一定温度下，贫硼区宽度X与1/√A成正比，A为相应部位的冷却速度： 而曲线的斜率是淬火温度T的一个函数，可得下式： X=HT六 顶淬温度增加，H(T)增加。H(T)综合反映了硼原子迁移机制以及各种成分、结构因素 对硼晶界偏聚速度的影响。 在不同温度顶淬后，试样的径迹显微照相上，可以测出该试样中晶界硼偏聚由连续网 状发展为蚀坑断续成堆沿晶界分布的“聚集”状态时的离顶端距离D。不同温度顶淬试样， 测定的结果列于表2。在表2中同时列出对应部位上的冷却速度C、以及该部位成分剖面 图上测定的贫硼区宽度X。 表2 不同温度顶淬试样半马氏体距离及出现晶界偏聚向聚集态发展的部位 及相应部位冷却速度和贫蹈区宽度 度C 项 800 840 900 950 1000 1100 1150 且 半马氏体距离D,mm 8.2 10,5 10.6 9.9 9.5 8.6 出现素集部位DA,mm >18 16.6 10.0 7.3 6.3 5.6 5.0 相应部位冷速CA,C/, /秒 11.5 18.3 28.5 39 45 50.5 相应部位贫哪区宽度XA,业 12.5 15,6 15.5 14,0 18.0 20.0 若考虑顶淬温度对各点冷速的影响，各粹火温度试样上各点冷速均应分别乘以一个常数项系数。这时， 各直线将发生平移，但形状不变。 159

用 这种统计方法 ， 测定 了不 同淬火 温度 下 ， 顶 淬试 样各部位 相 应于 不 同冷速 硼 的 成 分剖面图 ， 由图 上测 出晶界 附近 贫硼 区 宽度随 冷却速度 的 变化 ， 其结果如 图，。 ’ “ 界上 贾 吸 孟 。 皿 的 口 洲尸产 。 纷一一布一一卞一‘ 有一一一介一一戈石布 阿人 · 田 不 同温度顶 淬试 样不 同 部 位 贫翩 区 宽 度 与沮 度及 冷 却速 度关 系 由图可见 ， 在一定温度下 ， 贫硼 区宽度 与 训万成正 比 ， 为相应部位 的 冷却速度 而曲线的 斜率是淬火温度 的 一个函数 ， 可 得下 式 卜训二 顶淬温度增加 ， 增 加 。 综合 反映了 硼原子迁 移机制 以及各 种成 分 、 结构因素 对硼晶界偏聚速度的 影响 。 在不 同温度顶淬后 ， 试样的 径迹显微 照相上 ， 可 以测 出该试样 中晶界 硼 偏 聚 由连续 网 状发展为蚀坑断续成堆沿晶界分布的 “ 聚 集 ” 状态 时的离顶端距 离 。 不 同温度 顶淬试样 ， 测定的 结果列于表 。 在表 中同时 列 出对 应部位 上 的 冷却速度 、 以 及该 部位成 分 剖 面 图上 测定 的 贫硼 区 宽度 。 农 不 同温度 顶淬试样半马 氏体距 离及 出现 晶界偏聚 向聚集态 发 展 的部位 及 相应 部位冷却速度和 贫硼 区 宽度 皿竿巡丈… 。 。 … 。 … 。 。 … 。 … 。 。 。 。 。 。 ’ 半 叭耗 离， 二 … · 卜 …一 卜 …几 ‘ 卜 。 一 ” 。 。 集 部位 ，二 。 ， 。 ， 。 一石刃一石 一 厂二下不 罗撇栩竺竺今 ， ” 卜 ’ ’ ’ 二 ’ 。 ，二竺 若 考虑 顶淬 温 度 对 各 点冷 速 的影 响 ， 各 淬 火 温 度 试 样 上 各 点 冷 速均应 分别乘 以 一 个常数 项 系 数 。 这 时 ， 各直 线将 发 生 平 移 ， 但 形状不 变

由测定的数据表明，除了顶淬温度为 800°C时，钢中碳硼化物大量析出，固溶硼 20 盘明显下降以外，在840°C一1000°C范围 内，出现晶界硼偏聚由连续带向聚集态发 10 展时的贫硼区宽度变化不大（贫硼区宽度 的测定误差在10一15%)，如图9所示。表 700 800900100011001200°元 明这种偏聚状态的出现是在富集带中硼浓 海火温 度达到一定值时发生的。当顶淬温度大于 1000°C以后，出现聚集时的贫硼区宽度 图9不同逼度出现偏聚向聚集发展时的黄哪区宽度 X.有所上升。 三、讨 论 1·微量硼偏聚在奥氏体晶界，从而提高钢淬透性的机制已提出过许多不同的模型和看 法4)。本试验表明，硼在奥氏体晶界的偏聚是在冷却过程中由晶界附近贫硼区中富集而来。 解变温扩散方程的近似方法得到贫硼区宽度X与淬火温度T,冷却速度A以及偏聚过程的 扩散激活能Q和扩散常数D间有如下关系式。 了x=2.80V5D。Y/A Y=y.+2Eyi+y. 】。1 Q 1 y=exp(-R'Ti-10 j=0、1、2…n 顶淬试样上试验测定的X与T和A的关系（图8）符合这个表达式，H(T)相当于上 式中的2.8√5D。Y项。由此公式可见，在一定奥氏体化温度淬火时，相应不同冷却速度 的不同顶淬距离处有不同的贫硼区宽度和不同的偏聚状态。淬火温度改变，试样上各处硼 偏聚量和程度就要发生变化，要达到同样偏聚状态所需要的冷却速度（即相应的离顶端距 离)也就不同。偏聚发展越快，出现同一偏聚状态的离顶端距离就愈小。 图10对比了不同温度顶淬试样中，出现晶界断续聚集状态时的离顶端距离和对应淬火 温度下试样的半马氏体距离。由图可见， 在900°C以上顶淬时，硼的偏聚发展过 16 快，硼在晶界的偏聚过早地发展到聚集状 24 态，影响了硼提高淬透性的效果。而在 12 900°C以下顶淬时，硼的晶界偏聚过程义 10 过慢，奥氏体分解已经开始，硼的效应还来 不及很好发挥。试验中只有在900°C附近 顶淬时，硼偏聚发展速度与相变的孕育速 度能较好地配合，有利于淬透性的提高。 700 800 901001100240C 2,从硼向类氏体晶界偏来的发展速度 用10不同温度顶粹半马氏体距离() 与奥氏体分解的相变孕育速度之间相互配 及出现素集状态离顶端的距离(b) 合的观点出发，来考察硼提高淬透性作用 160

二 体火沮鹰 不 同沮 度出 现 偏聚 向聚 集发展时 的贫翻 区宽度 叶比 六 圈 义 贫砚区宜度 由测定 的 数据表明 ， 除了顶 淬温度为 “ 时 ， 钢 中碳硼化物大量析出 ， 固溶 硼 量明显下降以外 ， 在 一 范围 内 ， 出现晶界硼偏 聚 由连续带向聚集态 发 展时 的 贫硼 区宽度变化不大 贫硼区 宽度 的测定 误差在 一 ， 如 图 所示 。 表 明这种偏聚状态的 出现是在富集带中硼 浓 度达到一定值 时发生 的 。 当顶淬温度大于 。 。 。 “ 以后 ， 出现聚集 时的贫硼 区 宽 度 ‘ 有所上升 。 三 、 讨 论 微盆硼偏聚在奥 氏体晶界 ， 从而提高钢淬透性的机制 已提 出过 许多不 同的模型和看 法〔 们 。 本试验表明 ， 硼在奥 氏体晶 界的偏聚是在冷却过 程 中由晶 界附近贫硼 区 中富集而来 。 解变温扩散方程的近似方法得到 贫硼区宽度 与 淬火温 度 ， 冷 却速拿 以及偏聚过程的 扩散激活能 和扩散常数 。 间 有如下关系式 。 二 。 斌 。 · “ ，只 · 、 ‘ “ ‘ 一 贾 了 几万少 二 、 、 ’ ， 廿， 、 顶淬试样上试验测定的 与 和 人的关系 图 符合这个表 达式 ， 相 当于 上 式 中 的 侧而万项 。 由此公式可见 ， 在一定奥 氏体化温度淬火 时 ， 相应不 同冷却 速 度 的不同顶淬距离处有不 同的贫硼区 宽度和不同的偏 聚状态 。 淬火温度改变 ， 试样上各处硼 偏聚量和 程度 就要发生变化 ， 要达到同样偏聚状态所需要的冷却速度 即相应的离顶端距 离 也就不同 。 偏 聚发展越快 ， 出现 同一偏 聚状态 的离顶 端距离就愈小 。 图 对 比了 不 同温度顶淬试样中 ， 出现 晶 界断续 聚集 状态 时的离顶端距离和对应淬火 军 林 禽幼绝厦离 ‘， 《 加 ‘ 乙 图 不 同 温 度顶 淬 半 马 氏体 距 离 及 出现 获 集状 态离顶 端 的距 离 温度下 试样的 半马 氏体距离 。 由图可 见 ， 在 “ 以上顶 淬时 ， 硼的 偏 聚 发 展 过 快 ， 硼在晶界 的偏聚过早地 发展到 聚集状 态 ， 影 响了硼 提 高淬透性 的 效 果 。 而 在 “ 以下 顶 淬时 ， 硼 的晶界 偏聚过程 又 过慢 ， 奥 氏体分解 已经开始 ， 硼 的效应还来 不及很好发挥 。 试验 中只有在 附 近 顶淬 时 ， 棚偏 聚发 展速度与相变的 孕育速 度能较 好地 配合 ， 有利于 淬透性的提 高 。 从 硼 向奥氏体晶界偏 聚的发展速度 与奥 氏体分 解 的相变孕育速度之间相互 配 合的观点出发 ， 来考察硼 提高淬透性作用

的效果时，不仅能较好地说明硼钢淬透性随淬火温度变化的峰值特征，也说明了为什么 Simco[5]等会发现淬火温度升高，淬透性下降的同时，晶界硼析出相反而增多的这一事实 (一般认为硼在晶界偏聚的温度系数为负)。 从这种观点出发也推论出，在同样成分同样淬火条件试样中，只要有某种因素影响了 硼向晶界的偏聚速度，那么必然会影响硼效应的大小。 例如试验发现同一护含硼0.0040%的40MnB钢试样，均在850°C顶淬。只是由于各试 样在制备前经历的热历史有所差异，从而淬火前试样中原始硼相分布状态以及基体中硼的 固溶状态不同，如图11()和(b)(见图版)。试样经相同的加熟和淬火时，钢中不同的硼 分布状态，影响了硼原子向晶界偏聚的进程，因此仅管淬火条件等均相同而形成的晶界偏 聚程度差别很大。如图11(c)和(d)(见图版)。淬透性测定结果表明，这时试样顶淬半马 氏体距离相差达30%以上。 3,偏聚速度与相变孕育期相配合的观点也指明，改变钢的基体成分改变相变孕育期， 对硼效应的发挥有很大关系。在通常生产中常用的淬火温度下，硼在钢中的固溶度较低，淬 火过程中硼在晶界的偏聚形成与发展较慢，硼的作用难以很好发挥，本试验中的50B钢就是 一例，在它常用的淬火温度下(840°C顶淬)硼的效应未能充分发挥。看来对于这类钢适 当提高基体成分的淬透性对发挥硼的作用是有益的。 rypaeB[24]等早期发现，硼在高淬透性钢中的作用不如在低淬透性钢中的作用大，这现 象和本试验中看到的规律是一致的，合金元素的加人，不仅改变了基体成分的淬透性又影 响了硼向晶界偏来的规律。进一步研究各种合金元素对硼向晶界偏聚速度的影响，以及怎 样合理地选取基体成分淬透性是一个需要深人研究的重要课题。 结 论 1,硼在奥氏体晶界上的偏聚是在冷却过程中发生的非平衡偏聚现象。济火试样中不存 在一种固定的硼偏聚状态，在不同点，硼偏聚均从无到有，并可发展为断续的聚集与析出 状态。 2,硼提高结构钢淬透性的效应决定于硼在奥氏体晶界非平衡偏浆的发展速度以及这种 速度与钢的相变孕育速度的合理配合。非平偏聚发展过快或过慢均不能有效地发挥硼在 晶界抑制新相形核，提高淬透性的作用。 3,提出的偏聚发展与相变孕育速度相互配合的观点，可以较好地说明例钢淬透性的特 殊规律。也为合理选取硼钢成分及热处理工艺提供了依据。 参考文献 C1]R.A.Grange,F.J.Shortsteeve etal,"Boron,Calcium,Columbium and Zirc- ouium in Iron and Steel"1957. [2]A.Brownrigg,J.of Australian Inst.of Metals,18(1973),124-136. 〔3〕B.M.Kapadia,“Hardenability Concepts with Application to Steel'”AIME (1978),448. C4 "Boron in Steel",Edited by S.K.Banerji and J.E.Morral,The Metallurgic- 161

的效果时 ， 不仅能较 好地说明硼 钢淬透性随淬火温度 变化的峰值特征 ， 也说明了 为 什 么 。 〔 〕等会发现淬火 温度升高 ， 淬透性 下降 的 同 时 ， 晶界 硼析 出相反而增 多 的 这一事 实 一般 认 为硼在 晶界偏聚 的温 度系 数 为负 。 从 这种观 点 出发也 推 论 出 ， 在 同 样成分 同样淬火 条件 试样 中 ， 只 要有某种 因素影 响了 硼 向 晶界 的偏 聚 速度 ， 那 么必 然 会影 响硼 效应 的大 小 。 例 如 试验发现 同一炉含 硼 。 的 钢试样 ， 均 在 “ 顶淬 。 只是 由于 各试 样在制备 前经 历的热 历 史有所差异 ， 从而淬火 前试样 中原 始棚 相分 布状态 以及 基休中硼的 固溶状 态 不 同 ， 如 图 和 见 图 版 。 试样经相 同的 加热和 淬 火 时 ， 钢 中不 同的 硼 分 布 状态 ， 影 响了 硼原 子 向晶界偏 聚的进 程 ， 因此 仅管淬火条件 等均 相 同而 形成 的晶界偏 聚程度差 别很 大 。 如 图 和 见 图版 。 淬透性测 定 结果 表 明 ， 这时 试样顶淬 半 马 氏 体距 离相差 达 以上 。 硼 偏 聚 速度 与相 变 孕育期相 配合的 观点也 指明 ， 改 变钢 的 基体成分 改变相变孕 育期 ， 对硼效应的 发挥 有很 大 关系 。 在 通常生 产 中常用 的淬 火温度下 ， 棚在钢 中的 固溶度较低 ， 淬 火过程 中硼在晶界的 偏聚形成 与发展较慢 ， 硼 的作用难 以很好发挥 ， 本试验 中的 钢 就是 一例 ， 在它 常 用 的 淬火温度下 顶 淬 硼 的效应 未能 充 分发 挥 。 看来对于 这类钢 适 当提高基体成 分 的 淬透性对 发挥硼 的作 用 是 有益 的 。 〔 〕等早期发现 ， 硼在 高淬透性钢 中的作用 不如 在低 淬透性钢 中的作 用 大 ， 这现 象和本试验 中看到 的规律是一致 的 ， 合 金 元素的 加人 ， 不仅改变了基 体成 分 的 淬 透 性又影 响了硼 向晶界 偏聚的 规律 。 进一步研究各种合 金元 素对硼 向晶界偏聚速度的 影响 ， 以及怎 样合理地 选取基 体成 分淬 透性是一 个需要深 人研 究的 重要课题 。 结 论 硼 在奥 氏体 晶界上 的 偏聚是在 冷 却过 程 中发 生 的非平 衡偏 聚现 象 。 淬 火试样 中不 存 在一种固 定的硼 偏聚状态 ， 在 不 同点 ， 硼 偏 聚均从 无到有 ， 并可发 展 为断续 的 聚 集 与析出 状态 。 硼提高结构钢淬 透性 的效应决定于 硼在 奥 氏体晶界非 平 衡偏聚 的 发 展速度 以及 这种 速度与钢的相变 孕育速度的合 理配合 。 非 平 衡 偏 聚发 展过快或 过慢 均 不能有效 地 发挥 硼 在 晶界抑制 新相形 核 ， 提 高淬 透性的作 用 。 提 出的偏 聚发 展与 相变孕育速 度相互 配 合的 观点 ， 可 以较 好地 说明硼 纲淬 透性 的特 殊规 律 。 也 为合 理 选 取硼 钢成 分及 热 处理 工 艺提 洪了 依据 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ，“ ， ， · ” 。 〔 〕 ， ， 一 ， 一 〔 〕 ， “ ” ， 。 〔 〕 “ ” ，

al Sdicty of AIME 1980. [5)C.R.Simcoe,A.R.Etsea and G.K.Maming,Trans AIME 203(1955),193. [6]G.F.Melloy,P.R.Stimmon and P.P.Podyursky,Met.Trans.,10(1973),2279. 〔7)土生隆一等，铁与钢，60(1974)，1470. [8]T.M.Williams,A.M.Stoneham,D.R.Harries,Met.Sci.,10(1976),14. 〔9〕贺信莱，褚幼义等，金属学报，13(1977)，2. [10]S.K.Keown,F.B.Pickering,Met.Sci.,11(1977),225. [11]M.Veno,T.Lnonc,Trans.Iron and Steel Jpn.,IPn,13(1973),210. 〔12)M.「.Bep3uHa等，L3B.B.B.Y.3.Φu3uka,1978(2),111-114. 〔13)贺信莱，褚幼义，柯俊，金属学报，18(1982)1. 〔14)贺信莱，褚幼义，柯俊，金属学报，18(1982)11. 〔15)贺信莱，褚幼义，柯俊，中美双边冶金学术会议论文集，1981. 〔16〕褚幼义，贺信莱等，金属学报，16(1980)，386. C17]Ph,Maitrepierre,et al,"Hardenability Concepts With Application to Steel", AIME,(1978),421. [18]A.M.Adair,J.M.Spretnak,R,Speiser,Trans.AIME,203(1955),353. 〔19〕贺信莱，褚幼义，“理化检验”物理分册，1979，第5期，29。 〔20〕贺信莱，褚幼义，“理化检验”物理分册，1979，第6期，25. 〔21〕沈鹃，金属学报，11(1975)，33. C22)ph.Maittrepierre,D.Thivellier,R.Tricot,Memovies Sicntifigues,rev.me- tallurgy,70(1973). [23)D.Mclean,"Grain Boundaries in Met als",Ox fold,1957. The Hardenability of Boron Steel and Boron Segregation He Xinlai,Chu Youyi,Ke Jun Abstract The process of boron segregation to austenite grain boundary has been inv- erstigated by particle-tracking autoradiography of Jominy bar of a medium car- bon boron steel (0.54%C,0.75%Mn and 0.0027%acid soluble boron)quenched from different temperatures (800-1150C)after heating to a same high austen- itizing temperature (1150C).It has been shown that the boron segregation to ··北京特殊钢厂，北京射铁研究总院及大冶钢厂为本研究提供试验条件。北京钢铁学院杜惠芬多加了郁分试验 工作。 162

〔 〕 ， ， ， 〔 〕 ， 。 ， ， ， 〔 〕 土生 隆一 等 ， 铁与钢 ， ， 〔 〕 ， 。 ， ， · ， ， 〔 〕 贺 信莱 ， 褚幼 义等 ， 金 属学报 ， ， 〔 〕 。 ， 。 ， ， ， 〔 〕 ， ， ， ， ， 〔 〕 。 等 ， 。 。 中 。 ， ， 一 〔 〕 贺信莱 ， 褚幼 义 ， 柯俊 ， 金 属学报 ， 〔 〕 贺 信莱 ， 褚幼 义 ， 柯俊 ， 金属学报 ， 〔 〕 贺信莱 ， 褚幼 义 ， 柯俊 ， 中美双边 冶金 学术会议 论文集 ， 〔 〕 褚幼 义 ， 贺信莱等 ， 金属学报 ， ， 〔 〕 ， ， ，“ ， ， ， ， 。 〔 〕 · · ， · · ， ， ‘ ， · ， ， · 〔 〕 贺 信莱 ， 褚幼 义 ， “ 理化 检验 ” 物理分 册 ， ， 第 期 ， 。 〔 〕 贺 信莱 ， 褚 幼 义 ， “ 理化 检验 ” 物理分册 ， ， 第 期 ， 〔 〕 沈 鹏 ， 金属 学报 ， ， 〔 幻 · ， ， 。 ， ， ， 〔 〕 ， “ ， ， ， ， 一 ， 学 “ 一 “ 二 北 京 特殊 俐 厂 ， 北 京 钢 铁 研究 总 院 及 大 冶俐 厂 为 本 研 究 提 供 试 脸 条 件 。 北 京 钢 铁 学 院 杜 惠芬 参加 了部 分 试 验 工 作

austenite grain boundary in quenched specimens increases with increasing qued- c hing temperature and is related to and dominated by a process other than eq- uilibrium adsorption.In the present work,it has been found that at any posit- ion of the Jominy bar,the grain boundary segregation develops continuously during cooling and the final extent of segregation varies with Jomiay distance. The grain boundary segregation intensifies as the cooling rate decreases and changes from continuous boron-enriched networks to discontinuous aggregation and even to discrete precipitation of boron constitutents.The developing rate of grain bouudary segregation increases with increasing quenching tempe- rature.The boron concentration profiles and the widths of boron-depleted zone have been experimentally measured,and the developing rate of grain boundary segregation estimated and related to the hardenability of boron steel. Under a given quenching temperature,the width of the boron-depleted zone X is inversely proportional to A,where Ai is the cooling rate or X= H(Ti)/vA.H (Ti)increase with increasing quenching temperature and is a ref- lection of the rale of grain boundary segregation and effects of composition and other structural factors.It is suggested that the effect of boron on the ha- rdenability depends on the relative rate of segregation to austenite grain boun- dary and the incubation of the austenite decomposition,and is at its best when the correlation of both rates is optimum. 硼钢淬透性与硼偏聚图版 (a)800C 7mm 10.5mm 图6 163

立 立 级 五 直 ， ， 一 一 ， ， 一 亿万 ， 侧 · ， 。 硼钢淬透性与硼 偏聚图版 。 图

12mm 16,6mm (b)845℃ 7mm 10,5mm 12mm 17.7mm 图660B解840C(a)和800C(b)顶粹南顶墙不同部位分布图 250× 164

黔黝 ‘ 云 。 。 图 。 俐 ‘ 和 顶摔离 顶 端 不 同部位翻 分布图