冷却过程中硼的晶界非平衡偏聚实验观察

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2002.01.037 第24卷第1期 北京科技大学学报 Vol.24 No.1 2002年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2002 冷却过程中硼的晶界非平衡偏聚实验观察 吴平 贺信莱曹兵于栋友 北京科技人学材料学院，北京100083 摘要州硼径迹照相法和透射电镜观察了冷却过程巾硼的品界非平衡偏聚形成过程.实验 发现，以2气：s冷速从1150℃冷却到640℃的过程中，硼在品界上的非平衡偏聚可以分成扩散 行为不同的3个阶段.实验测定了品界富集因子，省巢带宽度、贫硼K宽度和贫化因子等偏聚 特征，并对行关现象进行了初步讨论 关铺词硼：品界：扩散：非平衡偏聚 分类号TG111.2 微量硼能显著地提高结构钢的淬透性，这 保特淬火温度时样品内的偏聚状态 与硼原子在品界上的偏聚密切相关.已经址实， 表1试验用合金化学成分（质量分数） 硼提高结构钢淬透性的效应决定于硼在奥氏体 Table 1 Chemical composition of Fe-40%Ni-B alloy 晶界非平衡偏聚的发展速度以及这种速度与钢 Ni B S P N C Ti Fe 的相变孕育速度的合理配合川.但是迄今为止， 39.450.00100.00440.00260.00260.0110.019余量 对于硼原子在晶界的非平衡偏聚，人们只是观 试样热处理过程在Gleeble1500热模拟机 察了从固溶温度冷却到低温后的最终偏状 上.进行，试样加热到1150气：保温15min,以2 态，各种理论假说也只是对最终偏聚状态实验 ℃s的冷速分别冷却到1040,980,920,860.780 结果的推论，对于硼的晶界非平衡偏聚行为的 和640℃后水淬.用线切割将冷却后的试样从 认识还有待深人.本文应用硼径迹照相法和透 哑铃杆中心切开进分析，试样中硼的分布情 射电子显微镜观察了Fe40%Ni-B合金体系中 况利用B(n,a)Li裂变反应在尚体探测膜留 B在冷却过程中不同中间温度下的偏聚状态， 下的径迹蚀坑直接显小，这时样品中硼浓度与 了解硼的晶界非平衡偏紫这一动态过程的发生： 探测膜上蚀坑的密度成：比，这种方法的探测 发展细节，为溶质原子品界非平衡偏聚机理研 灵敏度约为10·，空间分辨率约2m以.固体探 究和材料加工工艺的制定提供新的实验依据. 测膜采用醋酸纤维膜，试样镶样抛光贴膜后在 140℃：下化15h,送入核反应堆热中了区进彳 1实验材料与方法 辐照，累计辐照通量为8.1×10n/cm.辐照后，探 实验材料采用在高温冷却过程中基本不发 测膜在50℃下用7.5N的氢氧化钠水溶液侵蚀 生相转变的Fe40%Ni合金，以排除相变对硼偏 出大小适当的蚀坑，然后喷铬，在光学显微镜下 聚的影响.合金由6kg真空治炼炉熔炼，加！Ti 对探测膜进行观祭，照相，最后用白编图像分析 保护硼，合金成分见表1.铸锭加热到1150℃：保 软件进行定量测量 温30min后锻成14mm厚的板，经1100：，2h 试样切取溥片制备透射电镜试样，以观察 均匀化退火后，切成横截面为14mm×14mm 在连续冷却过程出·，随着晶界非平衡偏聚的 的条，车去脱硼层后加成哑铃状试样，试样总 发展，品界上是有硼析出物出现以及含硼析 长为30mm,其中哑铃杆为φ8mm×0mm.采用 出物出现的温度 哑铃状试样可以保证水淬冷却速度足够高，以 2 实验结果 收稿日期200103-10关*女，39岁，副教授 2,1冷却过程中晶界硼非平衡偏聚状态的变化 *家重点基础研究发展规划(973)资助项日(G19980601507) 首先将·个样品从1150℃：保温15min的

第 2 4 卷 第 1 期 2 0 0 2 年 z 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s ity o f S e i e n e e a . d l 饱c b n o l o gy B e ij i n g V匕l 一 2 4 F e b . N o 。 l 2 0 0 2 冷却过 程 中硼 的晶界非平衡偏聚实验观察 吴 平 贺信 莱 曹 兵 于栋友 北京科技 人学材料学院 , J匕京 10 0 0 8 3 摘 要 用硼径 迹照 相法和 透射电镜 观察 了冷 却过 程 中硼的 晶界非 平衡偏 聚形成过 程 . 实验 发现 , 以 2 弋 s/ 冷速从 1150 ℃冷却到 6 40 ℃ 的过 程中 , 硼在晶 界 卜的非 平衡偏聚可 以分 成扩散 行为不 同的 3 个阶段 . 实验测定 了晶 界富集 因 子 、 富 集带 宽度 、 贫硼 认 宽度和 贫化 因 子等偏 聚 特征 , 井 对有关 现象进 行了初 步 讨论 . 关. 词 硼 ; 晶 界 ; 扩 散 ; 非 平衡 偏聚 分类号 T G 一1 1 . 2 微量硼 能显 著地提 高结构钢的 淬透 性 , 这 与硼原子 在晶界 卜的偏聚 密切 相关 . 已经 证实 , 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 ’ .j 钢 的相变 孕育速度 的合理 配 合 `” 但是迄今 为止 , 对 于硼 原子在 晶界 的非平衡偏 聚 , 人们 只是 观 察 了从 固 溶温 度 冷 却到低 温后 的 最 终 偏 聚 状 态 , 各种理论假说也 只是 对 最终偏聚 状态 实 验 结 果 的推论 , 对于 硼 的 晶 界 非平衡偏聚行 为的 认 识还 有待深 人 . 本 文 应 用 硼 径 迹照 相法 和 透 射电 子 显微镜 观察 r eF 一。% N 卜B 合金 体 系中 B 在冷却过程 中不 同中间 温 度 下 的偏 聚状 态 , r 解硼 的晶界非平衡偏聚 这 一 动态过程 的 发 生 发 展细节 , 为溶质原 子 晶界 非平衡偏 聚机 理研 究和 材料加工 工 艺的制定提供新的实验依据 . 1 实验材料与方法 实验材料采用 在高温 冷却过 程中基 本不 发 生 相转变的 F e闷0 % iN 合金 , 以排除相变对硼 偏 聚 的影 响 . 合金 由 6 k g 真空 冶炼炉熔炼 , 加 iT 保护硼 , 合金 成分见 表 1 . 铸锭 加热到 1 150 ℃ 保 温 3 0 m i n 后 锻成 14 m m 厚 的板 , 经 1 10 0 飞认 Z h 均匀 化退 火后 , 切 成横截 面 为 14 ~ \ 14 m m 的 条 , 车去脱硼 层后 加 ! _ 成 哑铃状试 样 , 试样 总 长 为 3 0 m m , 其 中哑 铃 杆 为小8 m m “ 0 m m . 采用 哑铃状 试样 可 以 保 证 水淬冷却速度 足 够高 , 以 收 搞 日期 2 0 0 1一3 一 10 吴 平 女 , 3 9 岁 , 副教 授 * l司家重 点基础研 究发 展 规 蛇,】( 9 7 3 )资助项 目( G I9 9 8 0 6 0 15`)7 ) 保持淬火 温 度 时样 品 内的 偏聚 状态 . 表 l 试 验用 合金化学 成分 (质 t 分数 ) aT b l e 1 C h e m i c a l e o m P o , i ti o n o f F e 一 4 0% N i 一 B a l loy % N 1 B 5 P N C T i Fe 3 9 . 4 5 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 4 4 0 . 0 0 2 6 0 . 0 0 2 6 0 . 0 1 1 0 . 0 19 余量 试样 热处 理过 程 在 lG e eb le 1 50 0 热模 拟机 卜进行 , 试 样加 热到 1 15 0 飞:保 温 r s m i n , 以 2 ℃ / s 的 冷速 分别冷却到 1 0 4 0 , 9 5 0 , 9 2 0 , 5 6 0 , 7 8 0 和 6 4 0 ℃ 后 水淬 . 川线 切 割将 冷却 后 的试样从 哑 铃杆 中心 切 开进行 分析 , 试样中硼 的 分布情 况 利用 ’ o B ( n , a ) , L i 裂 变 反 丁花在周 体探测 膜 l 几留 下的径 迹 蚀坑直接 显 示 , 这 时 样品 中硼 浓 度 与 探测 膜 上蚀坑 的 密度 成 正 比 . 这 种 方法 的探测 灵 敏 度 约 为 10 ` , , 空 间 分 辨率约 2 脚 `, } . 固体探 测 膜 采用 醋酸纤 维膜 , 试 样镶样抛光 贴膜后 在 ! 40 ℃ 一 卜固 化 15 h , 送 人核反 应 堆热中 子区进 才f 辐照 , 累计辐照通 量 为 8 . 1 x 10 ’ ` 可e m , . 辐照 后 , 探 测 膜在 50 ℃ 下 用 7 . 5 N 的氢氧化钠水溶液侵蚀 出大小适 当的蚀坑 , 然后喷铬 , 在光学显 微镜下 对探测膜进 行观察 、 照 相 , 最 后 用 自编图 像分析 软件进行定 量 测 量 . 试样 切 取薄 片制备透 射 电镜 试样 , 以 观 察 在 连 续冷却过 程 兴 ` ! , , 随着 晶 界非平衡偏 聚 的 发 展 , 晶 界 卜是 否 有硼 析 出物 出 现 以 及 含 硼吻于 出物 出现的 温 度 . 2 实验结果 2 . 1 冷却过程 中晶界硼 非 平衡偏聚状态的变化 首先将 个 样品 从 1 150 ℃ 保 温 15 m in 的 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 01. 037

30 北京科技大学学报 2002年第1期 状态直接水淬下来，以了解水淬的冷却速度是 否足够高，是否能够保持在水淬过程中试样中 硼的分布状态基本不变.图1是该样品的PTA 照片.对该样品的径迹探测膜的观察表明，蚀坑 分布基本均匀，没有可观察到硼的偏聚.这一观 察结果一方面表明水淬的冷却速度足够快，能 够将水淬前的硼分布状态“冻结”起来，从而能 够观察连续冷却过程中冷却到不同温度时硼的 偏聚状态；另一方面也表明高温固溶态时晶界 25u m 没有可观察到的硼偏聚. 图11150℃水淬样品中硼的分布 图2给出试样从1150℃以2℃/s的冷速分 Fig.I Boron distribution of the sample quenched directly 别冷却到1040,980,920,860,780和640℃后水 from1150℃by water 10400 980℃ 920℃ 25m 251m 251m 860C 780C 6400 25 wm 25 u m 25m 图2以2℃/s速度从1150℃连续冷却到640℃的过程中不同温度下样品中硼的分布 Fig.2 Boron distribution at different temperatures during cooling process from 1 150 C to 640 C at 2 C/s 淬试样中典型的B分布情况.可以看到，在冷却 ℃，进一步的透射电子显微镜观察给出了析出 到1040℃时晶界已有明显的B偏聚带出现，较 物形成温度， 密的蚀坑带已勾画出各个晶粒轮廓，随着试样 2.2冷却过程中晶界偏聚特征量的定量测定 温度的降低，晶界被蚀坑缀饰的程度发生变化. 采用自编图像分析软件测量了冷却到不同 920℃以上时，晶界蚀坑数随着温度下降而呈 温度时样品中B的晶界非平衡偏聚特征参量， 增加趋势，但蚀坑带上的蚀坑基本不重叠.随着 结果列于表2.其中，富集因子为晶界带B浓度 淬火温度的继续降低，晶界上的蚀坑进一步增 与基体浓度之比，贫化因子为基体浓度和贫硼 多，当温度降到780℃时，晶界已显示为连续分 区硼浓度最低值之差与基体浓度的比值，富集 布的蚀坑带，并有小的蚀坑聚团出现.当温度降 带宽度和贫硼区宽度定义见图3.考虑到试样 到640℃时，可以看到晶界上的蚀坑已明显变 中各晶界与金相磨面的角度影响，每个温度水 成聚团状，表明晶界上有明显含B析出物形成. 淬试样均随机统计测量20条晶界，表2列出了 由于径迹照相法只能观察到大于02m的析出 各参量的统计平均值和标准差.由表2可以看 物，因此含硼析出物开始形成的温度应高于640 到冷却过程中晶界非平衡偏聚的形成与发展

Vol.24 No.1 吴平等：冷却过程中硼的品界非平衡偏聚实验观察 31· CB 3讨论 31晶界非平衡偏聚的形成与发展 图5-图7给出了晶界非平衡偏聚形成与 发展的过程以及各特征参量在发展过程中的变 化规律.图5是实测的富集因子与温度的关系 可以看出，在连续冷却过程中，晶界B非平衡偏 -X一 X/μm 聚发展可以分成3段：在1150-1040℃的起始 图3晶界偏聚特征参量示意图，d为晶界富集带宽度： 冷却阶段，晶界上B的偏聚量开始很快地增加， X为贫硼区宽度：Cm为基体硼浓度 在这温差110℃间隔中，所有晶界上均已显示 Fig.3 Schematic diagram of characteristic parameters of 有硼的偏聚带，晶界富集带的平均硼浓度已比 grain boundary segregation 基体高约50%.继续冷却时，在1040℃到860 表2硼的晶界非平衡偏聚特征参量 ℃区间，晶界上B的偏聚量不断增加，但比较平 Table 2 Characteristic parameters of non-equilibrium grain boundary segregation of boron during cooling 缓，从1040℃到860℃降温180℃，但富集因 淬火温度/℃ 1040980920860780640 子只增加了0.2.在860℃到640℃范围冷却时， 基体蚀坑密度/10×mm21.221.221.221.111.050.94 晶界偏聚量的增加又变快，但增加的幅度没有 标准差/10×mm2 0.030.010.030.010.030.01 第1阶段大 富集因子 1.51.51.61.72.02.5 3.0 标准差 0.10.10.10.10.10.1 2.5 贫硼区宽度/μm 11.512.313.616.019.626.3 标准差μm 0.50.40.50.50.90.7 2.0 贫化因子 0.260.240.270.280.290.39 标准差 0.020.020.030.020.040.02 1.5 富集带宽度/m 2.32.12.22.52.63.0 1.0 标准差/μm 0.30.30.20.20.20.2 120011001000900800700600 1/℃ 2.3晶界析出状态的电镜观察 图5富集因子与温度的关系 用H-800型透射电镜观察了不同温度淬火 Fig.5 The variation of rich factor versus temperature 样品的晶界形态，结果表明，920℃以上水淬的 图6是晶界两侧贫硼区宽度与温度的关系 样品中没有观察到晶界上有析出颗粒，860℃样 贫硼区宽度随温度的变化规律与晶界偏聚量随 品的晶界上已可以看到细小析出，780℃样品中 温度的变化规律相似，也呈现出三段式的变化 晶界上的析出增多并长大，大小约10nm.图4 30 25 20 15 10 11001000900800 700600 图4860℃和780℃时晶界出现含硼析出物 t/℃ Fig.4 Boron precipitates on grain boundaries at 860 C 图6晶界两侧贫硼区宽度与温度的关系 and780℃ Fig.6 The variation of the width of boron depletion zone versus temperature 是860℃和780℃样品晶界析出的透射电镜照 图7是贫化因子与温度的关系.可以看到 片.电镜观察表明，样品在冷却到860℃温度左 冷却开始时形成明显贫硼区，在1040℃时晶界 右时，晶界上开始出现B析出物 两侧贫硼区较深，贫化因子较大，但冷到980℃ 时贫硼区深度没有加深，反而略微浅了，920℃

32 北京科技大学学报 2002年第1期 以后随温度的降低贫硼区又进一步变深 冷却初始阶段反向扩散较小，晶界上B的偏聚 量增加较快.随着体系温度的降低，扩散和分解 0.38 进人晶界及附加畸变区的溶质原子数量超过这 0.34 些区域所能吸附的溶质原子数量，因而部分溶 0.30 质原子反向扩散回晶内，这时晶界上B偏聚量 增加比较平缓.当温度降到860℃以下时，晶界 0.26 上B浓度已经超过了B的固溶极限，晶界上出 0.22L 11001000900800 700 现含B析出物，此时不仅由复合体扩散进人晶 600 1/℃ 界及附加畸变区并分解而来的溶质原子转化为 图7贫化因子与温度的关系 B析出物，同时自由溶质原子也会扩散进入析 Fig.7 The varlation of depletion factor versus temperature 出物，不再有反扩散过程发生，晶界B偏聚量又 3.2晶界非平衡偏景机制 增加较快，贫硼区变深，贫化因子变大，并且随 从早年Aust提出非平衡偏聚机制以来，许 着晶界B析出物的长大，富集带的宽度变宽.但 多学者已发表了一系列研究成果，列，他们在溶 是由于低温时复合体的扩散速率远远低于高 质原子一空位复合对假设的基础上，分别尝试 温，这一阶段晶界偏聚量增加的幅度比第1阶 用原子过程模拟和数值求解扩散方程的方法解 段小，表现出富集因子和贫化因子对温度曲线 释已有的晶界非平衡偏聚最终偏聚状态实验规 的第3阶段的斜率比第1阶段小， 律.他们的工作虽然定性上能够反映部分实验 本文的定量统计方法只适用于晶界偏聚发 规律趋势，但定量上有很大差距，因此有关非平 展到一定程度，即在PTA图上能够勾画出连续 衡偏聚的理论机制需要进一步发展，不仅应能 晶界蚀坑网带的情况，因此实验选取第1个中 解释已有的最终偏聚状态实验规律，还应能够 间取样点温度为1040℃.测量表明，在此区间 说明本文观察到的非平衡偏聚发生发展过程实 晶界偏骤总量增加很快，但在1150~1040℃温 验现象 度区间的偏聚发展变化细节还有待进一步研 本文认为，在晶界非平衡偏聚机制中，应考 究.冷却中段富集量增加变慢现象显然与溶质 虑晶界和晶界近邻附加畸变区对溶质原子的吸 反向扩散有关，但贫化因子复杂变化的原因也 附作用.在此基础上，综合考忠复合体扩散、溶 需进一步分析 质原子的反扩散以及晶界上非平衡态硼偏聚向 非平衡析出过渡等因素，同时可以解释上述非 4 结论 平衡偏聚形成过程中的3段式现象，晶界是溶 (1)连续冷却过程中硼在晶界上的非平衡偏 质原子的一个有限深势阱，随着体系温度的降 聚是一个动态过程.实验首次观察了这种偏聚 低，势阱的深度逐渐增加.另一方面，实验观察 的形成与发展过程，发现晶界B偏聚量、贫硼区 到非平衡偏聚发生在晶界附近几十个原子层 宽度随温度降低呈3段式变化. 内，例如文献[6]用原子探针微分析发现，溶质 (2)贫化因子在冷却阶段的变化较为复杂， 原子偏聚在晶界附近8nm范围内；文献[7)]也报 在初始阶段较大，而后随样品温度的降低略微 道变形等过程会在晶界近邻引起附加畸变区； 变小，后又持续变大，看来在本文冷却速度下， 因此可以推测，在冷却过程中，除晶界畸变区 在一定冷却温度范围内，样品中有较显著的溶 外，还可能会在晶界近邻引入附加嘀变区.这些 质原子反向扩散发生. 区域对溶质原子都会有吸附作用 (3)含硼量103的Fe40%Ni合金从1150℃ 冷却过程中，由于过饱和空位在晶界上的 以2℃s的冷却速度，冷却到860℃时，晶界富 消失，带动复合体向晶界扩散.在降温的初始阶 集的硼原子向含硼析出物转化 段，复合体的扩散速度较大，扩散到晶界附近区 域并分解成空位和溶质原子的复合对较多，同 参考文献 时由于突然冷却，除晶界畸变区外，还可能会引 1贺信菜，褚幼义，柯俊.硼钢淬透性与明向奥氏体晶界 人附加畸变区，此区域与晶界一起俘获由复合 的偏聚[J].金属学报，1983,19：A459 体分解而来的溶质原子，俘获能力较强，从而在 2 He X L,Chu YY.The Application of the B(n,a)'Li Fis-

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 2 年 第 1 期 以后随温度 的降低贫 硼 区 又进 一 步变深 . 一 , , 丫厂 1 10 0 1 0 X() 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 t / ℃ 圈 , 贫化 因子 与温度 的关 系 F l g . 7 T h e v a r场 iot n o f d e Pl e d呱 血 e ot r v e比 u , t e m件 ar tU er .3 2 晶界非平 衡偏. 机制 从早年 nA st 提出非平 衡偏 聚 机制 以来 , 许 多学者 已发 表 了一 系列研究成果 `, .4 幻 ,他们在溶 质原子 一 空 位复合对假设 的基础 上 , 分别尝试 用 原 子过程模拟和 数值求解扩散方程的方法解 释 已 有的晶界非平衡偏聚最终偏聚状态实验规 律 . 他们 的工 作虽 然定性 L能够反 映部分实验 规律趋势 , 但定量上 有很大差距 , 因此有关非平 衡偏 聚 的 理论 机制需 要进 一 步发展 , 不 仅应能 解 释已 有的最终偏 聚状态实验规律 , 还应能够 说 明本文 观察到 的非平衡偏 聚发生 发展过程实 验现 象 . 本文认为 , 在晶界非平衡偏 聚机制 中 , 应考 虑 晶界和 晶界近邻附加畸变区对溶质原子的吸 附作用 . 在此基础 上 , 综合考虑复合体扩散 、 溶 质原子的反扩散 以及 晶界上非平衡态硼偏 聚向 非平衡 析出过渡等因素 , 同时可 以解 释上 述非 平衡偏 聚形 成过程中的 3 段式 现象 . 晶界是溶 质原子 的一个有 限深势阱 , 随着体系温度 的降 低 , 势阱的深度逐 渐增加 . 另 一方面 , 实验观察 到非平 衡偏 聚发 生在 晶界 附近 几 十个原 子层 内 , 例 如文献 [6] 用 原子 探针微分析发现 , 溶质 原子偏聚在 晶界附近 s nr 范围内 ; 文献 [71 也报 道 变形 等过程会在 晶界 近 邻引起附加 畸变 区 ; 因 此可 以 推测 , 在冷却过程 中 , 除晶界畸变 区 外 , 还 可 能会在晶界近邻引人附加 畸变区 . 这些 区 域对溶质原 子都会有吸附作用 . 冷却过程 中 , 由于 过饱和空位在 晶界上 的 消失 , 带动复合体向晶界扩散 . 在降温的初始 阶 段 , 复合体 的扩散速度较大 , 扩散到晶界 附近 区 域 并分解成空位 和 溶质原子 的复合对较多 , 同 时 由于 突然冷却 , 除晶界畸变区 外 , 还 可 能会 引 人 附加 畸变 区 , 此 区域与晶界一 起俘获 由复合 体分解而 来的溶质原子 , 俘获能力较强 , 从 而在 冷却初始 阶段反 向扩散较小 , 晶界上 B 的偏聚 量增加较快 . 随着体系温度的降低 , 扩散 和分解 进人晶界及 附加畸变区 的溶质原子数量超过这 些 区域所能吸 附的溶质原子 数量 , 因 而 部分溶 质原子反 向扩散 回 晶内 , 这时 晶界上 B 偏聚量 增加 比较平缓 . 当温度降到 8 60 ℃ 以下 时 , 晶界 上 B 浓 度已 经超过 了 B 的固溶极 限 , 晶界上 出 现含 B 析出物 , 此时不仅 由复合体扩散进人 晶 界及附加畸变 区并分解 而来 的溶质原子转化为 B 析 出物 , 同时 自由溶质原子也会扩散进人析 出物 , 不再有反扩散过程发生 , 晶界 B 偏 聚量又 增加较快 , 贫硼 区 变深 , 贫化因子变大 , 并且随 着 晶界 B 析 出物的长大 , 富集带的宽度变宽 . 但 是 由于低 温 时复合 体的 扩散 速率远 远低 于 高 温 , 这一阶段晶界偏聚量增加 的幅度 比第 1 阶 段小 , 表 现出富集因 子和 贫化因子对温度 曲线 的第 3 阶段 的斜率 比第 1 阶段小 . 本文的定t 统计方法 只适用于 晶界偏 聚发 展 到一定程度 , 即在 P TA 图上 能够勾画 出连续 晶界蚀坑 网带 的情 况 , 因此实验选取第 1 个 中 间取样点 温度 为 1 0 40 ℃ . 测量表 明 , 在此 区 间 晶界偏 聚总量增加很快 , 但在 1 150 一 1 0 40 ℃ 温 度 区 间 的偏 聚发展 变化 细节 还 有待 进一 步研 究 . 冷却 中段富集量增加变慢现象显然 与溶质 反 向扩散有关 , 但贫化 因子复杂变化 的原 因也 需进一步分析 . 卜因李椒 4 结论 ( l) 连续冷却过程 中硼在晶界上 的非平衡偏 聚是一 个 动态过程 . 实验首次观察 了这种偏聚 的形成与发展过程 , 发现 晶界 B 偏聚量 、 贫硼 区 宽度 随温度 降低呈 3 段式变化 . (2 ) 贫化 因子在冷却 阶段 的变化较 为复 杂 , 在初始 阶段较 大 , 而 后随样 品温度 的降低 略微 变小 , 后 又 持续变大 , 看来在本文冷却速度 下 , 在一定冷却温度范 围内 , 样品 中有较显著的溶 质 原子 反 向扩散 发生 . ( 3 )含硼 量 10 刁 的 F e书 0% N i 合金从 1 1 5 0 ℃ 以 2 ℃ / s 的冷 却速 度 , 冷却 到 8 60 ℃ 时 , 晶界 富 集 的硼原子 向含硼析 出物转 化 . , 考 文 献 1 贺信莱 , 褚幼义 , 柯俊 . 硼钢悴透性 与翻 向奥氏体晶界 的偏聚 IJ] . 金属学报 , 19 83 , 19 : A 4 5 9 2 H e X L , C hu Y .Y hT e A P Pli e at i o n o f het `。 B ( 。 刀)气i F i s -

Vol.24 No.1 吴平等：冷却过程中明的的光非：平衡偏聚实验观祭 ·33· sion Reaction to Study Boron Behaviour in Materials[Jl.J Strength Aluminium Alloys [J].Acta Mater,1996,44: Phys D:Appl Phys,1983,16:1145 1857 3 Chapman M A V,Faulkner R G.Computer Modeling of 6 Carinci G M.Grain Boundary Segregation of Boron in an Grain Boundary Segregation[J].Acta Metall,1983,31: Austenitic Stainless Steel [J].Applied Surf Sci,1994. 677 76/77:266 4 Karlsson L,Norden H,Odelius H.Non-eguilibrium Grain 7 Valiev R Z,Korznikov A V.Mulynkov RR.Structure and Boundary Segregation of Boron in Austenitic Stainless Properties of Ultrafine-grained Materials Produced by Se- SteellJ].Acta Metall,1988,36:25 vere Plastic Deformation [J].Mater Sci Eng,1993, 5 Jiang 11,Faulkner R G.Modeling of Grain Boundary Seg- A168:141 regation,Precipitation and Precipitate-free Zones of High Experimental Observation of Non-equilibrium Segregation of Boron on Grain Boundaries during Cooling Process WU Ping,HE Xinlai.CAO Bing.YU Dongyou Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT It was observed experimentally that boron segregated to grain boundaries in Fe-40%Ni alloy during cooling process by boron autoradiograph technique and transmission electron microscope.The non- equilibrium segregation of boron on grain boundaries during cooling process from I 150 to 640 C at 2 C/s shows three stages with different boron diffusion behaviors.The rich factors,widths of rich layer,depletion factors and widths of boron depletion zone were measured.The phenomena are discussed. KEY WORDS boron;grain boundary;diffusion;non-equilibrium segregation

V匕1 . 2 4 N O . l 吴 平等 : 冷却过 程中硼 的品 界非 平衡 偏聚 实验观 察 . 3 3 . s i o n Re a e t i o n ot S t u d y B o r o n B e h a v i o u r i n M at e r i a l s 【J ] . J Ph y s D : A PP I P h y s , 19 8 3 , 16 : 1 1 4 5 C h a Pm an M A V, F a u lk n c r R G . C o m P u t e r M o d e li n g o f G r a i n B o u n d a yr S e g r e g a ti o n [ J ] . A e t a M e at ll , 19 8 3 , 3 1 : 6 7 7 K a r l s s o n L , N o rd e n H , ( ) d e li u s H . N o n 一 e q u i lib ir u m G r a i n B o u n d a ry S e gr e g a ti o n o f B o r o n in A u s te n i t i e S t a i n l e s s S t e e l lJI . A c 扭 M e ta ll , 19 8 8 , 3 6 : 2 5 Ji a n g 1 1 , Fa u lkn e r R G . M o d e li n g o f G r a i n B o u n d ary S e g - r e g a t i o n , Pre e i Piat ti o n a n d P r e e i Pi t a t e 一 fr e e Z o n e s o f 卜Iig h S tre n gt h A l u m i n i u m A l l o y s [ J】 . A e at M a t e r, 19 9 6 , 4 4 : ! 8 5 7 C ar i n c i G M . G r a i n B o un d ary S e gr e g at i o n o f B o r o n i n a n A u s te n i ti e S t a i n l e s s S t e e l 【J l . A P P li e d S u r f S e i , 19 9 4 , 7 6 / 7 7 : 2 6 6 Va l i e v R Z , K o r nz i k o v A V, M u ly n k o v R R . S tur e t u r e a n d P or pe rt i e s o f U l t r a if n e 一 g r a i n e d M a t e r i a l s Por d u c e d b y s e - v e r e Plas ti e D e fo mr a t i o n 【J』 . M a t e r S e i & E n g , 19 9 3 , A 16 8 : 14 1 E x P e ir m e n at l O b s e vr a t i o n o f N o n 一 e q u il i b r i u m S e g r e g a t i o n o f B o r o n o n G r a i n B o un d ar i e s d u r i n g C o o li n g P r o e e s s 附U 尸才码 万石 iX n al i . CA 口 B i .gn Y口 D o n g y o u M at e r i a l S e i o n e e 助d Egn i n e e r i n g s e ho l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T It w a s o b s e vr e d e x P e ir m e n ta lly t h a t b o r o n s e gr e g at e d t o g ra i n b o u n d a ir e s i n F e 一 4 0 % N i a ll o y d u r i n g e o o li n g Pro e e s s b y b o r o n a ut o r a d i o gr a Ph t e e hn iq u e a n d t r a n s m i s s i o n e l e e tro n m i e r o s c o Pe . T h e n o n - e q u ilib r i um s e gr e g a t i o n o f b o r o n o n gr a i n b o un d a r i e s d u r i n g e o o li n g Pr o e e s s fr o m l l 5 0 t o 6 4 0 oC a t 2 oC / s s h o w s t h r e e s t眼e s w it h d i fe r e n t b o r o n d i fo s i o n b e h a v i o r s . T h e r i e h fa c t o r s , w id t h s o f r i c h l a y e ’r d e Pl e ti o n af e t o r s a n d w id t h s o f b o r o n d e Pl e ti o n z o n e w e er m e a s ur e d . T h e Ph e n o m e n a ar e d i s e u s s e d . K E Y w 0 R D S b o r o n : gr a i n b o u n d ayr ; d i伪 s i o n : n o n 一 e q u ilib r imU s e gr e g a t i o n