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 -