硼及其它合金元素对钢组织性能的影响

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2-7 淬透性的基本概念
• 淬透性：是指钢在淬火时获得淬硬深度的能力，是钢本身固有的属性
• 淬硬深度：从淬硬的工件表面至50%马氏体组织的垂直距离定为淬硬 深度
• 淬透性越好，淬火获得的淬硬深度越大
• 钢淬火时，表面的冷却速度最快，愈到中心冷却速度愈慢，在距表面 某一深处的冷却速度小于该钢的马氏体临界冷却速度，则淬火后将有 非马氏体组织出现 • 钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定 性。钢的临界冷却速度越小，钢的淬透性愈好。过冷奥氏体越稳定， 钢的淬透性愈好。
硼提高淬透性的机理分为如下两个阶段：
形核的初始阶段：
•在这一时期由于硼在奥氏体晶界的偏聚，填充了部分晶界缺陷（或析
出了微细的共格硼相）造成了晶界处能量的降低，使得晶界处的能量 起伏降低。
•由于硼在晶界处的偏聚，使得碳原子在晶界处的扩散受阻，而使晶界
处的成分不均匀减小、成分起伏量减小。 •硼在晶界偏聚，对位错的封锁，可能造成位错密度大的区域三大起伏
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2-2 合金元素分类
根据元素对铁多型性转变的影响，将各种合金元素分为两大类：
扩大γ相区的 奥氏体 形成元素 开启γ相区 扩大γ相区
Mn，Co，Ni C，N，Cu
封闭γ相区 缩小γ相区的 铁素体 形成元素 缩小γ相区
V，Cr，Ti，Mo，W，Al，P，Sn，Sb，As B，Zr，Nb，Ta，S，Ce
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2-8 硼对钢淬透性的影响
硼对增加钢的淬透性有重要意义，在钢中加入0.002% ～0.003%的硼 所达到的增加淬透性的作用，相当于加入约0.5%的Mn、Cr或Mo •硼对淬透性的贡献，主要在于硼在奥氏体晶界的偏聚，使奥氏体分解 时新相在奥氏体晶界处形核困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长，
耐温玻璃、实验玻璃器皿、光学玻璃
焊接金属时的熔剂
硼
硼肥
硼钢在反应堆中用作控制棒
钢铁中的重要合金元素
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2-1 硼对铁多型性转变的影响
铁在加热和冷却过程中发生如下的多型性转变：
910℃ A3 1390℃ A4
α-Fe
γ-Fe
δ-Fe
钢中的合金元素对α-Fe、 γ-Fe和 δ-Fe的相对稳定性及多型性转变温度 A3和A4都有极大的影响。
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2-10 钼硼共同作用机理
• 若钢中未加入或者只加入少 量的Mo，C极易偏聚到奥氏 体晶界，从而易与B(s)结合 形成碳硼化合物，如Fe23(C, 8)6等，减少了B(s)的有效数 量
• 而Mo加入到钢中会增加碳的扩散激活能，降低碳的 活度系数。且Mo在钢中易形成Mo-C组合，从而减 少了C向奥氏体晶界的偏聚。即增加了奥氏体晶界处 的有效B(s)含量 • 这更有利于提高钢的淬透性，进而提高钢的强度。
以，硼在α-Fe和 γ-Fe中的溶解度都很小。 硼在α-Fe中的溶解度——0.008%
硼在γ-Fe中的溶解度——0.018 ～ 0.026%
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2-5 元素的平衡偏聚
一般来说，产生晶界偏聚的主要原因是溶质原子与基体原子的弹性 作用，溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高，因此，比基体原子大 或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界等缺陷区。 Mclean导出晶界溶质原子偏聚量的普遍表达式：
• 钢中加入硼后，由于硼是偏聚倾向较大的元素，能偏 聚于晶界，降低了碳原子在晶界上的偏聚浓度，有效 地抑制了先共析铁素体的析出，并对贝氏体转变推迟 较少，从而形成自己独特的“C”曲线形状。
实验钢动态“C”曲线
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2-11 硼对钢相变的影响
•奥氏体化的钢过冷到Bs(约550
℃)至Ms温度范围等温，将产生
1# 2# 3# 4# 5#
9P04850B41 9P05202B23 9P05202B13 9P04852B22 9Q05395B13
9P04850B11 9P05202B11 9P05202B11 9P04852B11 9Q05395B11
0194328000 0194337000 0194339000 0194341000 0194356000
贝氏体转变，也称中温转变。 它是介于扩散性珠光体转变和 非扩散性马氏体转变之间的一
种中间转变。
•在贝氏体转变区域没有铁原子 的扩散，而是依靠切变进行奥 氏体向铁素体的点阵重构，并 通过碳原子的扩散进行碳化物 的沉淀析出。
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2-11 硼对钢相变的影响
上贝氏体
•形成温度较高 •呈羽毛状 •性能较差
大的优势被减弱。
以上因素都不利于奥氏体分解时新相的形核，因此造成了奥氏体分解 的孕育期增长，使淬透性提高。
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2-8 硼对钢淬透性的影响
形核的随后阶段： 当晶界处满足了一定的条件后（能量、成分和结构条件），便可 形成先共析铁素体的晶胚，此时由于应变自由能的限制，使得晶 胚难以成核，从而使淬透性提高。 这是由于硼偏聚在奥氏体晶界处。当晶界处形成先共析铁素体晶 胚时，硼可以进入α—Fe的点阵之中，置换掉部分铁原子。由于硼 原子半径（0.98埃）比铁原子半径（1.24埃）小，因而造成点阵 收缩，体积应力增加，应变加大。
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2-11 硼对钢相变的影响
马氏体 淬火和 回火钢 低碳 贝氏体钢
提高 马氏体 淬透性
贝氏体 淬透性
•加入钼元素能有效地使珠 光体转变曲线右移，但不 能完全抑制先析铁素体析 出。 •微量的硼( 0.002%) 在奥 氏体晶界上有偏聚作用， 可有效地抑制先析铁素体 析出。 •钼硼复合作用使过冷奥氏 体向铁素体的等温转变曲 线进一步右移，使贝氏体 转变开始线明显突出。提 高了贝氏体淬透性。
对试制的Q690CFD钢板进行冲击试验，发现试样冲击功值差距较大，其中两个试 样的冲击功值远远小于钢板设计值，说明试制钢板的韧度不达标。其中2#和3#试样成 分相同，但是经控轧控冷加工后，其冲击功值差距较大，说明3#试样的韧度高于2#试 样，为了找出其中的原因，进行了一下研究。
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主要内容
使淬透性提高。
•根据相变理论，珠光体转变属于扩散型转变，新相的晶核一般首先在 母相奥氏体的晶界处形成，这是因为晶界处最容易满足三大起伏条件，
即能量起伏、成分起伏和结构起伏。如果破坏了其中某些条件，都有
可能使形核发生困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长。
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2-8 硼对钢淬透性的影响
• 形成温度低
贝氏体转变
下贝氏体
• 其中铁素体片较细，且是位错亚结构， 碳化物的弥散度也大，呈针状 • 性能优良 • 形成温度较高
块状相
• 由块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成 • 性能优良 27
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2-11 硼对钢相变的影响
如图所示，由不同冷却速率下的低碳贝 氏体钢的过冷奥氏体等温转变动力学曲 线示意图可知，对于钼钢，V1将发生 铁素体转变，v2发生上贝氏体转变，v 3发生下贝氏体转变。而对于钼硼钢， 其过冷奥氏体等温转变动力学曲线明显 右移，表明在较低的冷却速率下可发生 贝氏体转变。 低碳贝氏体钢必须控制轧制与控制冷却工艺， 特别是严格地控制冷却工艺，才能得到细小 的贝氏体组织，以保证获得优良性能。
• 使奥氏体晶粒增大
在低碳钢中随硼的质量分数增加，奥氏体晶粒尺寸明显增大。由于 钢中B与N形成BN，减少了AlN的生成数量，在升温过程中，BN 先溶解于奥氏体，而AlN数量很少，所以奥氏体晶粒长大不受阻 碍。 提高奥氏体化温度，B对奥氏体晶粒长大的作用会更加明显。在600 ～900℃范围内，Fe23(B2,C)6会在γ晶界析出，如奥氏体化温度较低 时，Fe23(B2,C)6没有完全溶解于奥氏体，残留的非连续的Fe23(B2,C )6会阻碍γ晶粒长大；当提高奥氏体化温度时，Fe23(B2,C)6会完全 溶解，消除了其阻碍作用，使得γ晶粒迅速长大。
1. 硼元素简介 2. 硼元素在钢中的作用 3. Q690CFD钢脆性断裂的初步探讨 4. 未来展望
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1-1 硼元素
原子半径：0.98Å 熔 点：约2300°C 沸 点：3658°C 晶体密度：2.34g/cm3 地壳中含量：0.001%
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1-2 硼的主要用途
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2-3 硼对铁碳相图的影响
硼为缩小γ相区元素， 与封闭γ相区元素相似，使 A3温度升高，A4温度下降，
但由于出现了金属间化合
物，破坏了γ圈
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2-4 硼在铁中的溶解度
硼在铁中的溶解度主要受畸变能的影响，硼与铁的 原子半径比为0.98：1.24=0.79,硼原子无论与铁形成 间隙固溶体或代位固溶体，都会引起较大的畸变能，所
硼及其它合金元素对钢 组织性能的影响
吴素君 北京航空航天大学
问题的提出： Q690CFD的力学性能
材料力学性能
力学性能 试样号 炉号 坯号 板号 屈服强度（ MPa） 705 730 735 705 675 抗拉强度（ MPa） 825 805 810 815 775 延伸率 （%） 18.0 19.5 20.0 19.5 19.0 48 39 17 180 248 冲击功（J） 50 22 190 242 228 46 23 207 230 139
E Xb x c exp（ ） RT x b0 x b 1 xc
Xb0 —— 溶质在晶界区的饱和偏聚量 Xc —— 为溶质在基体晶内的溶解量 E —— 溶质原子在晶内和晶界区引起的畸变能之差 用cg表示晶界区的溶质偏聚浓度，c0为溶质在基体晶内的浓度，将 上式简化可得： E c0 exp （ ） cg RT
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2-11 硼对钢相变的影响
硼对钢的相变的影响主要在于影响相变 的孕育期，即“C”曲线中，恒温下开始 转变前的时间，孕育期的物理本质是新相 形核的难易程度。
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2-11 硼对钢相变的影响
• 硼及其他元素对于C曲线的影响
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2-11 硼对钢相变的影响
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2-12 硼强化晶界的机理
强化晶界的机理：
• 硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减
少，晶界自由能降低 • 硼减缓了合金元素沿晶界的扩散过程 • 硼能抑制晶界片层状、胞状析出相以及改善碳化物 不均匀分布的状态，改善了晶界状态
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2-13 硼对低碳钢晶粒尺寸的影响
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2-8 硼对钢淬透性的影响
由形核理论可知，新相得以形核必须是晶胚尺寸要大于临界半径rk,也就 是说形核前必须要克服一定的能量阻碍（势垒），见下图 由于硼进入α—Fe的结合处，使应变能加大，
使得新相形成时又增加了一项阻力能—应变
能。 即：
△G=-△Gv+△G表+△GE
其中： △G—相变自由能 △G表—表面能
△GE—应变能
△Gv—体积自由能
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2-8 硼对钢淬透性的影响
从而使得形核前需要跨过的 势垒增高（见图中虚线）， 造成了新相形核困难，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ长
了奥氏体分解的孕育期，使
淬透性增加。
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2-9 硼对钢淬硬性的影响
• 微量硼能够明显提高钢的淬硬性，主要与钢的化学 成分和夹杂物元素如氧、氮有关。 • 钢的化学成分一定时，淬硬性随着淬火温度的变化 具有一个峰值特征。 • 微量硼能抑制铁素体的形核，使“C”曲线右移，从 而改变其基本形状，具有自己独特的“C”曲线 • 组织由上贝氏体过渡到板条贝氏体，具有更好的强 韧性协同作用。
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2-6 硼的非平衡偏聚
但是，很多实验证实，在淬火冷却过程中，硼向晶界的偏 聚是一个非平衡的热力学过程。 在实际淬火试样中观察到硼在奥氏体晶界上的偏聚，不像 平衡偏聚那样局限在几个原子范围内，而在晶界上形成具有一 定宽度的富集带。 这种偏聚是在冷却过程中形成的，对冷却速度很敏感。随 淬火温度的升高、冷却速度的降低，晶界富集带宽度有所增加， 晶界富集的硼增多。 硼在晶界的偏聚对钢的淬透性产生重要影响。
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2-9 硼对钢淬硬性的影响
• 微量的硼能够明显地提高钢的淬硬性，随冷速的加 大，硬度逐渐提高
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2-10 钼硼共同作用机理
• Mo-B(s)共同作用有利于提高实验管线钢的淬透性，提 高钢的强度，其联合作用大于两者单独作用之和 • 微量B(s)可以明显抑制钢中铁素体在奥氏体晶界上的形 核，同时还使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在 低碳的情况下在一定的冷却速度范围之内也能获得贝 氏体组织或者贝氏体＋马氏体组织 • 但B的这一作用是基于固溶态的B(s)易于在奥氏体晶界 处偏聚，阻止铁素体在晶界的优先形核。如果B(s)偏聚 到奥氏体晶界与钢中C，N和O等结合，则将失去这一 作用