奥氏体晶界的硼偏聚对合金钢淬透性的影响

收稿日期:2001Ο06Ο11

作者简介:廖家欣(1966Ο

),男,湖南慈利县人,长沙电力学院物理与信息工程学工程师,学士,主要从事物理实验的研究.第17卷第1期

2002年2月

长沙电力学院学报(自然科学版)JOURNA L OF CH ANG SH A UNI VERSITY OF E LECTRIC POWER (NAT URA L SCIE NCE )

V ol.17N o.1

Feb.2002

奥氏体晶界的硼偏聚对合金钢淬透性的影响

廖家欣,李西南,刘小兵

(长沙电力学院物理与信息工程系,湖南长沙　410077)

摘　要:讨论了加硼合金钢在奥氏体化过程中,硼向奥氏体晶扩散而造成的晶硼偏聚,它阻止了新相形核,该理论

能很好地解释微量硼提高合金钢淬透性的机理.

关　键　词:淬透性;偏聚;奥氏体晶界

中图分类号:TG 111 文献标识码:A 文章编号:1006Ο

7140(2002)01Ο0071Ο03I nfluence of Boron Segeregated in Austenite G rain Boundarys on H ardenability of Alloy Steel

LI AO Jia 2xin ,LI X i 2nan ,LI U X iao 2bing

(Dept.of Phys.&In formation Eng.,Changsha Univ.of E lectr.P ower ,Changsha 410077,China )

Abstract :This paper discusses that the boron of diffusing in austenite grain boundarys causes boronic segrega 2tions at the boundarys.Therefore they prevent new phase nucleations from forming in austenitizing process of boride alloy steel.This theory can properly explain the mechanism that micro 2boron increases hardenability of alloy steel.

K ey w ords :hardenability ;segregation ;austenite grain boundarys

在合金钢中加入极微量的硼(wt -%:B ≤0.

003)就能显著地提高钢的淬性,以往的研究已取得了很好的结果,理论模型能被大多数的实验结果所证实.贺信莱教授等在这一方面做了出色的研究工作[1～7].关于硼提高钢淬透性的作用机理,较为普遍的为同行所接受的观点是:偏聚于奥氏体晶界的硼的作用与体材料的成分和杂质(如氧、氮)含量密切相关;在给定成分的钢中,淬火温度对淬透性有显著的影响;其次,材料在淬火前的热处理史对淬透性也

有明显的影响.

关于硼提高钢淬透性的机理,人们作了如下的解释:奥氏体化过程中通过扩散偏聚在晶界上的硼阻止了新相的形核,晶界硼分布状态与尺寸不同;其影响程度也不同,奥氏体晶上比较明显的网状硼相和碳硼相对淬透性是不利的.已有的结果表明,为了防止硼化物沿奥氏体晶界析出而形成断续的网,钢

中的硼的最佳留存量是0.001～0.003,超出这个范围,硼化物就会随含硼量的增加而明显增多,由此造成的后果是使材料变脆.另外,硼化物是不稳定相,若将奥氏体化温度提高到450℃左右,硼化物就会有不同程度的溶解.在工艺流程上,一般采取在正常的850℃淬火调质处理前,先进行950℃正火处理,可以减少硼化物的含量,同时使其分布状态由断续的网状改变成分散的颗粒,从而保证材料有满足使用要求的冲击韧性值.

1　实验材料与方法

实验用材料为加硼60Si2Mn钢,在5t电弧炉中冶炼,为了保证硼的留存率,采取了加T i保护B的措施,开始后的方坯为90mm×90mm和75mm×75mm两种规格,由于坯上取样分析实验用材的成分(wt-%)为C0.63,Si1.64,Mn0.72,0.031, S0.008,Cr0.10,Ni0.02,Cu0.06,T i0.035, B0.026.

为了检查60SiS2Mn钢中硼含量及分布情况,保证顶淬实验能正确反映加入硼后的作用效果;在方坯的上、中、下区域以等距离从表层向中心选取4个点进行逐点成分分析,测试结果列于表1中.

表1　加B60S i2Mn钢方坯不同的含B量

A B C D平均

上0.00280.00280.00270.00280.0028

中0.00260.00260.00290.00270.0027

下0.00250.00250.00260.00270.0026

把方坯热轧成直径30mm圆棒,经950℃正火处理后加工成标准顶淬待测样品.为了防止加热时脱硼和脱碳的影响,我们把顶淬样品磨掉2.5mm,进行硬度测量,将顶淬实验后的样品用径迹显微照相的方法研究B

在60Si2Mn钢中的微观分布状态,重点是晶界的硼的分布与尺寸,从而探明晶粒间界的微量硼与淬透性之间的关系.

2　实验结果

2.1　淬透性实验

样品经调质处理后在840℃顶淬,半马氏体距离为9mm,晶粒度8级.不加硼的60Si2Mn钢的半马氏体距离为5mm,由此得到硼的淬透性因子为1.8.

在800～1150℃范围内不同的加热温度下进行顶淬实验,半马氏体距离随淬火温度的变化和相应样品的奥氏体晶粒度如图1所示.

由图1我们发现如下的规律:淬透性随淬火温度的变化在960～1000℃出现峰值,超过这个温度淬透性下降.顶淬实验中晶粒尺寸是一个重要的影响标志,为去除晶粒尺寸变化的影响,采用降温顶淬的实验方法,把全部待测样品加热到1150℃保温30min,然后分别炉冷到不同顶淬温度保温20min进行顶淬实验.这样会造成样品表面约2mm脱硼层,把这一层磨去后测量半马氏体距离.由图1可以看出,采用降温顶淬实验,消除了晶粒的尺寸效应后,曲线峰值移到910℃.

2.2　奥氏体晶界的硼分布对淬透性的影响

硼在合金钢中的作用机制是一个相当复杂的问题,它对60Si2Mn淬透性的贡献不仅与钢中硼含量有关,更重要的是其显微分布状态,尤其是偏聚奥氏体晶界的硼.因此本工作用径迹显微照相法研究硼的分布与淬透性之间的关系.

1)　实验方法.

①硼的(n,α)反应:在天然硼中含有19.8%原子百分数的10B同位素(其余80.2%是11B同位素),10B同位素在热中子的照射下,会发生10B(n,α)7Li反应

10B+1n=7Li+4α.(1)反应释放的总能量为2.31MeV,反应产物间动能分配与粒子质量成反比(Eα/E Li≈7/4=1.75),所放出的α粒子和7Li核分别具有1.46MeV和0.85MeV能量.具有这种能量的反应产物粒子,能为一系列固体径迹探测器所检测.

硼的这种(n,α)反应的特点是俘获截面大,高达3837靶,比热中子照射时可能发生(n,α)反应的其它同位素的俘获截面高得多.因此,我们可以把10B (n,α)7Li反应作为测定硼的一种特征反应.

②把顶淬实验用过的样品,按通常的金相操作程序进行抛光,然后罐于电木中,选用醋酸纤维(C A)作为探测器材料,所用三醋酸纤维的厚度为

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