Fe-3%Si中再结晶运动晶界上硼的偏聚

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1992.03.030 北京科技大学学报 第14卷第3期 Vol.14 No.3 1992年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1992 Fe-3%Si中再结品运动品界上硼的偏聚+ 章三红·贺信莱·柯俊 摘要：利用硼径迹显微照相技术研究了在F-3%Si合金中热变形再结品运动品界上霸 的偏聚行为和特点。结果表明：在1000℃、20%变形后再结品过程中，霸在运动晶界上存 在明显的富集，而当品界运动停止时，这种富集也将随之消失。利用位错在品界消失的驰豫 机制，对这种溶质原子在移动品界上的非平衡偏聚作了初步的探讨。 关键词：品界，偏聚，哪 Boron Segregation on Moving Grain Boundary during Recrystallization in Fe-3%Si Alloy Zhang Sanhong'He Xinlai T Ko. ABSTRACT:The behaviour of boron segregation on moving grain boundaries during recrystallization after high temperature deformation was investigated in a Fe-3%Si alloy by means of boron particle track autoradiography (PTA), Such kind of segregation was observed after 20%deformation at 1000C,and disappeared as the grain boundaries stopped.Based on the above results a me- chanism of dislocation relaxation on grain boundaries is proposed for the segregation on movig boundaries, KEY WORDS:grain boundary,segregation,boron 1991-12-17收稿 +本课酒为国家自然科学基金会资斯项目 材料物理系(Department of Materials Physics) 364

第到 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 年 月 了 。 一 中再结晶运动 晶界上硼的偏聚 章三 红 ’ 贺信莱 ’ 柯 俊 ’ 摘 要 利用 硼径迹显微照相技 术研究了在 一 合金中热变形再结 晶运 动 晶界上翻 的偏聚行为和 特点 。 结果表明 在 ℃ 、 变形后再结晶过 程 中 ， 翻在运 动 晶 界 上 存 在 明 显 的富集 ， 而当晶界运动停止时 ， 这种富集 也将随之消 失 。 利用位错在晶界消 失的驰 豫 机 制 ， 对这种溶质原子在 移动晶界上 的非平衡偏聚作 了初步 的探讨 。 关健词 晶界 ， 偏聚 ， ’ 确 曰 一 ， ‘ 万 夕 夕 ， 、 一 二 ， ， 口 ， · ， ， 叼 、 一 一 收 稿 十 本 课题为 国家 自然科学 基金会资助项 目 材料物理系 众 名 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．03．030

微量杂质对金属材料的再结晶及晶粒长大过程和相变动力学有显著的作用。实验和理 论r1)表明微量杂质将与运动晶界相互作用而影响再结晶的长大过程。Kasen‘2)用电阻法研究 了铝合金退火再结晶与晶粒长大过程，得出：运动晶界能大量捕获溶质原子，其偏聚量明显 超过了Mclean3)公式预期值，甚至达到或接近饱和。最近的研究r4)表明：硼在含铌奥氏体 钢高温形变再结晶的运动品界上存在非平衡偏聚。但目前，关于运动晶界上溶质原子偏聚 理论和实验研究刚刚开始，特别是在体心材料中，这方面的工作还未见报道。本文利用硼径 迹显微照相技术研究硼在F©-3%Si中再结晶运动品界上的分布，并试图从理论上解释运动晶 界上溶质原子的非平衡偏聚。 1试验材料与方法 试验所用材料的化学成分为(%)，0.016C,2.86Si,0.065Mm,0.009P,0.002S, 0.11A1,0.042Ti,0.0046B,余为Fe。 试样的热处理过程是：先将其在1200℃保温0.5h水冷到室温，然后将其加热到1000℃ 保温5min后试样压缩形变20%（变形速度5/s),接着各试样继续保温分别为0s,3s,5s, 10s,15s,30s,60s后冰块水淬。冰盐水淬的冷却速度在500℃以上大于600℃js。试样尺寸 为中6×20mm。 硼分布的观察采用以1B(n,)?L裂变反应为原理的粒子径迹显微照相技术〔5)，用醋 酸纤维素膜作固体探测膜，贴膜试样用热中子辐照，辐照积分通量1015/cm2，膜浸蚀、喷镀 后进行观察和测量。 2试验结果和讨论 (1)试验结果表明1000℃变形及再结晶开始阶段(0s,3s的试样)，试样内硼分布基本 均匀，没有观察到硼的偏聚，而在5s,10s,30s的试样中则可以看到显著的、不连续的硼的 弯曲富集带，而在60s的试样中，则可以看到这种富集减弱了。如图1所示。 变形后保持10s试样中硼的分布的径迹显微照片以及对应的金相照片可以清楚地看到如 图2所示：硼的富集带是由于在运动晶界上出现硼的偏聚，而在静止晶界上并没有这种明显 偏聚存在。 从上面实验可知：运动晶界上的硼偏聚，在晶界运动的初始阶段，偏聚并不明显，但随 着保温时间的延长，晶粒的不断长大，偏聚增加，并保持一定的程度，当再结晶接近完成， 品界运动速度降低时，偏聚又逐渐减弱，直至消失。 (2)对于溶质原子在运动晶界上的反常偏聚，是Cahn的理论所不能处理的。根据Cahn 的溶质拖曳理论t1)运动晶界上的溶质富集程度不会超过同一温度下，静止晶界上的McLean 平衡偏聚的偏聚量：3。这种运动品界上的非平衡偏聚，可以用位错在晶界消失的驰豫机制 解释。在再结晶过程中，新晶界会朝着位错密度高的区域（变形晶粒）运动，于是在再结晶 晶界运动的过程中有大量的位错将在运动晶界上消失。已有研究表明：·〕位错在晶界消失需 要一定的时间。无疑，进入晶界的位错，在它到达后直到完全消失前的这一段时间（称之为 驰豫时间τ)内，将给晶界增加一个附加的局部畸变区，这相当于使局部晶界宽度有所增加， 365

微量杂质对金属材料的 再结晶及 晶粒长大过程和相 变 动力学有显著的作 用 。 实 验 和 理 论 〔 ‘ ’ 表 明微量杂质将与运 动 晶界相 互作用而 影响再结晶的 长大过程 。 〔 用 电阻法研究 了铝合金退火再结 晶与 晶粒长大过程 ， 得出 运劫晶界能大量捕获溶质原子 ， 其偏聚量 明显 超过 了 〔 ” ，公式预期值 ， 甚至达到或接近饱和 。 最近的研究 〔 ‘ ’ 表 明 硼在含锭奥氏体 钢高温形变再结晶的运动 晶界上存在非平衡偏 聚 。 但 目前 ， 关于运动晶界上溶质 原 子 偏 聚 理论和 实验研究 刚刚开始 ， 特 别是在体心 材料 中 ， 这方面的工 作还未见报道 。 本文利用 硼径 迹显微照相技术研究硼在 。 一 中再结晶运 动晶界上 的分布 ， 并试 图从理论上 解释运 动 晶 界上溶质原子 的非平衡偏聚 。 试验材料与方法 试验所用材料 的北 学 成 分 为 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 余为 。 试样 的 热处理过程是 先将其在 ℃ 保温 水 冷到 室温 ， 然后将其加 热到 ℃ 保温 后试样 压缩 形变 变 形速度 ， 接着各试样 继续保 温分 别 为 ， ， ， ， ， ， 后冰块水 淬 。 冰盐 水淬的 冷却速度在 ℃ 以 上大 于 ℃ 。 试样尺 寸 为小 。 硼分布 的观察采 用以 ‘ 。 ， 裂变反 应为原理 的粒子径迹显微照相 技 术 〔 〕 ， 用醋 酸 纤维素膜 作 固体探 测膜 ， 贴膜试样 用热中子 辐照 ， 辐 照积分 通量 ’ ， 膜浸蚀 、 喷 镀 后 进行观察和测量 。 试验结果和讨论 试验结果 表明 。 ℃ 变形及再结 晶开始阶段 ， 的试样 ， 试样内硼分 布基本 均匀 ， 没有观察到 硼的偏聚 ， 而在 ， ，， 的试样 中则可以 看到显著的 、 不连 续 的硼的 弯曲富集带 ， 而在 的试样中 ， 则 可以看到这种富集减 弱 了 。 如 图 所示 。 变 形后保持 试样中硼的分布 的径迹显 微照片以及 对 应的金相 照片可以清楚地 看 到如 图 所示 硼的富集带是 由于在运 动 晶界上 出现硼的偏聚 ， 而在静止 晶界上 并没有这种 明显 偏聚存在 。 从上面实验 可知 运 动 晶界上 的硼偏 聚 ， 在 晶界运动的初始 阶 段 ， 偏聚并不 明显 ， 但随 着保温时 间的延长 ， 晶粒的不断 长大 ， 偏 聚增加 ， 并保持一定 的程 度 ， 当再结 晶接近完成 ， 晶界运 动 速度降低时 ， 偏 聚又逐 渐减弱 ， 直至 消失 。 对于溶质原子在运 动 晶界上 的 反常偏 聚 ， 是 的 理 论所不能 处理 的 。 根 据 的溶质拖 曳理 论 〔 ” 运 动 晶界上 的 溶 质 富集程 度不会超过 同一温 度下 ， 静止 晶界上 的 “ 平衡偏聚的偏 聚量 〔 “ 〕 。 这种运 动 晶界上 的非平衡偏 聚 ， 可 以用 位错在 晶界 消失的 驰 豫 机制 解释 。 在再结晶过程 中 ， 新 晶界会朝着 位错 密度 高的区域 变 形 晶粒 运 动 ， 于是 在再结 晶 晶界运动的过程 中有大 量的 位错将在运 动晶界上 消失 。 已有研究表 明 〔 “ 〕 位错在晶界 消 失需 要一定的时 间 。 无疑 ， 进人 晶界的 位错 ， 在它 到达后直到完全 消失前 的这 一段时 间 称之 为 驰豫时间 内 ， 将给 晶界增加 一个附加 的局部畸变区 ， 这相 当于使局部晶界 宽度有所增加

图1Fc-3%Si1000℃变形20%后保温0,15,30,60s冰盐水淬试样中爾的分布 a 0s b 15s c 30s d 60s Fig.1 The boron distribution in Fe-3%Si alloy after 20%deformation at 1000C, the samples quenched into ice-brine after holding 0s 15s,30s,and 60s 图2F©-3%Si合金1000℃变形20%保温10s后冰盐水淬试样的硼分布（左）和对应的金相照片 Fig.2 The boron distribution(left)and optical micrograph(right)in Fe-3%Si alloy after 20%deformation at 1000C,the sample quenched into ice-brine after holding 10s 366

群 图 一 百 呈 ℃ 变形 后保温 。 ， ， ， 一 一 攘岑 厂 鹭 发雏戮擎 笋夕蕊级资拼共荃声碑井书拼戈 冰盐水淬试样中硼 的分 布 ℃ ， ， 。 轰澎 篆 熟琳冤流“鬓 班携 州咬 赫 翼﹃瓤麟今 醚舞 藻鬃儡一 嫩 股缈蔺 图 一 合 金 。 ℃ 变形 。 保温 后冰盐 水 淬试 样的硼 分布 左 和 对应 的金相 照 片 丁 呈 一 “ ℃ ， 一 了

从而使溶质偏聚的区域增宽。显然，当晶界运动速度增加时，晶界宽度附加增量更大，这是 因为速度增加，晶界单位时间内扫过的面积更大，单位时间内进入晶界的位错更多，附加畸 变区域更大，从而使晶界更宽。但是晶界增宽并不意味着溶质偏聚量增加。根据Cahn的理 论，只有D>V6(D为溶质在晶界的扩散系数，V为品界迁移速度，6为品界宽度)的溶质 原子，其偏聚气氛才可能随晶界一起运动，否则，晶界将摆脱偏聚气氛而迁移。 对于D>V6的溶质原子，运动晶界上偏聚量之所以大于对应的静止晶界上的值，是由于 晶界宽度增加，偏聚区域增宽所致。显然，这个偏聚量就随着晶界迁移速度的增加而增加 (在满足D>V的条件下)，而当速度降低时，偏聚量将减小，直至降到平衡偏聚的程度。从 图1的照片可以清楚地看到这一点。 有关运动晶界上溶质偏聚的位错驰豫机制的理论计算见文献〔7门。 3结i 论 (1)在Fe一3%Si1000℃变形等温过程中，硼在再结晶运动晶界上存在明显的非平衡偏 聚，偏聚随着再结晶的完成，晶界运动的停止而减弱直至消失。 (2)运动品界上的非平衡偏聚可由位错在品界消失的驰豫机制解释，运动晶界非平衡偏 聚的条件为：D>V6。 参考文献 1 Cahn J W,Acta Metall,,1962,10:789 2 Kasen M B.Acta Metall,,1983,31:483 3 MeLean D.Grain Boundary in Metals,Oxford Press,1857 4 He X L,Djahazi M,Jonas J J and Jackman J.Acta Metall,,1991,39:2295 5 He X L and Chu YY.J.Phys.D,Appl.Phys.,1983,16:1145 6 Varin R A.Phys.Stat.Sol.(a),1979,52:347 7 Zhang S H,He X L and T Ko.to be Published,1992 367

从而 使溶质偏聚的区域增 宽 。 显 然 ， 当 晶界运动 速度增加 时 ， 晶界宽度 附加增量 更大 ， 这是 因为 速度增加 ， 晶界单位时 间内扫过的面积 更大 ， 单位时 间内进人 晶界的 位错 更多 ， 附加 畸 变 区域 更大 ， 从而使晶界更宽 。 但是 晶界增宽并不意味着溶质偏 聚量增加 。 根 据 的理 论 ， 只有 为溶质在 晶界 的 扩 散 系数 ， 为 晶界 迁移速度 ， ‘ 为 晶界 宽度 的溶 质 原子 ， 其偏聚气氛才可能 随晶界一起运动 ， 否则 ， 晶界将摆脱偏 聚气氛而 迁移 。 对于 厂 的溶质原子 ， 运 动 晶界上偏聚量 之所 以大于对应的静止晶界上的值 ， 是 由于 晶界 宽度增加 ， 偏 聚区域增 宽所致 。 显 然 ， 这个偏聚量就随着晶界迁移速度 的 增 加 而 增加 在满足 的条件下 ， 而 当速度降低时 ， 偏 聚量将减小 ， 直至降到平衡偏 聚 的程 度 。 从 图 的照片可 以清楚地看到这一点 。 有关运 动 晶界上溶质偏聚的位错驰豫机制的理论计算见文献 〔 〕 。 结 论 在 一 ℃ 变 形等温过程 中 ， 硼在再结晶运 动 晶界上存 在 明显 的非平衡偏 聚 ， 偏聚 随着再结晶的完成 ， 晶界运 动 的停止而减弱直至 消失 。 运动 晶界上 的非平衡偏聚 可 由位错在晶界消失的驰豫机 制解释 ， 运 动 晶界非平衡偏 聚的条 件为 。 参 考 文 献 。 ， ， 。 ， ， 。 ， ， ， ， 王 。 。 ， 。 。 ， ， ， ， ， 。 ， ，