纯铁中磷的高温内耗研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.02.019 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ,of Iron Steel Technol.Vol.9No.2 1687 纯铁中磷的高温内耗研究 邱宏杨国平田跃李文彬：“ (物理系) 摘 要 采用含有不同含量磷的电子轰击纯铁作样品，经脱碳脱氮后，用低须倒扭摆 测脏其300一800℃之间的内耗值.结果表明，磷含量在0,007一0,28wt%之间的五 根样品，分别于580°和470℃左右出现两个内耗峰，激活能分别为2.13ev和1.80eV, 经高温保温一定时期淬火处理后，这两个雄全部消失。由此看出，580℃左右的皤 可能是Fc一p的s峰，而470℃的体可能是纯铁的PM蜂。 本文还研究了一根含稀土元素铈的铁磷合金的内耗。发现在703℃、601℃和 500℃相应出现三个内耗峰。初步认为，它们分别是Fe一Ce的ss峰.Fe-P的ss链和 纯铁的PM峰。 关键词：Fe一P的内耗(s),纯铁的PM峰，蜂的温度，脆性，品界理论。 The Research of an Internal Friction of the Pure Iron Containing Phosphorus at High Temperature Qiu Hong Yang Guopin Tian Yue Li Wenbin Abstract Five kinds of specimens of the pure iron containing phosphorus were used in this work.After having removed carbon and nitrogen,we mea- sured internal friction of these specimens at a temperature range from 300C to 800C with the inverted torsion pendulum at low freguency.Consqu- ently five specimens containing phosphorus contents at a range from 0.007 wt%to 0.28wt%show two internal friction peaks at about 580c and ab- out 470C respectively.The activation energy of this peak at about 580c 1987一01一09收移 126

北 京 钢 铁 学 院 学 报 ， 。 。 纯铁中磷的高温内耗研究 邱 宏 ’ 杨国平 田 跃 李文彬 物理系 摘 要 采用含有不同含量磷的电子轰击纯铁作样品 ， 经脱碳脱氮后 ， 用低频倒扭摆 测量其 一 ℃ 之间的 内耗值 结果表明 ， 磷含量在 一 袱 拓之间的五 根样品 ， 分别于 和柞。 ℃ 左右出现两个内耗峰 ， 激活能分别 为 和 哭 经高温保温一定时期淬火处理后 ， 这两个峰全部消失 。 由此看 出 ， 。 ℃ 左右的峰 “ 可能是几一 的 。 峰 ， 而 劝 ℃ 的峰可能是纯铁的 峰 本文还研究了一根含稀土元素饰的铁磷合金的内耗 。 发现在 ℃ ℃ 和 ℃ 相应出现三个内耗峰 。 初步认为 ， 它们分别是 一 的 。 ，峰 一 的 峰和 纯铁的 峰 。 关键词 一 的内耗峰 峰， 纯铁的 峰 ， 峰的温度 ， 脆性 ， 晶界理论 “ 万。 ” 犷 称 “ 了” ” 萦 班 ” 元 ， 厂 ， 】 一 宝 吞 · ’ 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．02．019

is 2.13ev,the another is 1.80ev.After quenching at high temperature, two peaks disappeared.Based on the results mentioned above,the peak at about 580c is likely the Fe-P Peak (SS peak)and the another is pro- bably the pure iron peak PMpeak Finally,the specimen of Fe-Ce-P alloy containing a small amount' of rare earth element Ce was made a experiment.Three peaks were found at about703℃、601℃and500℃respectively..We have a tentative idea that these three peaks are the Fe-Ce SS peak,the Fe-P SS peak and the pure iron peak PM peak respectively.It is remarkable that the PM peak temperature in the Fe-Ce-P alloy is higher than that one in the Fe-P alloy.The work,which a small amount rare earth ele- ment affects the internal friction of Fe-P alloys,is being perfected. Key words:Fe-P internal friction peak (SS peak )Pure iron PM peak,temperature of peak,brittleness,theory of grain boundary. 引 言 纯铁中磷的高温内耗研究工作还很少。MIL'MAN1)等人工作中，采用的试样成份 较复杂，在还没有PM峰出现的情况下，在频率1000Hz,400~500℃出现一个内耗峰， 他们认为这就是Fe-P的SS峰。 我们的工作，用低频倒扭摆研究了300~800℃的铁磷样品内耗值，发现具有不同含 量磷的纯铁样品，在不同的温度范围内出现Fe-P的SS峰和纯铁的PM峰。由此分析不 同含量的磷在纯铁中在此温度范围内的分布状态，这对进一步探素磷元素对钢铁材料性 能的影响具有一定参考价值。 实验方法 本实验使用样品中含磷量分别为：0,0.007,0.030,0.032,0.050,0,28(wt %)六种，试样的编号相应是1“，2,3,4,5“，G,基体是电子轰击纯铁， 样品是直径1mm左右的细丝。在测量其内耗之前，把样品加热到580℃，通湿氢下保 温10，对样品进行脱氯处理，而后继续加热到720℃，在相同环境中保温24h,进行脱 碳处理。经过上述处理后，把其中含磷量最少的样品放在正摆炉上测量，碳和氯的Sock 蜂完全消失，然后对所有处理过的样品用倒扭摆测其内耗值。 在测量内耗曲线时，先把样品加热到约810℃，保温20min,降温过程中从810℃连 续进行测量直到330℃左右结束。每个测量点之间温度间隔为6~9℃。整个试验过 程，始终在氩气保护下。每测一个内耗值同时测量相应的振动烦率，每个数据都重复测 定二次 把4*样品封闭在抽真空后的石英玻璃管中，加热到930℃左右，保温8，淬入冷0 126

， · ， ， ℃ 一 。 ， 圣 一 一 了 。 。 。 ， 。 。 一 扩 一 。 碗 。 、 币 五， ， 。 。 、 ℃ ℃ 一 ， 一 五在 一 一 呈 室 五 。 一 ， 一 ， 一 ， 。 ， ， ， 引 言 纯铁 中磷 的高温 内耗研究 工作还很少 。 ‘ 川 等人工 作 中 ， 采用 的试 样成份 较复杂 ， 在 还没 有 峰 出现的情况下 ， 在频率 ， ℃ 出现 一个 内耗峰 ， 他 们认 为这就 是 一 的 峰 。 我们 的工作 ， 用 低频倒 扭摆研究 了 ℃ 的铁磷 样品 内耗值 ， 发现具有不 同含 量磷 的纯铁 样品 ， 在不同的温 度范 围 内出现 一 的 峰和纯铁的 峰 。 由 此 分 析 不 同含量 的磷在纯铁 中在 此温 度范 围 内的分布状态 ， 这 对进 一 步探索磷 元素对钢铁材料性 能的影响具 有‘ 定参考价值 。 实验方法 本实验 使用 样 品 中含磷量分别 为 ， 。 ， ， 。 ， ， 。 六 种 ， 试 样的编号相 应 是 ” ， ” ， ” ， ， “ ， ， 墓体 是 电子 轰击 纯铁 ， 样品 是直径 左 右 的细丝 。 在测量 其 内耗之前 ， 把 样品加 热到 ℃ ， 通 湿 氢 下 保 温 。 夕对 样品进行 脱氮处理 ， 而后继续 加热 到 。 ℃ ， 在 相 同 环玩中保温 ， 进行 脱 碳处理 。 经 过上述 处 理后 ， 把其 中含磷量 最少 的 样品 放 在正摆 炉 上测量 ， 碳 和氮的 。 蜂完全消 失 ， 然后对所 有处理 过的样品用 倒扭摆 测其 内耗值 。 在测量 内耗 曲线 时 ， 先把样品 加热 到约 ℃ ， 保温 ， 降 温 过程 中从 ℃连 续进行测量 直 到 ℃ 左 右结束 。 每 个测量 点之 间温 度 间隔为 ℃ 。 整 个 试 验 过 程 ， 始终在氢 气保 护下 。 每测 一个 内耗值 同时测量相 应的振动 频率 ， 每 个数据 都 重 复测 定二次 把 年 样品 封 闭在 抽 真空后 的石英 玻璃 管 中 ，加热 到 ℃ 左右 ， 保温 ， 淬 人冷

水中。热处理后，立即把样品放入倒摆，升温至800℃保温15mi,降温测内耗值到390~ ℃左右，整个过程在氩气保护下进行。 对2和6#样品进行变频测量，求其激活能。经脱碳脱氮后，用同样方法测量一根 含稀士前的铁磷合金。数据处理采用计算机分峰。高温背景内耗采用关系式Q1= Ae-BT来确定2)。变频测激活能Q=-kn（w/w）_3) Ty-TM 2 实验结果 图1~4分别是2“、3、4、5样品的内耗Q-1~六曲线。曲线A表示实验 中实测的Q-1一亭山线，B是高温背景内耗曲线，C是A-B后得到的内耗曲线，D、 E分别表示二个Debye型内耗峰，D、E二峰叠加应是C曲线。 G01 A Original data B Background B Buvigrcund C A-B C A-D .DFe-P ss peak(B94.1℃，0.79Hz) D ve-p ss poni:(37.1.0.721a) E'Pure iron PM peak(472,8'℃，0,86Hz) E Pure iro别e2,IC,. 40 O[x 0 20 品 0 0 0.9 1,1 0.9 1,1 1.3 1.5 1.7… 1.3 1.5 1,7 109) 1 10 a 图1.含磷量0,007wt%的Fe一P合金内耗曲线 图2含磷是0,030wt%的FC一P合金内耗线 Fig.1 Internal friction curves of Fe-P alloy Fig.2 Internal friction curves of Fe-P alloy containing 0,007 wt phosphorua containing 0.003wt phosphorus, 80 AOviginal data 、 80r 人 88m 60 d R68-9e8:edsw 40 20 .f. 20 0.91.01.11.21.31.41.51. *10) 0.9 1.01.11.21.31.41,5J.5 10最) 图3含磷量0.032wt%的Fc一P合金内耗h线 图4.含稀量0.C5Gwt%的P。一P合金内耗曲线 Fig.3 Internal friction curves of Fe-P-alloy Fig.4 Internal friction curves of Fe-P alloy containing 0.032wt phosphorus. containing 0.050wt%phosphorus. 1样品在542℃左右出现一个龄，峰值附近频率是0.79Hz。2·、3、4、5# 127

水 中 。 热 处理后 ， 立 即把样品放 人倒摆 ， 升温至 ℃保温 呈 ， 降 温测 内耗值到 ℃ 左 右 ， 整个过程在氛 气保 护下进行 。 丫 对 和 ” 样品进行变频侧量 ， 求 其激活 能 。 经脱碳 脱氮后 ， 用 同样方法测量 一根 含稀 土 沛 的铁磷 合 金 八 一 “ 来确 定 〔 〕 。 。 数据 处理采用计算机分 峰 。 高温 背景 内耗采 用 关 系 式 一 ‘ 二 变频测激活 能 图 一 分 别 是 ” 、 、 、 ’ ， 二 〔 〕 一 实验结果 二 二 ， 二 布 样品 的 内耗 一 ‘ 丁 阴 线 。 曲线 表示 实验 中实测的 一 ‘ 一 夸 。 线 ， 是高温背 景 内耗 曲线 ， 是、 一 后得到 的 内 耗 曲 线 ， 、 分别表示二个 一 型 内耗 峰 ， 、 二峰叠加应是 曲线 。 丫应一 五 认。乍 七确 ︸ 尸 ’ 卜 曰 尸 · 以岁 ℃ 川 、 篇粼箭爵流几欲洲幻 白口州 土 妇 令训 一 气啼 · 习 汉。 电 、 舟 ， 。 一 气暗 ， 图 含磷量。 们 书的 一 合金 内耗曲线 图 含磷量。 。似 形的 。 一 合金 内耗曲线 是 气 日 。 一 一 。 拓 另 犯 、飞补，、、 飞 护 ‘ 、 丁李 晏笋糯 ，“ 几 · ‘ ， 。 口 ， 已 ℃ ， 于 泊 · 付日 百 ， 日 几 。 从 一 厂万份唱夕二 朋 蕊 测皿”州川 甲 爪卜 尸 了 ， ， 吕，七 乡 。 吸户 严 、 赚 ， 滋 洲创即一 咋，。洲荞口 以娜一、 、 才，口。 江 已七狡，忠 仙 ““已曰八︸叫八︺ 、幻八︸叮日‘ 令 · 。 一 ，暗 一 协一一一一 二匕丘， 二三二二 万了 胜级琳 。 命 · ，。 几卜畏 二。 图 含磷量。 厂的 。 一 合金 内耗 曲线 一 一 图 刁 。 含磷量。 形的 。 一 合金 内耗 曲线 一 万 ‘ 形 ” 解 ，样品 在 ℃ 左右 出现 一个峰 ， “、条值 附近 频率是 。 。 。 ” 、 、 ” 、 异

样品在相同温度范围内出现两个耗蜂，其峰 温、峰高等见表1。 图5是4样品在930℃保温8h后，淬 入冷水中以后所测得的内耗曲线，从图中看 20 出内耗值下降得非常低。 一年半以后，我们又用2和6#样品测 量激活能。2样品的低频内耗曲线见图6。 1,1 1.3 .5 2样品的高频内耗曲线和6·样品的高、低 频内耗曲线也有相似的情况。它们的峰温、 激活能等列表2中。分别取两个样品所测 图5含磷0.032wt%Pe-P合金，高溢保温淬 火后的内耗曲线 的第I峰和第Ⅱ峰的激活能的平均值，就得 Fig.5 After quenching at high temperature, 到第I峰(Fe一PSS峰)激活能是2.13ev, internal friction curve of Fe-P alloy 第Ⅱ峰(PM峰)激活能是1.80ev。同表1 containing 0.032wt phosphorus. 相比，表2中峰温发生较大变化可能是由时效引起的。 表1Fe一P合金内耗峰的峰温和峰高 Table 1 The peak temperature and peak height of an internal friction in Fe-P alloys First Peak (I) Second peak (Ⅱ) Ratio Specimen peak Peak Frequency Peak peak Frequency of the number temperature height temperature height peak height ℃ X10-3 H2 c X10-& Hz II 607,1 16.8 0.78 462.1 15,0 0.88 1,120 3 594.1 10.8 0.79 472.6 11.8 0.86 0.915 563.0 7,2 0.79 484,4 16,9 0.84 0.426 5 547,9 4.7 0.82 473,1 16.0 0.85 0,294 表2激活能 Table 2 Activation energy Specimen Type of Peak Frequency Penk Frequency Activation number peak temperature temperature energy ℃ Hz ℃ Hz ev First pesk 585,9 0.5882 597.9 0.8403 1,923 (I) Second peak 482.1 0.6211 492.5 0.8772 1.654 (Ⅱ) First peak 570,0 0.5814 581,5 0.8969 2,337 (I) Second peak 513.0 0.6098 524.3 0.9133 1.936 () 128

样品 在相 同温 度范 围 内出现 两 个耗峰 ， 其峰 温 、 峰 高等见表 。 图 是 样品 在 ℃ 保温 后 ， 淬 人冷水 中以后所测 得的 内耗 曲线 ， 从 图 中看 出 内耗值 下降得非常 低 。 一 年半 以后 ， 我 们又 用 “ 和 样品 测 量激活 能 。 非 样品 的低频 内耗 曲线 见 图 。 样品 的高频 内耗 曲线 和 样品 的高 、 低 频 内耗曲线也有相 似的情况 。 它 们 的峰温 、 激活 能 等列表 中 。 分别 取 两个 样 品 所 测 的第 峰和 第 峰的激活 能的平均值 ， 就得 到第 峰 一 一血条 激活 能 是 ‘ ， 第 峰 峰 激 活 能 是 。 同 表 、、 气，‘ 件 了 六 知、 、 、 ， ‘ 厂一一 份下二了一 ‘ 一丈不 争 · ，。 一 ， 暗 ， 图 含磷。 叭终取一 合金 ， 高温保温淬 火后的内耗曲线 ， 爪 ， 一 〕 几 形 ‘ 、 相比 ， 表 中峰温发生 较大变化可 能是 由时效引起 的 。 表 一 合金 内耗峰 的峰温和峰 高 一 。 。 、 ℃ 。 一 ℃ 汉 。 一 ， 兀 吕附一了曰︺，自 … 讨八 。 。 。 。 。 。 峨 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 表 激 活 一 了 ℃ 能 ℃ 王罕 公 丑 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 或 。 。 。

由峰的半宽度公式△()=1.144×2.303×合可得第I峰Debye宽0.1067× k 10-3(℃-1)，第Ⅱ峰Debye宽0.1266×103（℃-1），各峰宽与Debye宽比值见表 3。 在Fe一Ce一P合金中发现了703℃、601℃、500℃三个内耗峰，初步认为它们分别 是Fe一CeSS峰、Fe一PSS峰、纯铁PM峰。见图7，这方面工作还在进行。 60 A Original data 100 A Original data % iDFc-Ce ss peak(703℃) 40 宫8品微：9aa}82a E Fe-P,ss peak ( 2-0Ex Pure iron PM peak (500 C) 60 20 40 20 0.9 1.3 1.5 ÷103 0,91.01.11.21.31.41,51.6 量10侵 图6含磷量0.007wt%的Fc一P合金内耗曲线 图TFe一Ce一P合金内耗曲线 Fig,6.Internal friction curves of Fe-P Fig.7 Internal friction curves of Fe-Ce-P alloy containing 0.007wt phosphorus alloy.curve A,original data.curveB,background. 表3峰宽和Debye宽比值 Table3 The ratio of the peak width and Debye width First peak Ratio Second peak Ratio Specimen (I) (I:D) (I) (I:D) number X10- X10-8 2 0.260 2,44 0.292 2.31 3 0.326 3.06 0.228 1,80 4 0.208 1,95 0.140 1.11 5 0.176 1.65 0.172 1.36 3 结果分析 【1“样品在542℃左右出现一个纯铁的PM峰。对2和6样品变频测激活能，参看 表2。第I峰的激活能是2.13eV,第二峰激活能是1.80eV。由激活能值可看出，2"、 3、4幸、5·样品在测量范围内出现两种不同机制的内耗峰。 参看表1和图1~4,2”、8、4*、5*样品中都含有磷。由晶界理论可知，晶 界处存在大量的位错和缺陷，使品界处的能量较低，位错和点缺陷越多的晶界，结合能 越低。磷原子首先向这种具有很低能量的晶界扩散，占据这样的晶界。葛庭隧在大角晶 界非均匀滑移的连续分布位错模型)中指出，峰温出现的位置为C=江(1一v)1w门/ μd,其中门是晶界滑移的粘滞系数。位错缺陷多的品界其凸凹程度大，n值就大，要使 129

由峰 的半宽度公式 △ 辛 ‘ 火 古 可得第 峰 · · 宽 。 一 一 ℃ 一 ， 第 峰 宽 一 “ 一 ‘ ， 各峰 宽与 宽比值见表 。 在 一 一 合金 中发现 了 ℃ 、 ℃ 是 一 峰 、 一 峰 、 纯铁 峰 。 、 。 ℃ 三个 内耗峰 ， 初步认 为它 们分别 见 图 ， 这 方面工 作还 在进行 。 【， 哥 乏且土 日 了 右弓 · ， ， ‘ ‘砚 · ’ 。 ， 召取 一 日 一 日 一 日 上 ‘ 仗 ℃ ℃ ℃ 厂八 ﹄广“﹄‘你协 胜 卜︸ 几巍 八，曰九︸曰曰曰以卜 甲日丫、含 通︸ 盛︸ 甲曰口父 。 丫月 日 ，卜 一 坷矜卜介舀一 势 。 一 ， 、 ‘ 弄护 上 ， · 妙二， 炸 ， 十 · “ 一 屯吩 图 含磷最。 、 拓的 一 合金 内耗曲线 一 拓 图 一 一 合金 内耗曲线 吕 ， 一 。 一 ， ， 表 峰 宽 和 宽 比 值 瓦 日 火 工 汀 一 丑 。 。 。 。 石 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 结果分析 厂 样品 在 ℃ 左 右 出现 一 个纯铁 的 峰 。 对 和 趁样品 变频测激活 能 ， 参看 表 。 第 工峰 的激活能 是 ， 第 二峰激活 能 是 。 由激活 能值 可看 出 ， 、 、 、 样品 在测量范 围 内出现两 种不 同机制 的 内耗 峰 。 参看表 和 图 ， 律 、 、 “ 、 样品 中都含有磷 。 由晶界 理论 可知 ， 晶 界 处存 在 大量 的位错和缺陷 ， 使 晶界 处 的能量 较低 ， 位错和 点缺陷越 多的晶界 ， 结 合 能 越 低 。 磷 原子首先 向这 种具 有很低 能量 的 晶界 扩散 ， 占据 这 样的晶界 。 葛庭隧 在 大角 晶 界非 均匀滑移 的连 续分布位错模型 〔 ‘ 〕 中指 出 ， 峰 温 出现 的位置 为 二 二 一 川 问 ， 其 中刀是 晶界 滑移的粘 滞系 数 。 。 位错缺 陷多的 晶界 其 凸凹 程 度 大 ， 刀值就 大 ， 要 使