On the nature of boron solid solution in α-iron

Summary

X-ray lattice parameter and internal friction measurements were carried out on a B-αFe high-purity alloy in order to define the nature of boron solid solution in α-iron. B-αFe alloy specimens, practically free from carbon, were obtained by exploiting the very different diffusion rates of B and C in the iron b.c.c. matrix. By comparing the lattice parameter values between pure iron and carbon-depleted B-αFe alloy, a decrease is experienced for the latter. Two internal friction maxima, strictly connected with the carbon picked up during the boronizing process, were detected in the nondecarburized B-αFe alloy. The main peak corresponds to interstitial carbon diffusion in the αFe-B-C alloy (ΔH=21.9 kcal/mol); the « secondary » one (ΔH=16 kcal/mol) could be associated with a diffusion process of interstitial-substitutional C-B couples. No peak whatsoever has been detected in a carbon-depleted B-αFe alloy. The results obtained make it possible to establish that boron occupies substitutional positions in the α-iron lattice; solubility at 880 °C may be evaluated in about 0.015 wt%. The uncertainties existing on the subject up to now are probably the consequence of experiments carried out on B-αFe alloys not completely carbon free.

Riassunto

Su una lega boro-ferro α di alta purezza sono state condotte misure di parametro reticolare ai raggi X e di dissipazione interna, allo scopo di definire la natura della soluzione solida di boro in ferro α. Campioni di lega B-Fe α praticamente esenti da C sono stati ottenuti sfruttando le differenti velocità di diffusione del B e del C nella matrice ferritica. La lega B-Fe α decarburata presenta una contrazione del parametro reticolare rispetto al Fe puro di identica storia termica. Nessun picco di dissipazione è stato mai rivelato su di essa. La lega B-Fe α non decarburata presenta invece due picchi di dissipazione: il picco principale, perfettamente riproducibile, corrisponde alla diffusione di carbonio interstiziale (assorbito durante il processo di preparazione della lega); il picco secondario, non sempre rilevabile, potrebbe essere attribuito ad un processo di diffusione di coppie interstiziale-sostituzionale carbonio-boro. I risultati ottenuti permettono di concludere che la soluzione solida di boro in ferro α è di natura sostituzionale; la solubilità a 880 °C può essere valutata in circa 0.015% in peso. Le incertezze finora esistenti sull’argomento sono forse conseguenza di esperienze effettuate su materiali non del tutto esenti da carbonio.

Реэюме

Для определения природы твердого раствора бора в а-желеэе были проведены рентгеновские иэмерения параметра рещетки и внутреннего трения на сплаве В-аFе, высокой чистоты. Обраэцы сплава В-аFе, практически свободные от углерода, были получены, испольэуя очень раэличную скорость диффуэии В и С в матрице b.c.c. желеэа. Путем сравнения величин параметра рещетки для чистого желеэа и очишенного от углерода сплава В-аFе, обнаружено уменьщение для последнего. В неочишенном от углерода сплаве В-аFе были определены два максимума внутреннего трения, определено свяэанные с углеродом, подхваченным во время процесса насышения бором. Основной пик соответствует промежуточной диффуэии углерода в сплав аFе-В-С (ΔH=21.9 ккал/моль); «вторичный» пик (ΔH=16 ккал/моль) может быть свяэан с процессом диффуэии промежуточно-эам ешенных пар С-В. Никаких пиков не было эарегистрировано в очишенном от углерода сплаве В-аFе. Полученные реэультаты поэволяют установить, что бор эанимает эамешенные положения в рещетке а-желеэа; растворимость при 880 °C может быть оценена приблиэительно в 0.015 wt%. Неопределенности, сушествуюшие по данному вопросу вплоть до настояшего времени, вероятно, являются следствием того, что зксперименты были проведены на не полностью очишенных от углерода сплавах В-аFе.