Effect of boron on high temperature embrittlement of a high purity Fe-S alloy

Effet du bore sur la fragilité à haute température d’un alliage Fe-S de haute pureté

¹ Osaka Science & Technology Center, Osaka 980-8577, Japan
² Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan

Abstract

It is well-known that the properties of iron are affected by impurities. With a small amount of sulfur, a drastic hot ductility drop appears near 1000 K. Boron in Fe-P alloy improves the grain boundary brittleness at room temperature by intrinsic cohesion mechanism and competition mechanism. In the present research, the intrinsic effect of boron on the hot ductility drop of Fe-S alloy has been investigated. High purity Fe-60 mass ppm S alloys doped with boron (0 to 70 mass ppm) were melted in a CaO crucible using a high vacuum induction furnace. It is found, for example, by tensile tests at 973 K that the reduction in area (RA) increases from 20% to 50% by the addition of about 20 mass ppm boron to a high purity Fe-60 mass ppm S alloy. However, by adding more boron, the RA decreases and then becomes constant with boron contents higher than 35 mass ppm. It is observed that excess sulfur and boron precipitates as iron-sulfide and iron-boride uniformly distributed in the matrix. The decrease in RA by adding more than 10 mass ppm boron is caused by the strengthening of the matrix due to the increase in the number of iron-boride particles. It should be emphasized that experimental research using highly purified specimens is significant to clarify the inherent properties of metals.

Résumé

Il est bien connu que les propriétés du fer sont affectées par la présence d’impuretés. Avec une faible quantité de soufre, se produit une forte chute de ductilité vers 1000 K. Le bore dans un alliage Fe-P améliore la fragilité intergranulaire à température ambiante par des mécanismes de cohésion et de compétition. Dans la présente recherche, l’effet intrinsèque du bore sur la ductilité à chaud d’un alliage Fe-S a été étudié. Des alliages de haute pureté Fe-60 ppm S (en masse) dopés avec du bore (0 à 70 ppm) ont été fondus en creuset de CaO dans un four à induction sous vide poussé. Les essais de traction à 973 K montrent que la striction (RA) augmente de 20 % à 50 % grâce à l’addition de 20 ppm de bore dans l’alliage Fe-60 S. Cependant, si on ajoute plus de bore, la striction RA diminue et devient constante quand la teneur en bore est supérieure à 35 ppm. Le soufre et le bore en excès précipitent sous forme de sulfures et borures uniformément distribués dans la matrice. La décroissance de RA pour des teneurs en bore supérieures à 10 ppm est due au durcissement de la matrice par la précipitation de borures. Il faut insister sur le fait que la recherche expérimentale utilisant des matériaux de haute pureté permet de clarifier les propriétés intrinsèques des métaux.