知识点——硼元素.doc

一、元素介绍中文名称：硼 英文别名：Boron，amorphous 元素符号：B 发现人：盖吕萨克相对原子质量：10.811 密度：2.34g/cm熔点：2300.0沸点：3658储存：密封保存。 原子体积：(立方厘米/摩尔)4.6 元素在海水中的含量:(ppm)4.41 元素在太阳中的含量：(ppm) 0.002 地壳中含量：（ppm）950 莫氏硬度：9.3晶体结构：晶胞为三斜晶胞。 核内质子数：5 核外电子数：5 中子数：6 核电荷数：5 原子核亏损质量：0.28017u 质子质量：8.365E-27 质子相对质量：5.035 所属周期：2 所属族数：IIIA 摩尔质量：11（g/mol） 热导率:W/(mK)27.4 声音在其中的传播速率：（m/S）16200 外围电子排布：He 2s2 2p1 核外电子排布：2、3 核电荷数：5 电子层：K-L 颜色和状态：固体 原子半径：1.17 常见化合价：+3二、性状特点1702年法国医生霍姆贝格首先从硼砂制得硼酸，称为salsedativum，即镇静盐。1741年法国化学家帕特指出，硼砂与硫酸作用除生成硼酸外，还得到硫酸钠。1789年拉瓦锡把硼酸基列入元素表。1808年英国化学家戴维和法国化学家盖吕萨克、泰纳各自获得单质硼。硼的拉丁名称为 boracium，元素符号为B。这一词来自borax（硼砂）。硼在室温下比较稳定，即使在盐酸或氢氟酸中长期煮沸也不起作用。硼能和卤族元素直接化合，形成卤化硼。硼在6001000可与硫、锡、磷、砷反应；在10001400与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质，常具有特殊的性质。 它是最外层少于4个电子的仅有的非金属元素。其单质有无定形和结晶形两种。前者呈棕黑色到黑色的粉末。后者呈乌黑色到银灰色，并有金属光泽。硬度与金刚石相近。无定形的硼密度2.3克/厘米3，（25-27）；晶形的硼密度2.31克/厘米3，熔点2300，沸点2550，。在室温下无定形硼在空气中缓慢氧化，在800左右能自燃。硼与盐酸或氢氟酸，即使长期煮沸，也不起作用。它能被热浓硝酸和重铬酸钠与硫酸的混合物缓慢侵蚀和氧化。过氧化氢和过硫酸铵也能缓慢氧化结晶硼。上述试剂与无定形硼作用激烈。与碱金属碳酸盐和氢氧化物混合物共熔时，所有各种形态的硼都被完全氧化。氯、溴、氟与硼作用而形成相应的卤化硼。约在600硼与硫激烈反应形成一种硫化硼的混合物。硼在氮或氨气中加热到1000以上则形成氮化硼，温度在1800-2000是硼和氢仍不发生反应，硼和硅在2000以上反应生成硼化硅。在高温时硼能与许多金属和金属氧化物反应，生成金属硼化物。硼在6001000C可与硫、锡、磷、砷反应；在10001400与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质，常具有特殊的性质。在自然界中，硼只以其化合物形式存在着(像在硼砂、硼酸中，在植物和动物中只存在有痕量的硼),通常由电解熔融的氟硼酸钾和氯化钾或热还原它的其他化合物(如氧化硼)制得。硼的氧化物用活泼金属热还原；用氢还原硼的卤化物；用碳热还硼砂；电解熔融硼酸盐或其他含硼化合物；热分解硼的氢化合物上述方法所得初产品均应真空除气或控制卤化，才可制得高纯度的硼。硼的应用比较广泛。硼与塑料或铝合金结合，是有效的中子屏蔽材料；硼钢在反应堆中用作控制棒；硼纤维用于制造复合材料等。由于硼在高温时特别活泼，因此被用来作冶金除气剂、锻铁的热处理、增加合金钢高温强固性，硼还用于原子反应堆和高温技术中。棒状和条状硼钢在原子反应堆中广泛用作控制棒。由于硼具有低密度、高强度和高熔点的性质，可用来制作导弹的火箭中所用的某些结构材料。硼的化合物在农业、医药、玻璃工业等方面用途很广。天然含硼的化合物硼砂（NaB4O710HO）早为古代医药学家所知悉。我国西藏是世界上盛产硼砂的地方。图1 微量的Fe-B相图三、B在钢中的行为1、Fe-B平衡相图微量硼含量的Fe-B系相图如图1所示，就相区而言，具有同Fe-C平衡相图相区相类似的较大的固溶极限；对于相区来说，这里Fe2B的出现，相当于Fe-C系的共析反应，但呈包析反应出现。硼实际上降低钢的A4点，提高其A3点(在硼含量超过0.001%时)，从而缩小相区，并由于中间化合物Fe2B的出现而限制了封闭相圈的形成。在硼含量小于0.001%时，使A3点随硼含量的增加而降低，致使-(+)相界有一最低点，当硼含量为0.001%，此点的温度为835，此外，在硼含量为0.0081%及温度为910处存在一个包析转变点。从相图中可以看出，700以下时，硼在-Fe中的溶解度小于0.0004%，910时为0.0051%。在-Fe中的溶解度从910的0.0024%增加到1149时的0.02%。2、硼在钢中的存在形式硼在钢中的存在形式至今还没有一个肯定的结论，目前意见比较一致的是硼溶入-Fe中并在晶粒表面上具有吸附效应。这种吸附意味着在晶粒边界附近溶质的加浓或缺少，由于表面张力作用而没有沉淀。在较高的温度下硼容易在奥氏体晶界发生吸附，并且通过热膨胀实验和X射线衍射发现硼加入到铁中产生了晶格点阵收缩，认为硼-Fe和-Fe中处于置换固溶的位置。很多报道都认为硼在-Fe中是置换固溶形式存在。但是有人用内耗法研究Fe-B合金时，显示出一种由硼所引起的内耗峰。根据硼和碳的扩散速度，表明硼原子的间隙固溶特性。根据溶解度依赖于引入一个硼原子到间隙位置或置换位置所需的能量计算结果以及硼在-Fe中的溶解度比率分析结果来看，硼原子也容易形成置换固溶。根据尺寸因数进行判断，如果溶质对溶剂原子半径的比率小于0.59，则满足形成间隙固溶体的条件，如果半径的比率在0.851.15之间，通常形成置换固溶体，那么硼的原子半径为0.97，-Fe在910时原子半径约1.24 ，比率为0.78；-Fe在910时原子半径约1.28 ，则半径比率为0.76，硼的比率正好处在间隙固溶与置换固溶两值之间，所以硼是己知以间隙和置换固溶两种形式存在于钢中的唯一金属元素。3、硼的淬透性机理淬透性是钢的一种属性，它是指钢在高温奥氏体化后，在一定冷却速度下，淬火成马氏体的能力。微量硼(0.001%)就可以对钢起到很大的淬透性。一般情况下，亚共析钢中硼的淬透性作用大，而在过共析钢中几乎不起作用了。至今元素提高钢的淬透性机理仍然不是十分清楚，但有四种硼淬透性机理的解释一直保留至今。这些机理都认为，硼对淬透性的有利作用是由于推迟了铁素体的生核过程，但并不影响奥氏体或铁素体基体的热力学性能。(1)奥氏体晶界能降低机理很早提出的硼淬透性机理是:硼原子扩散到奥氏体晶界，降低了奥氏体的晶界能，因而减少了铁素体生核的有利位置。对这一机理提出的主要异议是，经测定这种能量降低最多不到百分之一，这对于要产生的巨大影响来说实在太小了，但Morral和camero指出，这种影响大小取决于铁素体晶核的形状。如果晶核形状和界面能的条件适当，即使界面能有百分之一的变化，也能使生核速度发生10倍的变化，这么大的变化完全可以解释所观察到的淬透性变化。目前铁素体晶核的形成还没有最后确定，故硼降低奥氏体晶界能提高淬透性仍然是一种可以成立的机理。(2)扩散能力降低机理已有报道硼降低铁原子在奥氏体晶界的自扩散能力，从而解释了硼为什么能推迟无碳合金中铁素体的生核，因为铁素体的生核速度与铁原子的跃迁频率成正比。一般认为钢中碳的跃迁频率控制铁素体生核速率，虽然有人认为可能由于硼堵塞了间隙位置或增加了晶界模量而降低碳的扩散能力，但是这些可能性尚未得到试验证明。(3)生核位置减少机理第一种机理(奥氏体晶界能降低机理)认为，可以将奥氏体晶界看成是连续体，即铁素体在晶界得任何位置上都可以生核。然而，如果考虑到晶界的结晶学特性，那么就会发现即使在预料生核速度最快的高角度晶界上，也有原子密度相对高低不等的区域，如果低原子密度区是有利于铁素体生核的位置，则可能由于硼在这些区内的偏聚将自由空间填满，或者由于析出硼碳化物使其利于生核的条件遭到破坏。假使硼使这些有利生核位置一半生效，则TTT图上的铁素体“C”线将向右移动一倍的距离；如果所有的位置都失效的话，则铁素体将以较低的速度在其它位置生核。这一机理引入注意的特点之一是，对“C”曲线发生的移动有理论限制。另外一点是，从原则上讲，在这些区内完全使这一机理能够毫不勉强地解释为什么少量的硼就能够产生巨大的作用。（4）铁素体在硼碳化物上生核的机理还有一些研究者认为，Fe23(B，C)6析出是铁素体形成的先导。对于这种现象，奥氏体晶界能降低机理和扩散能力降低机理的提出者是用硼碳化物的析出消耗了晶界的硼，而使硼抑制铁素体生核的作用消失来解释的。而主张“位置争夺”机理的研究者，对上述现象却做了另一种解释。他们认为只有硼碳化物很小时，才能阻止铁素体生核，一旦硼碳化物变得足够大，反而助长铁素体在它们的界面上生核。4、硼在奥氏体晶界的平衡偏聚及非平衡偏聚晶界的偏聚包含两种形式，即平衡偏聚和非平衡偏聚:（l）平衡偏聚现象是一种热力学平衡现象，当溶质原子与晶界之间有相互作用时，就会在晶界上产生溶质富集(或贫化)现象，其主要特点是:富集程度只取决于系统平衡参数，与材料所经历的历史过程无关，因此随系统参数的变化可以完全重复或可逆(即消失与产生)。这种偏聚的溶质局限于很窄的晶界结构混乱范围(即2-3个原子层)内，在一定温度下有一定的平衡偏聚量，随温度升高，偏聚量下降，在较快的加热或冷却过程中，偏聚量有一个达到平衡值的过程。（2）非平衡偏聚是一种动力学过程(也有人称为动态偏聚)，是指由于各种外界因素(如温度应力，辐照等)的变化引起某种溶质原子在晶界(或相界)的化学位不同，从而造成元素再分布的现象，