秦尚武 馬玉霞 劉海龍

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

1Cr13型馬氏體不銹鋼化學(xué)成分與淬火溫度區(qū)間關(guān)系的研究

秦尚武 馬玉霞 劉海龍

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

基于Jmat-Pro軟件對合金元素含量不同的1Cr13馬氏體不銹鋼進行了組織模擬，得到了5種不同合金元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律。同時，綜合5種不同合金元素的作用，利用MATLAB多元線性回歸擬合建立了1Cr13馬氏體不銹鋼合金含量與淬火溫度的關(guān)系模型。

合金元素；計算機模擬；淬火溫度；關(guān)系模型

隨著社會發(fā)展和生活水平的提高，對1Cr13型不銹鋼的需求量越來越大，同時對其質(zhì)量和使用性能提出更高的要求。1Cr13型不銹鋼屬于馬氏體不銹鋼，在鍛造和熱處理的過程中一般會出現(xiàn)鐵素體，而影響1Cr13型不銹鋼低溫沖擊韌性的最根本原因就是鐵素體的含量[1]。溫度較高時會產(chǎn)生下，其為一種軟相，硬度約為200HV，相比于馬氏體組織硬度明顯下降。所以在生產(chǎn)過程中需要制定合理的淬火工藝以盡量使鐵素體含量最少，避免或者減少鐵素體的產(chǎn)生。

而淬火溫度選擇在鐵素體含量最少的區(qū)間內(nèi)，有利于提高1Cr13型不銹鋼的使用性能，降低其低溫沖擊韌性，故鐵素體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間即可視為淬火溫度的適用區(qū)間。

本文采用Jmat-Pro軟件對合金元素含量不同的1Cr13型不銹鋼進行組織模擬，研究了不同的合金元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律，建立了1Cr13馬氏體不銹鋼合金含量與淬火溫度區(qū)間的關(guān)系模型。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為1Cr13型不銹鋼，GB/T 20878—2007對其成分的要求如表1。

表1 1Cr13型不銹鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The requirements of chemcial composition of 1Cr13 martensitic stainless steel (mass fraction, %)

1.2 試驗方法

選取不同的C、Si、Mn、Ni及Cr元素含量，研究其對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響。由于不同元素的添加會導(dǎo)致工作量的增加以及試驗過程的繁雜，而如今計算機模擬技術(shù)發(fā)展得相當迅速，JMat-Pro軟件具有快速和正確的計算能力[2]，故利用JMat-Pro軟件對合金元素含量不同的1Cr13不銹鋼進行組織模擬。

模擬是在一定范圍內(nèi)改變其中一個元素含量的同時保持其他元素含量不變的情況下進行的。通過模擬結(jié)果分析各個元素對鐵素體形成溫度的影響。

通過對模擬結(jié)果進行分析，將得到的數(shù)據(jù)進行整理，并利用MATLAB軟件對所得數(shù)據(jù)進行多元線性回歸得到最佳淬火溫度區(qū)間。

2 合金元素與淬火溫度區(qū)間的關(guān)系模型的建立

2.1 化學(xué)元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響

合金元素的種類以及含量會對鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響，從而影響材料的力學(xué)性能。根據(jù)前面所提到的模擬方法，利用JMat-Pro軟件分別模擬得到了不同含量的C、Si、Mn、Ni及Cr元素與的轉(zhuǎn)變溫度的一系列數(shù)據(jù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)可得不同化學(xué)元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響，影響規(guī)律如圖1所示。

1Cr13馬氏體不銹鋼在較低溫度加熱時，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；較高溫度加熱時，會生成鐵素體。由圖1可以看出，C、Si、Mn、Ni及Cr元素均對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響，且在較低溫度和較高溫度時對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響是相反的。

在鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程中，由于C是奧氏體形成元素，鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度隨著C含量的增加而降低。在較高溫度時，鐵素體出現(xiàn)的溫度隨著C含量的增加而逐漸升高。含有鐵素體的溫度區(qū)間也在逐漸增大，故淬火溫度區(qū)間也可增大。

隨著Cr元素含量的增加，由于Cr元素是鐵素體形成元素，能夠使相變點Ac3上升，奧氏體區(qū)縮小[3]，高溫鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，低溫鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，其溫度區(qū)間在逐漸縮小，相應(yīng)地淬火溫度區(qū)間逐漸縮小。

Mn和Ni含量對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律與C對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響趨勢一致，說明Mn和Ni均為奧氏體形成元素，能夠抑制鐵素體的生成。

Si對1Cr13馬氏體不銹鋼在加熱過程中鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響與Cr對其的影響趨勢類似，同樣說明Si是鐵素體形成元素，能夠促進鐵素體的產(chǎn)生，從而使鐵素體存在的溫度區(qū)間縮小。

2.2 化學(xué)元素含量與淬火溫度區(qū)間的關(guān)系模型

根據(jù)Jmat-Pro的模擬結(jié)果，利用MATLAB軟件來對化學(xué)元素含量與淬火溫度的關(guān)系構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

MATLAB中多元線性回歸計算模型[4]為：

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+…+βκxκ+ε,ε～N(0,δ2)

(1)

其中，參數(shù)估計要求誤差平方和為最小的前提下，用最小二乘法或最大似然估計法求解參數(shù)。一般情況下，用最大似然估計法可以得到式(1)計算模型的最大似然估計值。所以μ(x1,x2,…,xp)=b0+b1x1+…bpxp的估計值是：

(a)C元素

(b)Cr元素

(c)Mn元素

(d)Ni元素

(e)Si元素圖1 各化學(xué)元素的含量對轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律Figure 1 The effect rules of contents of various alloying elements on transformation temperature

(2)

式(2)為P元經(jīng)驗線性回歸方程。

現(xiàn)以化學(xué)元素(C、Si、Mn、Ni及Cr元素)的含量為自變量，以鐵素體轉(zhuǎn)變溫度即淬火適用溫度為因變量來建立數(shù)學(xué)模型[5]。由于各化學(xué)元素對鐵素體在較低溫度與較高溫度時轉(zhuǎn)變溫度影響規(guī)律不同，故需對低溫鐵素體和高溫鐵素體建立不同的模型，從而確定鐵素體含量最少或無鐵素體的區(qū)間，即為最佳的淬火溫度區(qū)間。

首先建立化學(xué)元素對低溫鐵素體轉(zhuǎn)變溫度即淬火的最低溫度的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB中需將C、Si、Mn、Ni及Cr元素分別設(shè)為x1、x2、x3、x4、x5。根據(jù)Jmat-Pro軟件模擬所得的數(shù)據(jù)進行MATLAB編程，得到各化學(xué)元素含量與最低淬火溫度的關(guān)系式：

Tmin=1039.9-1077.8[C]+55.4[Si]-88.6[Mn]-155.6[Ni]+1.2[Cr]

(3)

同樣，對化學(xué)元素對高溫鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響數(shù)據(jù)進行MATLAB編程及求解，可得到各化學(xué)元素含量與最高淬火溫度的關(guān)系式：

Tmax=839.3+1832.5[C]-97.9[Si]+71.8[Mn]+211.7[Ni]+1.5[Cr]

(4)

由式(3)和式(4)可知，淬火溫度區(qū)間的大小是與化學(xué)元素的含量相關(guān)的。當化學(xué)元素含量作為一個獨立的因素產(chǎn)生作用時，奧氏體形成元素C、Mn、Ni的增加會擴大奧氏體區(qū)域，從而增大淬火溫度的區(qū)間。而鐵素體形成元素Cr和Si的增加會縮小奧氏體區(qū)域，從而減小淬火溫度的區(qū)間。

若已知1Cr13型馬氏體不銹鋼化學(xué)元素的確定含量，利用式(3)和式(4)便可直接確定該鋼的淬火溫度區(qū)間。

3 結(jié)論

(1)C、Mn、Ni元素為奧氏體形成元素，能抑制鐵素體的生成，其含量的增加可減小鐵素體存在的溫度區(qū)間，增大淬火溫度的區(qū)間。Si、Cr元素為鐵素體形成元素，促進鐵素體的生成，其含量的增加會導(dǎo)致鐵素體存在的溫度區(qū)間增大，減小淬火溫度的區(qū)間。

(2)基于Jmat-Pro軟件以及MATLAB軟件確定了1Cr13型馬氏體不銹鋼中C、Si、Mn、Ni及Cr元素與淬火溫度區(qū)間的關(guān)系模型。

[1] 羅玉英，李松濤.影響1Cr13鋼沖擊韌性的幾個因素[J].熱處理技術(shù)與裝備，2012,33[4]:6-8,11.

[2] 藺虹賓,吳代建,彭顯平.利用JMatPro軟件對低合金耐磨鋼熱處理參數(shù)的計算[J].熱加工工藝,2015(4):76-78.

[3] 張學(xué)輝，李永強，龐海輪，等.Nb和Cr對冷軋機低碳低硅雙相鋼組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報，2009,30(1)：96-99.

[4] 鄒慶化.鋼的成分、回火溫度與硬度之間的關(guān)系[J].金屬熱處理,1994(3):41-43.

[5] 王良龍.403鋼熱加工工藝的研究[D]. 上海大學(xué),2013.

編輯 杜青泉

Reasearch on Relationship Between Chemical Composition and Quenching Temperature Range of 1Cr13 Martensitic Stainless Steel

Qin Shangwu, Ma Yuxia, Liu Hailong

Based on Jmat-Pro software, the microstructure simulation of 1Cr13 martensitic stainless steel with different contents of alloying elements has been carried out. The effect rules of 5 differnet alloying elements on ferritic transformation temperature have been obtained. Meanwhile, by considering the effects of 5 different alloying elements and adopting the multiple linear regression MATLAB, the relatinonal model between alloying elements and quenching temperature of 1Cr13 martensitic stainless steel has been constructed.

alloying element; computer simulation; quenching temperature; relational model

2016—09—09

秦尚武(1991—)，男，碩士，主要研究方向：大型鍛造理論與新技術(shù)。

O242.1

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