利用JMatPro軟件對(duì)38CrMoAl鋼熱處理參數(shù)的模擬計(jì)算

倫建偉

(沈陽(yáng)科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110101)

38CrMoAl鋼是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空工業(yè)及軍工等行業(yè)的中碳合金鋼[1]，為獲得優(yōu)良性能，許多科研工作者對(duì)其力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。顧開(kāi)選等[2]研究表明，淬火并回火后和氮化后分別增加深冷處理能夠顯著提高38CrMoAlA的尺寸穩(wěn)定性，而在淬火后回火前和氮化后分別增加深冷處理對(duì)硬度的改善較為明顯。段彩紅[3]指出，氮碳共滲加淬火復(fù)合處理后零件的抗拉強(qiáng)度、耐磨性、整體硬度都得到不同程度的提高。陳堯等[4]研究了離子滲氮工藝對(duì)液壓柱塞用38CrMoAl鋼組織和性能的影響。然而有關(guān)38CrMoAl鋼熱處理參數(shù)的模擬計(jì)算鮮有報(bào)道，本文利用JMatPro熱力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)38CrMoAl鋼熱處理參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 38CrMoAl鋼的成分及熱力學(xué)平衡相圖

38CrMoAl鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，將表1中化學(xué)成分輸入到JMatPro軟件進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，該鋼的液相線(xiàn)溫度為1500 ℃，隨著溫度降低，開(kāi)始析出鐵素體，當(dāng)溫度達(dá)到1438 ℃時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，M23C6開(kāi)始析出溫度為798 ℃，M7C3相開(kāi)始析出溫度為770 ℃，滲碳體開(kāi)始析出溫度為769 ℃，鋼的A3=876.8 ℃。淬火溫度確定與A3溫度有關(guān)，為保證合金完全奧氏體化又不引起奧氏體晶粒過(guò)分粗大，選取淬火溫度940 ℃。

表1 38CrMoAl鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)平衡相圖 (b)局部放大圖

2 38CrMoAl鋼的熱處理參數(shù)計(jì)算

2.1 端淬性計(jì)算

鋼在一定條件下獲得淬硬層深度的能力稱(chēng)為淬透性[5]，JMatPro軟件采用的是末端淬火實(shí)驗(yàn)法，設(shè)定淬火溫度940 ℃，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2a可知，38CrMoAl鋼試樣的淬火端為馬氏體+少量奧氏體，隨距離的增加，開(kāi)始析出貝氏體和鐵素體，當(dāng)距淬火端3.5 cm時(shí)，貝氏體含量達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，試樣中鐵素體含量逐漸增加，最終試樣頂端組織為62%貝氏體+37%鐵素體+少量珠光體。由圖2b可知，隨離淬火端距離增加，鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度逐漸減小，在淬火端表面鋼的強(qiáng)度和硬度值最高，抗拉強(qiáng)度為2008.56 MPa，屈服強(qiáng)度為1812.26 MPa，硬度為57.32 HRC，淬火試樣末端抗拉強(qiáng)度為1007.46 MPa，屈服強(qiáng)度為752.28 MPa,硬度為32.1 HRC。

(a)相組成 (b)力學(xué)性能

2.2 CCT及TTT曲線(xiàn)計(jì)算

38CrMoAl鋼的CCT及TTT曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，鐵素體、珠光體和貝氏體開(kāi)始析出溫度分別為876.8 ℃、784.1 ℃和564.3 ℃。馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度為344.3 ℃，終了溫度為228.5 ℃。由圖3b可知，鋼的C曲線(xiàn)有兩個(gè)“鼻尖”，第一個(gè)“鼻尖”溫度為654 ℃，過(guò)冷奧氏體在此溫度下保溫89.35 s后開(kāi)始析出貝氏體；第二個(gè)“鼻尖”溫度為484 ℃，過(guò)冷奧氏體在此溫度下保溫6.09 s后開(kāi)始析出貝氏體。不同冷卻速度下鋼的組織特征及力學(xué)性能見(jiàn)表2，可以看出，隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠光體含量減少，貝氏體在冷速1 ℃·s-1時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)冷速為10 ℃·s-1，組織為馬氏體+少量鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體；當(dāng)冷速為100 ℃·s-1，組織為馬氏體+殘余奧氏體+微量鐵素體和貝氏體，鋼的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增加。

(a)CCT曲線(xiàn) (b)TTT曲線(xiàn)

表2 不同冷卻速度下38CrMoAl鋼的組織特征及力學(xué)性能

2.3 回火工藝參數(shù)

利用JMatPro軟件對(duì)不同回火溫度析出相尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，M2(C,N)相在600 ℃保溫300 min時(shí)尺寸為65 nm，在625 ℃保溫300 min時(shí)尺寸變?yōu)?9 nm，650 ℃鋼中已無(wú)M2(C,N)相；M7C3相 和M23C6相隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)尺寸會(huì)迅速增大，M7C3相隨回火溫度升高，尺寸變化不大，M23C6相隨回火溫度升高，尺寸不斷長(zhǎng)大；M3C相尺寸保持穩(wěn)定，約12 nm，且不隨回火溫度升高而長(zhǎng)大。生產(chǎn)過(guò)程中可結(jié)合鋼的實(shí)際需求，合理選擇回火工藝參數(shù)。

(a)600℃回火 (b)625℃回火

3 結(jié)論

1)38CrMoAl鋼熱力學(xué)平衡相包含鐵素體、M23C6相、M7C3相和滲碳體。

2)端淬試樣頂端組織為62%貝氏體+37%鐵素體+少量珠光體。隨離淬火端距離增加，鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度逐漸減小，在淬火端表面鋼的強(qiáng)度和硬度值最高。

3)鐵素體、珠光體和貝氏體開(kāi)始析出溫度分別為876.8 ℃、784.1 ℃和564.3 ℃，馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度為344.3 ℃，終了溫度為228.5 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為10℃·s-1。

4)M2(C,N)相在600 ℃保溫300 min時(shí)尺寸最大，650 ℃鋼中已無(wú)M2(C,N)相，M7C3相隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)尺寸會(huì)迅速增大，M23C6相隨回火溫度升高不斷長(zhǎng)大，M3C相尺寸保持穩(wěn)定，約12 nm，生產(chǎn)過(guò)程中可結(jié)合鋼的實(shí)際需求，合理選擇回火工藝參數(shù)。