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        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

        2017-03-28 10:44:08秦尚武馬玉霞劉海龍
        大型鑄鍛件 2017年2期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)元素馬氏體鐵素體

        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(duì)合金元素含量不同的1Cr13馬氏體不銹鋼進(jìn)行了組織模擬,得到了5種不同合金元素對(duì)鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律。同時(shí),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(jì)算機(jī)模擬;淬火溫度;關(guān)系模型

        隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平的提高,對(duì)1Cr13型不銹鋼的需求量越來(lái)越大,同時(shí)對(duì)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(guò)程中一般會(huì)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(shí)會(huì)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(guò)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(duì)合金元素含量不同的1Cr13型不銹鋼進(jìn)行組織模擬,研究了不同的合金元素對(duì)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(shí)驗(yàn)材料及方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)材料為1Cr13型不銹鋼,GB/T 20878—2007對(duì)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?jǐn)?shù),%)Table 1 The requirements of chemcial composition of 1Cr13 martensitic stainless steel (mass fraction, %)

        1.2 試驗(yàn)方法

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

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

        通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并利用MATLAB軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響

        合金元素的種類(lèi)以及含量會(huì)對(duì)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(duì)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(shí),鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體;較高溫度加熱時(shí),會(huì)生成鐵素體。由圖1可以看出,C、Si、Mn、Ni及Cr元素均對(duì)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(shí)對(duì)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(guò)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(shí),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(diǎn)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(duì)鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律與C對(duì)鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響趨勢(shì)一致,說(shuō)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(duì)1Cr13馬氏體不銹鋼在加熱過(guò)程中鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響與Cr對(duì)其的影響趨勢(shì)類(lèi)似,同樣說(shuō)明Si是鐵素體形成元素,能夠促進(jìn)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(lái)對(duì)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(jì)算模型[4]為:

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

        (1)

        其中,參數(shù)估計(jì)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(jì)法求解參數(shù)。一般情況下,用最大似然估計(jì)法可以得到式(1)計(jì)算模型的最大似然估計(jì)值。所以μ(x1,x2,…,xp)=b0+b1x1+…bpxp的估計(jì)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(duì)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(yàn)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(lái)建立數(shù)學(xué)模型[5]。由于各化學(xué)元素對(duì)鐵素體在較低溫度與較高溫度時(shí)轉(zhuǎn)變溫度影響規(guī)律不同,故需對(duì)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(wú)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(duì)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(jìn)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(duì)化學(xué)元素對(duì)高溫鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)化學(xué)元素含量作為一個(gè)獨(dú)立的因素產(chǎn)生作用時(shí),奧氏體形成元素C、Mn、Ni的增加會(huì)擴(kuò)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(huì)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(jìn)鐵素體的生成,其含量的增加會(huì)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(gè)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(duì)低合金耐磨鋼熱處理參數(shù)的計(jì)算[J].熱加工工藝,2015(4):76-78.

        [3] 張學(xué)輝,李永強(qiáng),龐海輪,等.Nb和Cr對(duì)冷軋機(jī)低碳低硅雙相鋼組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),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

        A

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