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30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相的热力学计算及分析 30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相的 热力学计算及分析 ThermodynamicCalculationandExperimental AnalysisonUndissolvedPhasesof 30Cr3Si2Mn2NiNbSteel路 妍。,王军华。,苏杰。,丁雅丽,杨卓越,谢刚 (1昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;2钢铁研究总院 结构材料研究所,北京100081;3河南省工业学校机电系,郑州450053) — — LUYan,WANGJunhua。,SUJie,DINGYali,YANGZhuoyue,XIEGang (1FacultyofMetallurgicalandEnergyEngineering,KunmingUniversityofScienceand Technology,Kunming650093,China;2InstituteforStructuralMaterials,Central IronandSteelResearchInstitute,Beiiing100081,China;3DepartmentofElectrical Engineering,HenanIndustrialSchool,Zhengzhou450053,China) — 摘要:采用ThermoCalc热力学软件模拟了30Cr3Si2Mn2NiNb钢奥氏体化时平衡相的演化规律以及非平衡态相的演化 规律,研究了合金元素C,Mo,Nb和V对实验钢中未溶相的影响。通过SEM,XRD对30CrSSi2Mn2NiNb钢淬火态组织 进行实验观察及分析。结果表明:常规奥氏体化处理后,钢中未溶相主要有富Nb的MC相及富Mo的Msc相;当奥氏 体化温度高于950 ̄C时,M。c相完全溶解,MC相显著减少;3Ocr3si2Mn2NiNb钢适宜的奥氏体化温度为950~1000 ̄C。 计算结果指出,C,Nb抑制MC未溶相的溶解,V,Mo促进MC未溶相的溶解。 关键词:30Cr3Si2Mn2NiNb钢;热力学计算;未溶相 中图分类号:TG142.1 文献标识码:A ——— 文章编号:10014381(2011)09000105 — — Abstract:Evolutionofequilibriumphasesandnonequilibriumphasesin30Cr3Si2Mn2NiNbstee1dur — ingaustenitizingwassimulatedviaThermoCalcthermodynamicsoftware.EffectofC,Mo,NbandV onundiSSolvedphasesinsteelwasstudied.ExperimentalanalysiswascarriedoutbySEMandXRD — — onmicrostructureofasquenched3OCr3Si2Mn2NiNbstee1.ResultsshowthatthereareMoenriched — ℃ — MCandNbenrichedMCphasesinsteelafteraustenitizingbelow950,andMCphasesaredramat ℃ — icallyreducedwhileM6Cphasesarealmostlydissolvedabove950.Theproperaustenitizingtemper —℃ atureof30Cr3Si2Mn2NiNbsteelis9501000.TheresultsofcalculationindicatethatC,Nbretard dissolutionofMCphasewhileV,Mopromotthedissolution. Keywords:3OCr3Si2Mn2NiNbsteel;thermodynamiccalculation;undissolvedphase 粗大的未溶相不仅导致微合金元素的实际加入量 过高而被浪费,有时还会产生有害作用。粗大的未溶 碳化物的存在会影响钢铁材料的断裂韧性和冲击性 能,降低其使用寿命,影响其服役安全L1]。而碳化物的 充分溶解,使得碳化物形成元素能在后期的回火过程 中以较小的尺寸析出,才能使热加工及热处理工艺充 分发挥其重要作用,因此可提高微观组织的均匀化程 度。2O世纪8O年代初,Agren_2等人采用数值计算的 方法模拟钢中碳化物的析出与溶解过程,并通过实验 进行了验证,提出借助数值计算来分析微观结构变化 — 规律的思路。近年来,基于相图计算开发了Thermo Calc软件口],可用于定性定量分析计算各种温度下钢 — — 中碳化物的变化。LiuZikui_4等人采用ThermoCalc ℃ 软件模拟了Fe一2.06Cr一3.91C合金体系在910时渗 碳体的溶解变化过程,发现模拟曲线与实验值基本吻 合;运用相同的方法,Bjarbo_5]研究了129/6(质量分数, ℃ 下同)Cr钢在750下回火5h,基体中复杂碳化物的 变化情况,通过模拟预测回火过程中的碳化物变化,与 — 实验结果完全相符;AnderssonJOl_6等人在设计新型 — 高性能轴承钢时,模拟计算出Fe一4Cr一4Mo一2V一4.5Ni / 2 材料工程/2011年9期 2.5Co钢的等温截面图,由图得出MC碳化物溶解温 ℃ 度在1090之上,为制定合适的工艺提供了依据; G.C.Coelho等人模拟了不同含Nb量高速钢的相 图,得到合金元素对MC相的影响规律;胡fl,彬_8等人 — 在H11钢的基础上,利用ThermoCalc软件分析合金 元素对碳化物的影响,设计了一种新型热作模具钢。 超高强度钢析出相热力学计算的研究也很多,但大多 针对马氏体时效钢l9,低合金超高强度钢中未溶相 的变化趋势尚不明确,本工作采用热力学计算方法,计 算了30Cr3Si2Mn2NiNb钢奥氏体化处理时可能存在 的未溶相及其演化规律;探讨奥氏体化温度及合金元 素对未溶相的影响规律。 1材料及实验方法 1.1实验材料 30Cr3Si2Mn2NiNb钢采用高纯化熔炼技术,经 25kg真空感应炉熔炼锻造成棒材。实验钢合金成分 如下(质量分数/):0.28C,2.02Mn,1.23Ni,2.64 Cr,1.98Si,0.61Mo,0.028Nb,0.060V,0.065A1, 0.004S,0.0015P,Fe余量。 1.2实验方法 ℃ 选取实验钢(850~1150)× 1h奥氏体化处理 的淬火态试样,采用电解萃取法分离未溶碳化物相, 电解溶液:1四钾基氯化铵+10乙酰丙酮的甲醇 溶液,电流密度:0.05A/cm,电解温度:一5~一℃ 10,分离后采用X射线衍射法(XRD)进行相的 定性分析。微观组织分析采用S一4300冷场发射扫描\ 皇 2 兽 扫 器 电子显微镜。 1.3计算方法 — 采用ThermoCalc热力学软件,选择Fe基合金 ℃ 数据库(TCFE3)进行模拟计算。以摄氏温度()为 基准,各组元按照质量分数输入,合金体系为1tool。 平衡状态下,对数据库中所存在的相不加任何限制 条件。计算30Cr3Si2Mn2NiNb钢中可能存在的平衡 相,平衡相含量及其合金元素随温度的变化规律。 — 非平衡态计算,设置相状态为悬挂状态(Suspen ded),计算非平衡态可能存在的相。设置相状态为休 眠状态(Dormant),选取常数R一8.314,建立函数 (Function)和函数平台(Table),得到非平衡态可能存 在相的驱动力及其随温度的变化趋势。此时,系统处 于非完全平衡态。 2结果与分析 2.1热力学平衡相 通过Thermo-Calc热力学平衡计算3OCr3Si2MrL2NiNb 钢奥氏体化处理过程中,可能存在的平衡相为a相、7 相、MC相、M。。C相和MC。相(图1(a)),高于 800。C,基体相为了相,达到完全奥氏体化。图1(b)表 ≤℃ 明,较低温度(800)时,平衡相MC仍处于析出阶 ℃ 段,提高温度(>800),钢的高温组织处于奥氏体化 ℃ 阶段,平衡相MC开始大量溶解。850奥氏体化处 理时,钢的基体了相中,存在约0.12未溶的MC相, ℃ 随着奥氏体化温度的升高,MC相逐渐减少,1230以 上将完全溶解于基体中。 Temperature/ Temperature, 图130Cr3Si2Mn2NiNb钢温度与平衡相含量的关系(a)平衡相含量的变化;(b)MC含量的变化 Fig.1Relationshipofaustenitizingtemperatureandequilibriumphasescontentin30Cr3Si2Mn2NiNbsteels — (a)variationofequilibriumphase;(b)variationofMCcontent 从实验结果来看,在较低奥氏体化温度(900C), 30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相为富Nb的MC相及 ℃ 富Mo的Mc相(图2)。当奥氏体化温度为950 时,钢中未溶相为富Nb的MC相(图3),说明钢中 M。C相完全溶解的温度范围为900~95o ̄C。而计算 ℃ 结果(图1(b))表明,85O时,基体7相中仅存在未溶 4 材料工程/2011年9期 Note:Withtheincreaseoftemperature,Nbcontentsincreasegradualiyin7phase . 1250 1249 1248 1247 1246 1245 1244 1243 1242 1241 24 MassfractionOfC/% MassfractionofV/% MassfractionofNb/% Mass行actionofMo/% 图4合金元素对MC相固溶温度的影响(a)C;(b)Nb;(c)V;(d)Mo Fig.4EffectsofalloyscontentondissolvedtemperatureofMCphase (a)C;(b)Nb;(c)V;(d)Mo 2.3驱动力的计算 热处理过程中由于加热温度、保温时间、淬火速率 等外界因素的影响,并非理想的平衡态,因此计算相驱 ℃ 动力进行动力学解释。850时,平衡相为7,MC,设 置MC相状态为休眠状态(Dormant),其余平衡相状 态为悬挂状态(Suspended),计算非平衡态可能存在的 相为MC,MC。表2为实验钢中非平衡态可能存在 相的驱动力。由表2可知,MC相的驱动力为正,随着 表230Cr3Si2Mn2NiNb钢中平衡相驱动力的热力学计算 Table2Thermodynamiccalculationofdriving forcesofphasesin30Cr3Si2Mn2NiNbsteel 温度的升高,驱动力降低;850~9o0 ̄C,MC相的驱动 \aJBJ0qg。J_ \暑BJQQIII。L ∞ \2三瘩Q吕3_L ∞ Jn吾Q昌 30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相的热力学计算及分析 5 ℃ 力为正,950时,M。C相的驱动力为负,表明M。C相℃ 950时完全溶解,与实验结果相符。 图5为非平衡态钢中可能存在相的驱动力模拟曲 线。随温度的升高,MC相、M。c相的驱动力均降低, MC相、MC相大量溶解于基体中(图1(b),图2,图℃ ℃ 3),930左右,MC相完全溶解,1350左右,MC相 完全溶解,与实验结果相符。 0 吕‘ 一 \ 盘 oD 量 》 0一 \\ \。 \’ \\ \ \——~——~ 二 _● ● ● 图530Cr3Si2Mn2NiNb钢中相的驱动力 Fig.5Drivingforcesofphasesin30Cr3Si2Mn2NiNbsteel 3讨论及分析 鉴于动力学以及外界条件的原因,30Cr3Si2Mn2NiNb 钢在整个热处理过程中并非处于完全平衡态,因而其 相变过程并不单一,实际淬火冷却过程中,未溶相的变 化也很复杂。完全平衡态下,计算30Cr3Si2Mn2NiNb 钢中可能存在的未溶相以及相的质量分数,热力学计 算结果必然与实验分析结果有所偏差,但是结合非平 衡态热力学计算,发现计算结果和实验结果符合良好。 相的驱动力作为重要的基础热力学参数,从非平衡态 说明了钢中各相之间析出以及溶解的相互影响。驱动 力为正表明该相有形成的趋势,驱动力越大,对应平衡 相越容易析出,并且往往首先形成,然后富集其他元 素。反之驱动力为负时表明该相还没有来得及析出或 者已经完全溶解。对比计算与实验结果发现,(Nb, V)C形成热大,驱动力高,因而首先析出,并难以溶 解。除了驱动力对相析出及溶解的影响,相中合金成 分在钢中的扩散速率对未溶相的影响也很大。 低合金超高强度钢奥氏体化过程中,未溶相的热 — 力学计算,可以选用ThermoCalc热力学软件中的多 种数据库,除了常规的Fe基数据库,文献1-9]指出,马 氏体钢中平衡相的热力学计算可以采用Kaufman数 据库,另外,PBIN数据库口作为Fe基数据库的更新 数据库,对于合金钢也比较适合。 综合考虑实际应用中可能的动力学条件、实际淬 火冷却速率等的影响,平衡态热力学计算具有一定的 局限性,但是节省了大量的实验时间以及实验材料,热 力学计算具有很大的参考价值,建议计算中结合非平 衡态以及动力学计算。 4结论 (1)30cr3Si2Mn2NiNb钢常规奥氏体化处理时, 未溶相主要为富Nb的MC相和富Mo的M。C相。 (2)计算结果表明,当奥氏体化温度升高到℃ 930,M。C相基本完全溶解,同时MC相显著减少, ℃ 奥氏体化温度高于950时,MC相极少,仅为 0.05,与实验结果相符;30Cr3Si2Mn2NiNb钢适宜 ℃ 的奥氏体化温度为950~1000。 (3)30Cr3Si2Mn2NiNb钢中C,Nb含量对MC相 的溶解影响最大,其次为Mo,V;C,Nb显著抑制MC 溶解,V,Mo促进MC溶解。 参考文献 — [1]YOUNGBLOODJI,RAGHAVANM.Correlationofmicro — structurewithmechanicalpropertiesof300Msteel[J].Metallur — gicalTransactionsA,1977,8A(9):14391448. [2]AGRENJ.Computersimulationofdiffusionreactionincomplex — [J].ISIJInternational,1992,32(3):291296. — [3]ANDERSSONJ-O,THOMASHELANDER,LARSHDGH — MA。etaLTHERMOCALC&DICTRA,computationaltools — formaterialsscience[J].Calphad,2002,26(2):273312. — [43LIUZikui,LARSHOGLUND,BJORNJONSSON,eta1.An experimentalandtheoreticalstudyofcementitedissolutioninan—— FeCrCalloy[J].MetallurgicalTransactionA,1991,22A(8):— 17451752. [5]ANDERSBJARBO,MATSHATTESTRAND.Complexcarbide growth,dissolutionandcoarseninginamodified12petchromium— steelanexperimentalandtheoreticalstudy[J].Metallurgicaland — MaterialsTransactionsA,200l,32A(1):1927. [6]ANDERSSONJ-O,AGRENJ.Modelsfornumericaltreatment ofmulticomponentdiffusioninsimplephase[J].JApplPhys,— 1992,72(4):13501355. r7]COELHOGC,GOLCZEWSKIJA,FISCHMEISTERHF. —— — ThermodynamiccalculationforNbcontaininghigh-speedsteels —— — andwhitecastironalloysEJ].MetallurgicalandMaterialsTrans — actionsA,2003,34A(9):17491758. 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