基于Jmat-Pro软件模拟化学元素对1Cr13钢铁素体含量的影响

刘海龙　秦尚武　蔡定增　王　进　李朝亮

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)



基于Jmat-Pro软件模拟化学元素对1Cr13钢铁素体含量的影响

刘海龙秦尚武蔡定增王进李朝亮

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

摘要：通过Jmat-Pro软件模拟研究了不同化学元素对1Cr13马氏体不锈钢中铁素体含量的影响。严格控制化学元素含量，可提高钢的使用性能。

关键词：1Cr13马氏体不锈钢；铁素体；化学元素；Jmat-Pro软件

随着社会发展和生活水平的提高，对1Cr13型不锈钢的需求量越来越大，而且对其质量和使用性能也提出了更高要求。但是，在现实生产和实际应用中，1Cr13型不锈钢的冲击韧性尤其是低温冲击韧性很难达到生产和使用标准要求，而影响其低温冲击韧性最根本的原因是铁素体的含量[1]。本文基于Jmat-Pro软件对不同化学元素含量的1Cr13马氏体不锈钢进行模拟，研究化学元素对1Cr13马氏体不锈钢铁素体含量的影响。

1试验方法

1.1化学成分

1Cr13化学成分要求见表1。

表1　1Cr13化学成分要求(质量分数，%)

1.2试验方法

对表1给出的1Cr13马氏体不锈钢的化学元素范围进行半定量模拟。模拟的各化学元素值见表2。首先，分别将C、Mn、Si、Cr、Ni中的一个元素设为变量，其他化学元素设为定量，将各数值输入Jmat-Pro软件。考虑到1Cr13马氏体不锈钢淬火温度为1 000℃～1 050℃，所以试验模拟其在1 050℃时的铁素体含量变化。

表2　模拟所需化学元素值(质量分数，%)

2试验结果及分析

2.1C对铁素体含量的影响

C含量对铁素体含量的影响关系见图1。由图1可知，随着C含量的增加，1Cr13马氏体不锈钢中的铁素体含量逐渐由17.48%减少到0，这说明C是抑制铁素体形成的元素。由文献[2]得知，C是奥氏体形成元素，其形成奥氏体的能力是Ni的30倍。当1Cr13马氏体不锈钢中C含量增加时，碳化物数量相应增多，这样就增加了铁素体与渗碳体的相界面积，从而增加了奥氏体成核部分，使其成核率增加。因此，随着1Cr13马氏体不锈钢中奥氏体含量增加，铁素体含量就会减少。

图1　C含量对铁素体含量的影响

2.2Cr对铁素体含量的影响

以Cr为变量，其他元素为定量时，Cr含量对铁素体含量的影响关系见图2。由图2可知，在Cr含量为11.5%～12.5%时，铁素体含量为零；当Cr含量在12.5%～13.5%时，钢内铁素体含量从0迅速增加到14%。这说明Cr是铁素体形成元素。这是因为Cr可以溶解在铁素体内，有效的提高了相变点Ac3[3]。由于转变温度升高，在同样的温度条件下，奥氏体的体积分数降低，而铁素体含量升高。其次，Cr是强碳化物元素，可以降低C在奥氏体内的扩散，而且Cr与C还极易形成Cr23C6碳化物，这又进一步减少了游离的C，最终导致奥氏体含量减少，铁素体含量增加。Cr是不锈钢抗腐蚀性的重要元素，但过量又会使铁素体含量增加，所以Cr含量必须控制在一定的范围内。Cr含量控制在12%～12.5%是比较合理的配比。

图2　Cr含量对铁素体含量的影响

2.3其他微量元素对铁素体含量的影响

Mn、Ni、Si含量对铁素体含量的影响关系见图3。由图3可知，随着Mn、Ni含量的增加，铁素体含量逐渐减少，而随着Si含量的增加，铁素体含量逐渐增加。这说明Mn、Ni是抑制铁素体生成的元素，Si是铁素体形成元素。原因是在1Cr13马氏体不锈钢中加入这些合金元素改变了临界点A1、A3、Acm的位置，并形成一个温度范围，因而改变了相变的过热度，也改变了相变驱动力。Ni能降低A1点，相对的增加过热度，有利于奥氏体形核长大，从而使铁素体含量降低。Cr、Si能提高A1点，相对的减小过热度，不利于奥氏体形核，从而增加了铁素体含量。J M Gregg[4]等人提出

图3　Mn、Ni、Si含量对铁素体含量的影响

夹杂物附近局部成分变化诱导晶内铁素体形核的机理。而夹杂物的生成都是和金属元素有关，Mn与S可生成MnS夹杂物，MnS周围形成贫Mn区有利于铁素体的形成。这是因为Mn强烈抑制铁素体的形成，而Mn的贫乏增加了铁素体形核的驱动力，使铁素体含量增加。

3结论

C、Mn、Ni的存在不利于铁素体的产生，在冶炼过程中应在允许范围内尽量提高这些元素的含量，将优化材料的组织与性能。而Cr、Si的存在有利于铁素体的产生，低温使用条件下有可能产生冷脆，所以要尽量减少Si含量。Cr是不锈钢抗腐蚀性的重要因素，而过多的Cr含量又会使铁素体含量增加，所以必须控制Cr含量在一定的范围内。Cr含量控制在12%～12.5%是比较合理的配比。

参考文献

[1]罗玉英，李松涛.影响1Cr13钢冲击韧性的几个因素[J].热处理技术与装备，2012,33(4):6-8,11.

[2]李海生.化学成分对1Cr13钢中铁素体含量的影响[J].特种技术，2006，12(4)：26.

[3]张学辉，李永强，等.Nb和Cr对冷轧机低碳低硅双相钢组织性能的影响[J].材料热处理学报，2009,30(1):96-99.

[4]Gregg J M, Bhadeshia H K D H. Solid State Nucleation of Ac-icular Ferrite on Minerals Added to Molten Steel[J]. Acta Ma-terialia,1997,45(2):739-748.

编辑杜敏

Influence of Chemical Elements on Ferrite Content of

1Cr13 Steel Based on Jmat-Pro Simulation Software

Liu Hailong, Qin Shangwu, Cai Dingzeng, Wang Jin, Li Chaoliang

Abstract：By adopting Jmat-Pro software, the influence of different chemical elements on the ferrite content of 1Cr13 martensitic stainless steel has been studied. Through controlling the content of chemical elements strictly, the operational performance of steel could be improved.

Key words：1Cr13 martensitic stainless steel; ferrite; chemical elements; Jmat-Pro software

作者简介：刘海龙(1989—)，男，硕士，主要研究方向为大型锻造理论与新技术。电话：15513075446

收稿日期：2015—08—30

中图分类号：TG142.1+3

文献标志码：B