基于Jmat-Pro軟件模擬化學元素對1Cr13鋼鐵素體含量的影響

劉海龍　秦尚武　蔡定增　王　進　李朝亮

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

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基于Jmat-Pro軟件模擬化學元素對1Cr13鋼鐵素體含量的影響

劉海龍秦尚武蔡定增王進李朝亮

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

摘要：通過Jmat-Pro軟件模擬研究了不同化學元素對1Cr13馬氏體不銹鋼中鐵素體含量的影響。嚴格控制化學元素含量，可提高鋼的使用性能。

關鍵詞：1Cr13馬氏體不銹鋼；鐵素體；化學元素；Jmat-Pro軟件

隨著社會發展和生活水平的提高，對1Cr13型不銹鋼的需求量越來越大，而且對其質量和使用性能也提出了更高要求。但是，在現實生產和實際應用中，1Cr13型不銹鋼的沖擊韌性尤其是低溫沖擊韌性很難達到生產和使用標準要求，而影響其低溫沖擊韌性最根本的原因是鐵素體的含量[1]。本文基于Jmat-Pro軟件對不同化學元素含量的1Cr13馬氏體不銹鋼進行模擬，研究化學元素對1Cr13馬氏體不銹鋼鐵素體含量的影響。

1試驗方法

1.1化學成分

1Cr13化學成分要求見表1。

表1　1Cr13化學成分要求(質量分數，%)

1.2試驗方法

對表1給出的1Cr13馬氏體不銹鋼的化學元素范圍進行半定量模擬。模擬的各化學元素值見表2。首先，分別將C、Mn、Si、Cr、Ni中的一個元素設為變量，其他化學元素設為定量，將各數值輸入Jmat-Pro軟件。考慮到1Cr13馬氏體不銹鋼淬火溫度為1 000℃～1 050℃，所以試驗模擬其在1 050℃時的鐵素體含量變化。

表2　模擬所需化學元素值(質量分數，%)

2試驗結果及分析

2.1C對鐵素體含量的影響

C含量對鐵素體含量的影響關系見圖1。由圖1可知，隨著C含量的增加，1Cr13馬氏體不銹鋼中的鐵素體含量逐漸由17.48%減少到0，這說明C是抑制鐵素體形成的元素。由文獻[2]得知，C是奧氏體形成元素，其形成奧氏體的能力是Ni的30倍。當1Cr13馬氏體不銹鋼中C含量增加時，碳化物數量相應增多，這樣就增加了鐵素體與滲碳體的相界面積，從而增加了奧氏體成核部分，使其成核率增加。因此，隨著1Cr13馬氏體不銹鋼中奧氏體含量增加，鐵素體含量就會減少。

圖1　C含量對鐵素體含量的影響

2.2Cr對鐵素體含量的影響

以Cr為變量，其他元素為定量時，Cr含量對鐵素體含量的影響關系見圖2。由圖2可知，在Cr含量為11.5%～12.5%時，鐵素體含量為零；當Cr含量在12.5%～13.5%時，鋼內鐵素體含量從0迅速增加到14%。這說明Cr是鐵素體形成元素。這是因為Cr可以溶解在鐵素體內，有效的提高了相變點Ac3[3]。由于轉變溫度升高，在同樣的溫度條件下，奧氏體的體積分數降低，而鐵素體含量升高。其次，Cr是強碳化物元素，可以降低C在奧氏體內的擴散，而且Cr與C還極易形成Cr23C6碳化物，這又進一步減少了游離的C，最終導致奧氏體含量減少，鐵素體含量增加。Cr是不銹鋼抗腐蝕性的重要元素，但過量又會使鐵素體含量增加，所以Cr含量必須控制在一定的范圍內。Cr含量控制在12%～12.5%是比較合理的配比。

圖2　Cr含量對鐵素體含量的影響

2.3其他微量元素對鐵素體含量的影響

Mn、Ni、Si含量對鐵素體含量的影響關系見圖3。由圖3可知，隨著Mn、Ni含量的增加，鐵素體含量逐漸減少，而隨著Si含量的增加，鐵素體含量逐漸增加。這說明Mn、Ni是抑制鐵素體生成的元素，Si是鐵素體形成元素。原因是在1Cr13馬氏體不銹鋼中加入這些合金元素改變了臨界點A1、A3、Acm的位置，并形成一個溫度范圍，因而改變了相變的過熱度，也改變了相變驅動力。Ni能降低A1點，相對的增加過熱度，有利于奧氏體形核長大，從而使鐵素體含量降低。Cr、Si能提高A1點，相對的減小過熱度，不利于奧氏體形核，從而增加了鐵素體含量。J M Gregg[4]等人提出

圖3　Mn、Ni、Si含量對鐵素體含量的影響

夾雜物附近局部成分變化誘導晶內鐵素體形核的機理。而夾雜物的生成都是和金屬元素有關，Mn與S可生成MnS夾雜物，MnS周圍形成貧Mn區有利于鐵素體的形成。這是因為Mn強烈抑制鐵素體的形成，而Mn的貧乏增加了鐵素體形核的驅動力，使鐵素體含量增加。

3結論

C、Mn、Ni的存在不利于鐵素體的產生，在冶煉過程中應在允許范圍內盡量提高這些元素的含量，將優化材料的組織與性能。而Cr、Si的存在有利于鐵素體的產生，低溫使用條件下有可能產生冷脆，所以要盡量減少Si含量。Cr是不銹鋼抗腐蝕性的重要因素，而過多的Cr含量又會使鐵素體含量增加，所以必須控制Cr含量在一定的范圍內。Cr含量控制在12%～12.5%是比較合理的配比。

參考文獻

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

[2]李海生.化學成分對1Cr13鋼中鐵素體含量的影響[J].特種技術，2006，12(4)：26.

[3]張學輝，李永強，等.Nb和Cr對冷軋機低碳低硅雙相鋼組織性能的影響[J].材料熱處理學報，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.

編輯杜敏

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

作者簡介：劉海龍(1989—)，男，碩士，主要研究方向為大型鍛造理論與新技術。電話：15513075446

收稿日期：2015—08—30

中圖分類號：TG142.1+3

文獻標志碼：B