利用JMatPro軟件對38CrMoAl鋼熱處理參數的模擬計算

倫建偉

(沈陽科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽 110101)

38CrMoAl鋼是一種廣泛應用于機械制造、航空工業及軍工等行業的中碳合金鋼[1]，為獲得優良性能，許多科研工作者對其力學性能及組織結構進行了研究。顧開選等[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的尺寸穩定性，而在淬火后回火前和氮化后分別增加深冷處理對硬度的改善較為明顯。段彩紅[3]指出，氮碳共滲加淬火復合處理后零件的抗拉強度、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液壓柱塞用38CrMoAl鋼組織和性能的影響。然而有關38CrMoAl鋼熱處理參數的模擬計算鮮有報道，本文利用JMatPro熱力學計算軟件對38CrMoAl鋼熱處理參數進行模擬計算，為實際生產提供理論指導。

1 38CrMoAl鋼的成分及熱力學平衡相圖

38CrMoAl鋼的化學成分見表1，將表1中化學成分輸入到JMatPro軟件進行熱力學模擬計算，計算結果如圖1所示。由圖1可知，該鋼的液相線溫度為1500 ℃，隨著溫度降低，開始析出鐵素體，當溫度達到1438 ℃時，全部轉變為奧氏體，M23C6開始析出溫度為798 ℃，M7C3相開始析出溫度為770 ℃，滲碳體開始析出溫度為769 ℃，鋼的A3=876.8 ℃。淬火溫度確定與A3溫度有關，為保證合金完全奧氏體化又不引起奧氏體晶粒過分粗大，選取淬火溫度940 ℃。

表1 38CrMoAl鋼的化學成分(質量分數，%)

(a)平衡相圖 (b)局部放大圖

2 38CrMoAl鋼的熱處理參數計算

2.1 端淬性計算

鋼在一定條件下獲得淬硬層深度的能力稱為淬透性[5]，JMatPro軟件采用的是末端淬火實驗法，設定淬火溫度940 ℃，模擬計算結果見圖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，開始析出貝氏體和鐵素體，當距淬火端3.5 cm時，貝氏體含量達到峰值，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，鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度逐漸減小，在淬火端表面鋼的強度和硬度值最高，抗拉強度為2008.56 MPa，屈服強度為1812.26 MPa，硬度為57.32 HRC，淬火試樣末端抗拉強度為1007.46 MPa，屈服強度為752.28 MPa,硬度為32.1 HRC。

(a)相組成 (b)力學性能

2.2 CCT及TTT曲線計算

38CrMoAl鋼的CCT及TTT曲線計算結果如圖3所示。由圖3a可知，鐵素體、珠光體和貝氏體開始析出溫度分別為876.8 ℃、784.1 ℃和564.3 ℃。馬氏體開始轉變溫度為344.3 ℃，終了溫度為228.5 ℃。由圖3b可知，鋼的C曲線有兩個“鼻尖”，第一個“鼻尖”溫度為654 ℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫89.35 s后開始析出貝氏體；第二個“鼻尖”溫度為484 ℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫6.09 s后開始析出貝氏體。不同冷卻速度下鋼的組織特征及力學性能見表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時達到峰值，當冷速為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、屈服強度和抗拉強度逐漸增加。

(a)CCT曲線 (b)TTT曲線

表2 不同冷卻速度下38CrMoAl鋼的組織特征及力學性能

2.3 回火工藝參數

利用JMatPro軟件對不同回火溫度析出相尺寸進行模擬計算，計算結果如圖4所示。由圖4可知，M2(C,N)相在600 ℃保溫300 min時尺寸為65 nm，在625 ℃保溫300 min時尺寸變為49 nm，650 ℃鋼中已無M2(C,N)相；M7C3相 和M23C6相隨保溫時間的延長尺寸會迅速增大，M7C3相隨回火溫度升高，尺寸變化不大，M23C6相隨回火溫度升高，尺寸不斷長大；M3C相尺寸保持穩定，約12 nm，且不隨回火溫度升高而長大。生產過程中可結合鋼的實際需求，合理選擇回火工藝參數。

(a)600℃回火 (b)625℃回火

3 結論

1)38CrMoAl鋼熱力學平衡相包含鐵素體、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，鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度逐漸減小，在淬火端表面鋼的強度和硬度值最高。

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

4)M2(C,N)相在600 ℃保溫300 min時尺寸最大，650 ℃鋼中已無M2(C,N)相，M7C3相隨保溫時間的延長尺寸會迅速增大，M23C6相隨回火溫度升高不斷長大，M3C相尺寸保持穩定，約12 nm，生產過程中可結合鋼的實際需求，合理選擇回火工藝參數。