《特殊钢》——钢平衡相转变的热力学计算和分析
作者：陈红宇 刘正东 林肇杰 周芸 频道：钢铁 发布时间：2008-06-18
随着锻件向大型化发展以及热处理条件的限制，SASOS一3钢大型锻件淬火时，心部甚至截面1/4处冷却速度不足，导致出现铁素体甚至珠光体组织，严重影响了材料的低温韧性川。本文采用Thermo-Calc热力学计算软件，对SASOS一3钢的析出行为进行了计算和分析，在SASOS一3钢标准成分范围内进一步发掘SA508一钢淬透性潜力。
I Then.0一Caic热力学计算软件的计算模型及计算条件
Hiel rt 和 Stafl五nsno首先提出用于描述单相吉布斯(Gibhs)自由能的亚点阵模型作为热力学计算模型，Sundman和Agren将该模型推广到含有多个亚点阵与任意多个组元的亚点阵模型仁。Thermo-CalC热力学模型是在Sundman和A笋n结论的基础上建立的川。计算时，合金体系为lmol，参照状态为298.15K和lo5Pa，温度为摄氏温度(℃)。合金系的各组元按质量分数输人，数据库为TcFE3。在已完成的工作基础上，选取计算用SA508一钢的基本成分如表1所示。利用Thermo一Calc 软件，计算SASOS一3钢中可能存在的平衡相、平衡相的重量百分数以及平衡相的析出、溶解温度等。
2计算结果
SA SOS一3钢的热力学平衡相根据 表 1中各炉钢的成分，分别计算了4炉钢平衡态时的析出相、析出温度及各相的质量百分含。1#、2#、3#钢中c和其它主要合金元素含量相，而51含量不同，研究51对SA508一3钢性能的影;3彩和量同响为中限，4#钢的C、51含量相同，Mn一Ni一MO由上限降目的是研究Mn一Ni一MO含量对SA508一3钢性能的影响。图1是2#钢的计算结果图，其它各炉钢采用相同的分析方法。
通过计得1#、#2、3#钢中平衡态的析出相为合金渗碳体、M7C3、MoC、MoZC和KSI一碳化物。
合金渗碳体(FeCrM)n3C在析出温度范围内随温度的增加，Fe含量增大，Mn含量减小，Cr含量基本不变;KSI一碳化物由于金属原子与碳原子摩尔比为3:1，因此该碳化物也是合金渗碳体，只是合金元素与合金渗碳体有些差别;MoZC中Mo是主要合金元素。4#钢的平衡态的析出相为合金渗碳体、M7c，、Moc和Ksl一碳化物。合金渗碳体中的合金元素与变化规律和1#、2#、3#钢相同，只是Mn含量略有降低，Fe含量略有升高;M7C3中主要合金元素也是Mn、Fe、Mo、Cr，其中Fe、Cr含量略有升高，Mn、Mo含量略有降低;MC一SHP和KSI一碳化物的成分及合金含量与1#、2#、3#钢基本相同。
2，2 51、Mn一Ni一M。对sA508一钢析出相的影响在 1#、 2# 、3#钢中，C和Mn一Ni一M。含量相同而51含量不同，由表2、表3可以看出，1#、2#、3#钢析出相的析出温度、析出量都差别很小。因此51对析出相的析出温度、析出量的影响很小。4#钢的Mn一Ni一M。由上限降为中限，而C、51含量相同，KSI一碳化物和合金渗碳体的析出总量即渗碳体的量与前3炉差别不大，估计Mn一Ni一Mo的降低对强度影响不大。与1#、2#、3#钢相比，4#钢平衡态时A，、A。有一定的提高，其中A3提高1℃，由此可见，Mn一Ni一M。的降低缩小了SA508一钢的奥氏体区。由表 3 可 以看出，由于M。含量降低，#4钢的平衡态没有M02C的析出，MOC的析出量基本不变，KSI一碳化物的析出量减少，合金渗碳体的析出量增加，Ksl一碳化物和合金渗碳体的总量基本不变。由于固溶状态的Mo有抑制P、Sn、As等杂质元素偏聚的作用，而杂质元素的偏聚有增加材料变脆的倾向，所以M。的碳化物是回火时不希望出现的。结合合金渗碳体和KSI一碳化物的析出温度区间为643一678℃，使之既利于合金渗碳体和KSI一碳化物的析出，又可以避开MoC、M02C析出的温度区。Mn在析出相中主要存在于合金渗碳体和M7C。中，Mn含量降低时，合金渗碳体析出量略微增加，M7C3的析出量基本不变，所以适当降低Mn含量反而促进合金渗碳体的析出。
研究表明 ，提高C含量会降低钢的低温韧性，因此在保证强度的情况下，C应该尽量降低;合金元素中除Ni和一定量Mn之外，都不利于韧脆转变温度的降低，主要是因为Ni增加层错能，促进低温时螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，促使韧性增加;同时Mn含量高于1.5%时会与P产生共偏聚，促进回火脆性，因此Mn一M。的成分选择，需要考虑淬透性和低温韧性二者的综合影响。当然 ， 仅 仅从析出相的总量来考虑SASOS一3钢的力学性能是不全面的，因为Ni虽不形成析出相，固溶到铁素体中产生固溶强化，仍能提高材料的强度。1#、2#、3#钢，虽然51含量变化，但由于Fe原子和51原子的原子半径相近，均约为1.13入(0.113nm)，51原子替代Fe原子后晶格畸变很小，固溶强化作用很弱，故对SA508一钢的力学性能影响不大。
3 讨论
为研究钢中除合金渗碳体之外的析出相在回火过程中的析出行为，对2#钢中3种碳化物M02C、M7C3、MoC 分别进行处理，它们进人计算，但不转变，由此计算它们的趋向转变程度— 析出驱动力，如图2(a)所示。根据前面的分析，SA508一钢的析出相中，(FeCrMn)3C随着温度的增加，Mn含量减小而Fe含量增大，Cr含量基本不变。提高合金渗碳体中合金的含量，可以提高合金渗碳体的稳定性，因此，为提高SA508一3钢使用时的稳定性，回火温度最好选择643一678℃之间靠近下限的温度。因MC3、MoC的析出温度低于643℃，在回火过程中合金渗碳体和MoZC相不可能完全析出使体系处于平衡状态;因此643一678 ℃回火时，它们的析出驱动力比平衡态要低，估计不会有这两种相析出。为研 究 M 几C的析出行为，在其它相不析出的情况下计算了M02C的析出驱动力，如图2(b)所示。从图2(b)可以看出，MoZC在低于735℃时析出驱动力大于0，随着温度的降低，M02C从735 ℃开始有析出的趋势。如果淬火时由于冷速较快，MoZC相来不及析出，那么在643一678 ℃回火仍有析出的趋势。由于M02C析出量较少，可以通过控制合适的回火时间来保证渗碳体析出的同时尽量避免MoZC的析出。
4 结论
(1) sA 05 8一钢平衡态主要析出相为合金渗碳体、M7c，及Mo的碳化物。
(2 )C 为 中限时，随15含量的变化，钢中各相的析出温度、析出量基本不变;M。含量降低，减少了脆性相的析出而对合金渗碳体的析出量影响很小。
(3) SA 50 8一钢在634 一678 ℃进行回火较为适宜。