1Cr13型马氏体不锈钢化学成分与淬火温度区间关系的研究

秦尚武 马玉霞 刘海龙

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

1Cr13型马氏体不锈钢化学成分与淬火温度区间关系的研究

秦尚武 马玉霞 刘海龙

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

基于Jmat-Pro软件对合金元素含量不同的1Cr13马氏体不锈钢进行了组织模拟，得到了5种不同合金元素对铁素体转变温度的影响规律。同时，综合5种不同合金元素的作用，利用MATLAB多元线性回归拟合建立了1Cr13马氏体不锈钢合金含量与淬火温度的关系模型。

合金元素；计算机模拟；淬火温度；关系模型

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，同时对其质量和使用性能提出更高的要求。1Cr13型不锈钢属于马氏体不锈钢，在锻造和热处理的过程中一般会出现铁素体，而影响1Cr13型不锈钢低温冲击韧性的最根本原因就是铁素体的含量[1]。温度较高时会产生下，其为一种软相，硬度约为200HV，相比于马氏体组织硬度明显下降。所以在生产过程中需要制定合理的淬火工艺以尽量使铁素体含量最少，避免或者减少铁素体的产生。

而淬火温度选择在铁素体含量最少的区间内，有利于提高1Cr13型不锈钢的使用性能，降低其低温冲击韧性，故铁素体转变温度区间即可视为淬火温度的适用区间。

本文采用Jmat-Pro软件对合金元素含量不同的1Cr13型不锈钢进行组织模拟，研究了不同的合金元素对铁素体转变温度的影响规律，建立了1Cr13马氏体不锈钢合金含量与淬火温度区间的关系模型。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为1Cr13型不锈钢，GB/T 20878—2007对其成分的要求如表1。

表1 1Cr13型不锈钢化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The requirements of chemcial composition of 1Cr13 martensitic stainless steel (mass fraction, %)

1.2 试验方法

选取不同的C、Si、Mn、Ni及Cr元素含量，研究其对铁素体转变温度的影响。由于不同元素的添加会导致工作量的增加以及试验过程的繁杂，而如今计算机模拟技术发展得相当迅速，JMat-Pro软件具有快速和正确的计算能力[2]，故利用JMat-Pro软件对合金元素含量不同的1Cr13不锈钢进行组织模拟。

模拟是在一定范围内改变其中一个元素含量的同时保持其他元素含量不变的情况下进行的。通过模拟结果分析各个元素对铁素体形成温度的影响。

通过对模拟结果进行分析，将得到的数据进行整理，并利用MATLAB软件对所得数据进行多元线性回归得到最佳淬火温度区间。

2 合金元素与淬火温度区间的关系模型的建立

2.1 化学元素对铁素体转变温度的影响

合金元素的种类以及含量会对铁素体的转变温度产生影响，从而影响材料的力学性能。根据前面所提到的模拟方法，利用JMat-Pro软件分别模拟得到了不同含量的C、Si、Mn、Ni及Cr元素与的转变温度的一系列数据。根据所得数据可得不同化学元素对铁素体转变温度的影响，影响规律如图1所示。

1Cr13马氏体不锈钢在较低温度加热时，铁素体转变为奥氏体；较高温度加热时，会生成铁素体。由图1可以看出，C、Si、Mn、Ni及Cr元素均对铁素体转变温度产生影响，且在较低温度和较高温度时对铁素体转变温度的影响是相反的。

在铁素体转变为奥氏体的过程中，由于C是奥氏体形成元素，铁素体的转变温度随着C含量的增加而降低。在较高温度时，铁素体出现的温度随着C含量的增加而逐渐升高。含有铁素体的温度区间也在逐渐增大，故淬火温度区间也可增大。

随着Cr元素含量的增加，由于Cr元素是铁素体形成元素，能够使相变点Ac3上升，奥氏体区缩小[3]，高温铁素体的转变温度逐渐降低，低温铁素体的转变温度逐渐升高，其温度区间在逐渐缩小，相应地淬火温度区间逐渐缩小。

Mn和Ni含量对铁素体转变温度的影响规律与C对铁素体转变温度的影响趋势一致，说明Mn和Ni均为奥氏体形成元素，能够抑制铁素体的生成。

Si对1Cr13马氏体不锈钢在加热过程中铁素体转变温度的影响与Cr对其的影响趋势类似，同样说明Si是铁素体形成元素，能够促进铁素体的产生，从而使铁素体存在的温度区间缩小。

2.2 化学元素含量与淬火温度区间的关系模型

根据Jmat-Pro的模拟结果，利用MATLAB软件来对化学元素含量与淬火温度的关系构建数学模型。

MATLAB中多元线性回归计算模型[4]为：

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+…+βκxκ+ε,ε～N(0,δ2)

(1)

其中，参数估计要求误差平方和为最小的前提下，用最小二乘法或最大似然估计法求解参数。一般情况下，用最大似然估计法可以得到式(1)计算模型的最大似然估计值。所以μ(x1,x2,…,xp)=b0+b1x1+…bpxp的估计值是：

(a)C元素

(b)Cr元素

(c)Mn元素

(d)Ni元素

(e)Si元素图1 各化学元素的含量对转变温度的影响规律Figure 1 The effect rules of contents of various alloying elements on transformation temperature

(2)

式(2)为P元经验线性回归方程。

现以化学元素(C、Si、Mn、Ni及Cr元素)的含量为自变量，以铁素体转变温度即淬火适用温度为因变量来建立数学模型[5]。由于各化学元素对铁素体在较低温度与较高温度时转变温度影响规律不同，故需对低温铁素体和高温铁素体建立不同的模型，从而确定铁素体含量最少或无铁素体的区间，即为最佳的淬火温度区间。

首先建立化学元素对低温铁素体转变温度即淬火的最低温度的数学模型，在MATLAB中需将C、Si、Mn、Ni及Cr元素分别设为x1、x2、x3、x4、x5。根据Jmat-Pro软件模拟所得的数据进行MATLAB编程，得到各化学元素含量与最低淬火温度的关系式：

Tmin=1039.9-1077.8[C]+55.4[Si]-88.6[Mn]-155.6[Ni]+1.2[Cr]

(3)

同样，对化学元素对高温铁素体转变温度的影响数据进行MATLAB编程及求解，可得到各化学元素含量与最高淬火温度的关系式：

Tmax=839.3+1832.5[C]-97.9[Si]+71.8[Mn]+211.7[Ni]+1.5[Cr]

(4)

由式(3)和式(4)可知，淬火温度区间的大小是与化学元素的含量相关的。当化学元素含量作为一个独立的因素产生作用时，奥氏体形成元素C、Mn、Ni的增加会扩大奥氏体区域，从而增大淬火温度的区间。而铁素体形成元素Cr和Si的增加会缩小奥氏体区域，从而减小淬火温度的区间。

若已知1Cr13型马氏体不锈钢化学元素的确定含量，利用式(3)和式(4)便可直接确定该钢的淬火温度区间。

3 结论

(1)C、Mn、Ni元素为奥氏体形成元素，能抑制铁素体的生成，其含量的增加可减小铁素体存在的温度区间，增大淬火温度的区间。Si、Cr元素为铁素体形成元素，促进铁素体的生成，其含量的增加会导致铁素体存在的温度区间增大，减小淬火温度的区间。

(2)基于Jmat-Pro软件以及MATLAB软件确定了1Cr13型马氏体不锈钢中C、Si、Mn、Ni及Cr元素与淬火温度区间的关系模型。

[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] 蔺虹宾,吴代建,彭显平.利用JMatPro软件对低合金耐磨钢热处理参数的计算[J].热加工工艺,2015(4):76-78.

[3] 张学辉，李永强，庞海轮，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] 邹庆化.钢的成分、回火温度与硬度之间的关系[J].金属热处理,1994(3):41-43.

[5] 王良龙.403钢热加工工艺的研究[D]. 上海大学,2013.

编辑 杜青泉

Reasearch on Relationship Between Chemical Composition and Quenching Temperature Range of 1Cr13 Martensitic Stainless Steel

Qin Shangwu, Ma Yuxia, Liu Hailong

Based on Jmat-Pro software, the microstructure simulation of 1Cr13 martensitic stainless steel with different contents of alloying elements has been carried out. The effect rules of 5 differnet alloying elements on ferritic transformation temperature have been obtained. Meanwhile, by considering the effects of 5 different alloying elements and adopting the multiple linear regression MATLAB, the relatinonal model between alloying elements and quenching temperature of 1Cr13 martensitic stainless steel has been constructed.

alloying element; computer simulation; quenching temperature; relational model

2016—09—09

秦尚武(1991—)，男，硕士，主要研究方向：大型锻造理论与新技术。

O242.1

A