25Cr2Ni3Mo钢热力学及相转变计算

岳 猛 ，于 晃 ，马煜林

(1.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869； 2.沈阳大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110044)

25Cr2Ni3Mo钢是根据钢的合金化原理、考虑压缩机转子的制造特点以及在国外电站设备用钢ASTMA-1100541No8等基础上，适当调整 C、Cr、Mo、Ni等主要元素的含量设计并研制的[1]。25Cr2Ni3Mo钢主要应用于压缩机的叶轮、主轴以及紧固件等零件，因为具有一定含量的Ni元素，所以具有较好的低温抗冲击性能，在乙烯及丙烯压缩机中有着较为广泛的应用[2]。目前对于25Cr2Ni3Mo钢的研究主要集中于材料的热处理工艺[3-4]，对于钢的热力学及相变等方面研究较少，本文利用软件JMatpro对25Cr2Ni3Mo钢进行了热力学和相转变计算。

1 热力学计算

25Cr2Ni3Mo钢化学成分如表1所示。合金相图如图1所示，由图可见，25Cr2Ni3Mo钢奥氏体转变开始温度Ac1为620 ℃，奥氏体转变结束温度Ac3为750 ℃，温度在700 ℃时，铁素体和奥氏体各占50%。M7C3相在480 ℃以下时，含量较为平稳，约为1.5%左右；当温度升高到480 ℃以上时，已存在的M7C3相与基体中合金元素形成M23C6型碳化物。M23C6相含量随温度的升高逐渐增加，在630 ℃时达到峰值，质量分数为4.68%，温度继续升高，M23C6相逐渐分解至完全溶解。

表1 25Cr2Ni3Mo钢化学成分(质量分数，%)

图1 25Cr2Ni3Mo钢温度-相组成图Fig.1 Temperature-phase composition diagram of 25Cr2Ni3Mo steel

图2为碳化物相中各元素含量变化曲线。由图2(a)可见，在M7C3相中，M主要为Fe、Cr、Mn等元素，Fe元素在M7C3相中的含量随温度的升高而增多，Cr元素含量随温度的升高而减少，Mn元素在480 ℃时达到最高峰值，随后降低。

由图2(b)可见，在M23C6相中，M主要为Fe、Cr、Mo、Ni、Mn等元素，Cr元素含量随温度的升高而增多，Ni元素含量随温度的升高而减少，当温度高于247 ℃时，Cr、Ni两种元素变化量增大；Mo元素含量随温度的升高而减少，在630 ℃时达到最低值，随后含量逐渐增大。

表2为25Cr2Ni3Mo钢热力学函数随温度变化的数值，其中比热容在730 ℃左右出现峰值，然后又迅速下降，因为在此温度下发生了奥氏体转变。

(a)M7C3；(b) M23C6图2 M7C3、M23C6相中各元素含量随温度变化曲线Fig.2 Change curves of element content with temperature in M7C3 and M23C6 phase

表2 25Cr2Ni3Mo钢热力学函数随温度变化值

2 相变的计算

2.1 TTT和CCT图模拟计算

相变计算时，原始晶粒等级设置为7级，加热温度为860 ℃。TTT曲线是反映过冷奥氏体等温冷却时，转变产物类型以及转变量与时间、温度之间的关系曲线 。由图3可见，25Cr2Ni3Mo钢在奥氏体化后，冷却时向铁素体转变的开始温度为747.3 ℃；向珠光体转变的开始温度为712.3 ℃；向贝氏体转变的开始温度为488.1 ℃；向马氏体转变的开始温度为329.8 ℃，50%转变量的温度为294.5 ℃，90%转变量的温度为212.6 ℃。

在TTT曲线中有三个“鼻尖”，分别为铁素体转变、珠光体转变以及贝氏体转变。25Cr2Ni3Mo钢在奥氏体冷却时，首先发生铁素体转变，之后再发生共晶转变析出珠光体。铁素体“鼻尖”温度为599 ℃，在此温度恒温持续2605.7 s后，开始发生铁素体转变。在此温度恒温持续2791.18 s后，开始发生珠光体转变；恒温持续1900 s时全部转换成珠光体。贝氏体“鼻尖”转变温度为419 ℃，在此温度持续保温27.3 s后，发生贝氏体转变，2855.98 s时全部转换成贝氏体。

图3 25Cr2Ni3Mo钢TTT曲线Fig.3 TTT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

25Cr2Ni3Mo钢是转子用钢，其微观组织对材料使用性能具有决定性作用[5]，组织调控方式为热处理工艺的选择。图4为25Cr2Ni3Mo钢CCT曲线，通过模拟结果可知，当冷却速度在0.01～0.03 ℃·s-1时，随着温度的降低，奥氏体首先发生铁素体转变，然后发生珠光体和贝氏体转变；当冷却速度在0.03～2 ℃·s-1时，得到的基体组织为贝氏体，以及少量的马氏体。结合模拟结果，若使25Cr2Ni3Mo钢具有高硬度的性能，即想要获得全部马氏体组织，最小临界冷却速度为30 ℃·s-1。表3为不同冷却速度对淬火力学性能及相组织含量的影响。

2.2 再奥氏体化计算

工件加热温度达到A3或A1以上，使常温下的铁素体和渗碳体再转变回奥氏体称为再奥氏体化[6]。再奥氏体化要经过形核、长大、渗碳体溶解及奥氏体成分均匀化[7]。25Cr2Ni3Mo钢是一种合金钢，合金含量直接影响材料的完全奥氏体化温度和保温时间。经过模拟计算25Cr2Ni3Mo钢在奥氏体化时加热速度为2 ℃·s-1，加热温度为860 ℃，保温时间为3600 s，计算结果如图5和图6所示。25Cr2Ni3Mo钢奥氏体均匀化温度为857 ℃，经过保温 416 s后奥氏体全部均匀化。

图4 25Cr2Ni3Mo钢CCT曲线Fig.4 CCT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

表3 不同冷却速度时力学性能及相组织含量值

图5 奥氏体化随温度变化曲线Fig.5 Change curves of austenitizing with temperature

图6 奥氏体化随时间变化曲线Fig.6 Change curves of austenitizing with time

3 结论

1)25Cr2Ni3Mo钢奥氏体临界转变温度Ac1为620 ℃，Ac3为750 ℃；奥氏体均匀化温度为857 ℃，经过保温 416 s后奥氏体全部均匀化。

2)25Cr2Ni3Mo钢在奥氏体化后冷却时向铁素体转变的开始温度为747.3 ℃；向珠光体转变的开始温度为712.3 ℃；向贝氏体转变的开始温度为488.1 ℃；马氏体开始转变温度为329.8 ℃，转变结束温度为212.6 ℃。

3)在25Cr2Ni3Mo钢TTT曲线中有三个“鼻尖”，分别是铁素体转变、珠光体转变及贝氏体转变，获得全部马氏体的最小冷却速度为30 ℃·s-1。