精密铸造用0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢热力学模拟及热物性能预测

供稿|袁程，范晔，孙涛，滕树满

内容导读 采用Jmatpro 热力学计算软件对精密铸造用0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢进行热力学计算，模拟分析了该不锈钢的热力学平衡相组成、连续转变冷却曲线（CCT）、连续加热奥氏体化曲线（TTA）、最佳淬火温度及回火温度，最后预测了热物性能参数。计算结果表明：室温下该不锈钢平衡相质量分数分别为72.92%铁素体、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4% Cu 固溶体、1.23% M23C6，该不锈钢固溶温度区间为1030～1080 ℃，最佳回火温度为550 ℃，最终预测了热物性能参数，以期为现场实际热处理工艺制定提供一定的理论指导和依据。

17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）是一种典型的马氏体沉淀型硬化不锈钢，由于其具有优良的铸造、耐腐蚀、焊接等性能及较高的强度，广泛应用于航空航天、汽车、海洋装备及核电等领域[1-2]。尤其适用于制造在380 ℃ 工况下使用的高强度结构零件，如大型飞机紧固件、发动机阀门零件等[3-5]。为获得优异的综合力学性能，该沉淀型不锈钢通常采用固溶处理+人工时效热处理工艺，加热过程中可以消除成分的不均匀性，使合金碳氮化物充分固溶于奥氏体基体中，得到过饱和固溶体，为随后的时效处理准备条件。经过时效处理后，细小的ε-Cu、M23C6等碳化物析出实现沉淀强化，获得良好的力学性能[6-8]。该不锈钢中添加了Nb、Ti 等微量合金元素，在热加工过程中形成细小的铌钛等碳氮化物析出，第二相析出可以阻碍奥氏体晶粒粗化，从而达到细晶强化的目的[9]。对该成分不锈钢进行热力学计算并对其相变过程及碳氮化物的析出行为进行研究，并在此基础上优化热处理工艺参数，提升综合力学性能，对扩大该不锈钢的应用范围具有重要意义。

目前针对0Cr17Ni4Cu4Nb 的研究主要集中在热处理后的组织和性能[8]，然而若仅通过实验对材料热物性能及相变进行分析，将会消耗大量的人力物力及时间[10]。本文以0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢为研究对象，运用热力学模拟软件分析了热力学平衡相组成、等温转变冷却曲线（TTT）、连续转变冷却曲线（CCT）、连续加热奥氏体化曲线（TTA）及热物性能参数，以期为现场实际热处理工艺的制定提供一定的理论指导和依据。

成分及平衡相分析

0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢成分如表1 所示，不锈钢平衡相图是根据相图计算（CALPHAD）技术，考虑每一相的吉布斯自由能来绘制的，体系每一相的吉布斯自由能（Gm）如下所示。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢的化学成分（质量分数） %

式中，Xi、Xj分为i、j组元所占质量分数；为i组元的吉布斯自由能；R为气体常数；T为热力学温度；L为不同组元之间的交互作用系数，为不同组元之间的交互作用系数，一般需要通过相图计算软件进行计算和取值，通过不断优化此参数使计算相图和理论相图各相关系吻合从而得到此参数[11]，通常情况下在0～1 之间；第1 项为纯组元的吉布斯自由能之和，第2 项为理想混合熵引起的吉布斯自由能增加，第3 项为偏离理想溶液引起的过剩吉布斯自由能。

图1（a）为不锈钢200～1600 ℃ 的平衡组织相图，图1（b）为碳氮化物、Cu 固溶体、G 相、碳化物M23C6随温度析出相图。有图1（a）可以看出，此不锈钢平衡相图共有7 个相区，主要包括液相区、铁素体、奥氏体，其余为Cu 固溶体、碳化物M23C6、碳氮化物以及G 相。由于此不锈钢中Cr 元素含量较高，平衡转变中进一步会促进G 相形成，G 相为一类复杂的金属间化合物，其元素含量随温度变化如图2 所示。从图1（b）可以看出，随温度降低碳化物及碳氮化物种类及固溶体相析出增多，碳氮化物在265 ℃ 时开始从基体中作为第二相析出，碳化物M23C6在416 ℃ 时析出量最大，达到1.24%。室温下该不锈钢平衡相质量分数组成为72.92%铁素体、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4%Cu 固溶体、1.23% M23C6。

图1 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢平衡相图(a)和碳化物及其余相组成图(b)

图2 不锈钢G 相各元素含量随温度变化情况

热处理参数分析

热力学分析

连续加热奥氏体化转变（TTA）曲线描述了奥氏体化过程中，奥氏体转变程度、温度和加热速度3 者之间的关系，对热处理过程中选择合适的加热速度及温度有指导意义[10]，0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢的加热过程中TTA 曲线如图3 所示。从图3 可以看出加热速度直接影响奥氏体均匀化温度及时间，随加热速率的升高，钢在加热过程中奥氏体开始转变温度A1、奥氏体转变完成温度A3以及奥氏体均匀化所需的温度（Homog.Augt）均有所升高，且随加热速率的提高，奥氏体均匀化时间缩短，原因是碳原子在快速升温过程中扩散加快，使得碳原子从铁素体向奥氏体迁移的过程加快，从而使奥氏体均匀化时间缩短[12]。图3 中4 个区域分别对应为奥氏体形核、奥氏体晶粒长大、残余奥氏体溶解和奥氏体均匀化。

图3 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢TTA 曲线

表2 为加热速率对奥氏体临界转变温度、均匀化时间和温度的影响。选择合适的加热速率和加热时间对奥氏体均匀化程度有重要的影响。

表2 加热速率对奥氏体临界转变温度、均匀化时间和温度的影响

过冷奥氏体连续转变冷却（CCT）曲线对热处理工艺的制定具有重要的指导意义，对于沉淀型马氏体不锈钢来说临界冷却速度是钢在淬火过程中能否获得马氏体组织的重要影响因素之一[13]。图4 为该成分不锈钢连续转变冷却曲线，从图中可以看出马氏体开始转变温度为183.9 ℃，转变50%体积分数时的温度为143.4 ℃，转变90%体积分数时温度下降至49.3 ℃，珠光体开始转变温度为773.7 ℃。从图中还可以得到珠光体的临界冷却速度为0.26 ℃/s，冷却速度在0.26 ℃/s 以下将得到珠光体+马氏体组织，冷却速度大于0.26 ℃/s，将得到全部马氏体组织。

图4 不锈钢过冷奥氏体连续转变冷却曲线

固溶温度分析

图1（b）为碳氮化物及少量固溶体相组成图，从图中我们可以得知，Cu 固溶体在加热过程中溶于奥氏体基体中的温度为1016 ℃，M23C6溶于奥氏体的温度为857 ℃。一定条件下，固溶处理温度越高，合金元素在奥氏体中分布越均匀，碳化物溶于奥氏体基体的速度越快，这些因素均有利于不锈钢的固溶强化效果[8,14]。但固溶处理温度选择也不宜过高，过高的固溶温度将使得不锈钢冷却后残余奥氏体增加，导致硬度降低。从碳化物加热转变曲线可知，固溶处理温度选定区间范围为1030～1080 ℃ 较为合理。

回火温度分析

设置回火温度 为500、550、600 和650 ℃ 共4 个回火温度，不同温度下计算的碳化物尺寸及碳化物组成如图5～6 所示。从图5 可以看出，比较500 和550 ℃，碳化物尺寸随加热温度的升高并没有发生明显的变化，但当回火温度达到600 ℃ 后，碳化物尺寸明显出现长大趋势，导致钢的高温强度急剧下降，另一方面，Laves 相（合金钢中的一种典型金属间化合物，属于合金钢中的强化相，其点阵结构为复杂六方点阵类型）在超过600 ℃ 后含量明显降低，也将导致钢的常温强度受到影响[15]。从图6中可以看出，500 ℃ 回火时，析出的碳化物数量明显低于550 ℃ 以上回火时的状态，碳化物含量的降低将导致钢的高温硬度的下降，550 ℃ 以上回火时，碳化物含量并没有发生明显的改变，综上此成分不锈钢最佳的回火温度为550 ℃。

图6 不同回火温度下碳化物析出相含量：(a) 500 ℃；(b) 550 ℃；(c) 600 ℃；(d) 650 ℃

材料高温热物性能参数预测

材料的热物性能参数对于现场生产工艺的制定具有一定的影响，是前期选材数值模拟需要考虑的重要因素之一，图7 反映了0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢的热物性能参数随温度的变化规律，分别为密度、比热容、杨氏模量和泊松比。

图7 不锈钢高温热物性能参数：(a) 密度；(b) 比热容；(c) 杨氏模量；(d) 泊松比

从图中可以看出，该不锈钢的密度随温度升高先升高后减小，杨氏模量与温度呈负相关关系，密度在195 ℃ 时达到最大值7.56 g/cm3，而当不锈钢开始出现液相转变时两数值均显著降低，从图中还可以看出不锈钢的泊松比与温度呈现正相关的趋势，另外不锈钢的比热容在800～1000 ℃ 时存在先增大后减小的变化，在温度1337～1432 ℃ 范围，材料发生了由固态相转变为液态相，此时热物理性能参数均发生突然增大或减小。

结束语

基于Jmatpro 热力学模拟软件对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢进行热力学模拟分析，获得了该成分钢的平衡相组成图，TTA 及CCT 曲线，并针对其固溶温度及回火温度等热处理参数进行分析，并最终预测其高温热物理参数，以期为该钢种的现场生产及工艺制定提供理论依据及基础，结论如下：

（1）0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢室温下该不锈钢平衡相质量分数别为72.92%铁素体、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4% Cu 固溶体、1.23% M23C6。

（2）加热速度直接影响奥氏体均匀化温度及时间，随加热速率的升高，A1、A3转变线以及奥氏体均匀化所需的温度均有所升高。

（3）从CCT 曲线可以得知，马氏体开始转变温度为183.9 ℃，转变50%体积分数的温度为143.4 ℃，转变90%体积分数是温度下降至49.3 ℃，珠光体开始转变温度为773.7 ℃，珠光体的临界冷却速度为0.26 ℃/s，冷却速度在0.26 ℃/s 以下将得到珠光体+马氏体组织，冷却速度大于0.26 ℃/s，将得到全部马氏体组织。

（4）0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢最佳固溶温度选定区间为1030～1080 ℃，较为合理不锈钢最佳的回火温度为550 ℃。

（5）在材料的热物性能参数中，密度和杨氏模量与温度均呈负相关关系，泊松比与温度呈现正相关的趋势，在温度1337～1432 ℃ 范围，材料发生了由固态相转变为液态相，此时热物理性能参数均发生突然增大或减小。