利用JMatPro软件对38CrMoAl钢热处理参数的模拟计算

伦建伟

(沈阳科金特种材料有限公司，辽宁 沈阳 110101)

38CrMoAl钢是一种广泛应用于机械制造、航空工业及军工等行业的中碳合金钢[1]，为获得优良性能，许多科研工作者对其力学性能及组织结构进行了研究。顾开选等[2]研究表明，淬火并回火后和氮化后分别增加深冷处理能够显著提高38CrMoAlA的尺寸稳定性，而在淬火后回火前和氮化后分别增加深冷处理对硬度的改善较为明显。段彩红[3]指出，氮碳共渗加淬火复合处理后零件的抗拉强度、耐磨性、整体硬度都得到不同程度的提高。陈尧等[4]研究了离子渗氮工艺对液压柱塞用38CrMoAl钢组织和性能的影响。然而有关38CrMoAl钢热处理参数的模拟计算鲜有报道，本文利用JMatPro热力学计算软件对38CrMoAl钢热处理参数进行模拟计算，为实际生产提供理论指导。

1 38CrMoAl钢的成分及热力学平衡相图

38CrMoAl钢的化学成分见表1，将表1中化学成分输入到JMatPro软件进行热力学模拟计算，计算结果如图1所示。由图1可知，该钢的液相线温度为1500 ℃，随着温度降低，开始析出铁素体，当温度达到1438 ℃时，全部转变为奥氏体，M23C6开始析出温度为798 ℃，M7C3相开始析出温度为770 ℃，渗碳体开始析出温度为769 ℃，钢的A3=876.8 ℃。淬火温度确定与A3温度有关，为保证合金完全奥氏体化又不引起奥氏体晶粒过分粗大，选取淬火温度940 ℃。

表1 38CrMoAl钢的化学成分(质量分数，%)

(a)平衡相图 (b)局部放大图

2 38CrMoAl钢的热处理参数计算

2.1 端淬性计算

钢在一定条件下获得淬硬层深度的能力称为淬透性[5]，JMatPro软件采用的是末端淬火实验法，设定淬火温度940 ℃，模拟计算结果见图2。由图2a可知，38CrMoAl钢试样的淬火端为马氏体+少量奥氏体，随距离的增加，开始析出贝氏体和铁素体，当距淬火端3.5 cm时，贝氏体含量达到峰值，随后逐渐下降，试样中铁素体含量逐渐增加，最终试样顶端组织为62%贝氏体+37%铁素体+少量珠光体。由图2b可知，随离淬火端距离增加，钢的抗拉强度、屈服强度和硬度逐渐减小，在淬火端表面钢的强度和硬度值最高，抗拉强度为2008.56 MPa，屈服强度为1812.26 MPa，硬度为57.32 HRC，淬火试样末端抗拉强度为1007.46 MPa，屈服强度为752.28 MPa,硬度为32.1 HRC。

(a)相组成 (b)力学性能

2.2 CCT及TTT曲线计算

38CrMoAl钢的CCT及TTT曲线计算结果如图3所示。由图3a可知，铁素体、珠光体和贝氏体开始析出温度分别为876.8 ℃、784.1 ℃和564.3 ℃。马氏体开始转变温度为344.3 ℃，终了温度为228.5 ℃。由图3b可知，钢的C曲线有两个“鼻尖”，第一个“鼻尖”温度为654 ℃，过冷奥氏体在此温度下保温89.35 s后开始析出贝氏体；第二个“鼻尖”温度为484 ℃，过冷奥氏体在此温度下保温6.09 s后开始析出贝氏体。不同冷却速度下钢的组织特征及力学性能见表2，可以看出，随着冷却速度的增加，铁素体和珠光体含量减少，贝氏体在冷速1 ℃·s-1时达到峰值，当冷速为10 ℃·s-1，组织为马氏体+少量铁素体、贝氏体和残余奥氏体；当冷速为100 ℃·s-1，组织为马氏体+残余奥氏体+微量铁素体和贝氏体，钢的硬度、屈服强度和抗拉强度逐渐增加。

(a)CCT曲线 (b)TTT曲线

表2 不同冷却速度下38CrMoAl钢的组织特征及力学性能

2.3 回火工艺参数

利用JMatPro软件对不同回火温度析出相尺寸进行模拟计算，计算结果如图4所示。由图4可知，M2(C,N)相在600 ℃保温300 min时尺寸为65 nm，在625 ℃保温300 min时尺寸变为49 nm，650 ℃钢中已无M2(C,N)相；M7C3相 和M23C6相随保温时间的延长尺寸会迅速增大，M7C3相随回火温度升高，尺寸变化不大，M23C6相随回火温度升高，尺寸不断长大；M3C相尺寸保持稳定，约12 nm，且不随回火温度升高而长大。生产过程中可结合钢的实际需求，合理选择回火工艺参数。

(a)600℃回火 (b)625℃回火

3 结论

1)38CrMoAl钢热力学平衡相包含铁素体、M23C6相、M7C3相和渗碳体。

2)端淬试样顶端组织为62%贝氏体+37%铁素体+少量珠光体。随离淬火端距离增加，钢的抗拉强度、屈服强度和硬度逐渐减小，在淬火端表面钢的强度和硬度值最高。

3)铁素体、珠光体和贝氏体开始析出温度分别为876.8 ℃、784.1 ℃和564.3 ℃，马氏体开始转变温度为344.3 ℃，终了温度为228.5 ℃，马氏体转变的临界冷却速度为10℃·s-1。

4)M2(C,N)相在600 ℃保温300 min时尺寸最大，650 ℃钢中已无M2(C,N)相，M7C3相随保温时间的延长尺寸会迅速增大，M23C6相随回火温度升高不断长大，M3C相尺寸保持稳定，约12 nm，生产过程中可结合钢的实际需求，合理选择回火工艺参数。