中锰钢作为第三代先进高强钢的典型代表，因其优异的强塑积性能受到汽车、工程机械、耐磨构件等领域的广泛关注。Fe-Mn-Al-C 系含铝中锰钢可通过 Al 元素降低密度、拓宽 α-γ 两相区并调控碳化物析出，但其相变行为、残留奥氏体稳定性、淬透性和热变形窗口对成分与工艺参数高度敏感。传统热处理参数开发主要依赖多轮试验摸索，不仅周期长、成本高，也难以系统揭示 C、Mn、Al 等元素对相变与组织性能的耦合作用。针对中锰钢热处理工艺窗口难以快速确定的行业问题，首钢水城钢铁（集团）有限责任公司、华北理工大学等单位科研团队依托 JMatPro 13.2 软件，对 Fe-0.4C-7Mn-3.2Al 含铝中锰钢开展热力学计算模拟，系统分析平衡相图、CCT 曲线、淬透性、TTA 曲线、高温流变应力及不同热处理条件下的力学性能，并利用 Gleeble-3500 热模拟试验机对计算所得 CCT 曲线进行验证，构建了“热力学模拟计算+热模拟试验验证+工艺参数建议”的中锰钢热处理参数设计路径。第三代先进高强钢强调强度、塑性与成本之间的综合平衡。中锰钢通过 Mn 稳定奥氏体、C 提升强度并参与相变强化，同时引入 Al 以降低密度、抑制部分碳化物并扩大 α-γ 两相区，可获得较高强塑积。但 Al 含量和热处理制度控制不当时，可能诱发高温 δ-铁素体相或 κ-碳化物等不利组织，影响材料塑性和服役性能。相图计算（CALPHAD）方法能够基于系统吉布斯自由能最小化预测平衡相组成和相变温度。JMatPro 软件整合了大量经试验验证的热力学、动力学模型与数据库，可对钢铁材料的相变、淬透性、力学性能和热加工行为进行快速预测。将该类计算工具用于中锰钢开发，可在正式试验前缩小参数范围，降低试错成本，推动钢铁材料研发从经验驱动向数据驱动转变。研究对象为某钢厂生产的热轧 Fe-0.4C-7Mn-3.2Al 含铝中锰钢，化学成分（质量分数）为 C 0.4%、Mn 7.0%、Al 3.2%、Fe 余量。研究团队将该成分输入 JMatPro 软件，分别计算平衡相图、CCT 曲线、淬透性、TTA 曲线、高温流变应力及不同冷却速率下的综合力学性能。
- 连续冷却过程中的铁素体/珠光体/贝氏体/马氏体转变规律
为验证 CCT 计算结果，研究团队从铸坯上切取 φ6 mm×75 mm 圆柱状试样，打磨去除氧化层后，采用 Gleeble-3500 热模拟试验机通过热膨胀法测定静态 CCT 曲线。试样以 15 ℃/s 加热至 1000 ℃，保温 15 min 确保完全奥氏体化，随后分别以 0.5、1、2、3、5、10 和 15 ℃/s 的冷却速率冷却至室温，根据不同冷速下热膨胀曲线确定相变点并绘制 CCT 曲线。JMatPro 模拟结果显示，试验钢存在液相区、铁素体 α 相区、奥氏体 γ 相区和碳化物相区，碳化物包括 M7C3 和 M23C6，未发现 κ-碳化物。α 与 γ 两相区温度范围为 550~820 ℃，且随 Al 元素质量分数增加，两相区温度区间差值逐渐增大，说明 Al 对 α-γ 相区具有扩展作用。图1 基于 JMatPro 软件模拟得到试验钢的相图在 1400 ℃ 以上高温区间，模拟结果观察到高温 δ-铁素体相生成。该相在快速冷却时可能直接保留至室温，不参与 α→γ 转变，进而削弱钢材塑性。室温相组成计算显示，试验钢由 92.59% α 相、7.41% M23C6 相以及极少量 M7C3 相组成，表明亚稳态 M7C3 基本转变为更稳定的 M23C6。因此，研究建议热轧温度控制在 1400 ℃ 以下，以避免有害高温 δ-铁素体生成。Gleeble-3500 实测结果表明，试验钢奥氏体化起始温度 Ac1=550 ℃，奥氏体化终了温度 Ac3=820 ℃，马氏体相变起始温度 Ms=200 ℃，未出现马氏体相变结束点 Mf。对比实测 CCT 曲线与 JMatPro 计算 CCT 曲线可知，两者相变区间和变化趋势相近，奥氏体相变点误差在 30 ℃以内，马氏体相变点完全一致。模拟结果显示，当冷速为 0.1~1 ℃/s 时，过冷奥氏体分别向铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体转变，四个转变区相互分离。当冷速大于 1 ℃/s 时，珠光体转变消失，铁素体和贝氏体转变受到抑制；当冷速增加至 10 ℃/s 以上时，仅发生马氏体相变。该结果说明 JMatPro 对该钢种连续冷却转变行为具有较好的预测能力。不同冷却速率下的力学性能模拟表明，冷速低于 5 ℃/s 时，随着冷速提高，铁素体、贝氏体和珠光体转变被抑制，马氏体转变量增加，试验钢硬度、抗拉强度和屈服强度快速上升。冷速超过 5 ℃/s 后，由于组织基本以马氏体转变为主，马氏体转变量逐渐趋于饱和，继续提高冷速对力学性能提升幅度明显降低。图3 基于 JMatPro 软件模拟得到不同冷却速率下试验钢的力学性能研究指出，过快冷却可能形成高位错密度板条马氏体，减少残留奥氏体含量并恶化塑性变形能力。综合强度、硬度与组织稳定性，建议将冷却速率控制在 5~10 ℃/s，以获得较优组织和力学性能匹配。JMatPro 端淬模拟显示，试样表面组织仅包含马氏体和残留奥氏体，其中马氏体体积分数为 81%，残留奥氏体体积分数为 19%，未形成全马氏体组织。残留奥氏体在拉伸变形中可通过 TRIP 效应逐步转变为马氏体，释放局部应力集中，有助于提升中锰钢强塑积。图4 基于 JMatPro 软件模拟得到试验钢淬透性性能模拟结果图随着端淬距离增加，冷却速率降低，试样逐渐出现铁素体、贝氏体和珠光体相，马氏体与残留奥氏体体积分数随之下降。端淬距离 40 mm 以内，残留奥氏体体积分数由 19% 缓慢降至 18.4%；在 40~72 mm 范围内快速衰减，并在 72 mm 处完全消失。综合力学性能随端淬距离增加逐渐降低，且 30 mm 后下降较快。因此，研究建议实际生产中板材厚度控制在 60 mm 以下。TTA 曲线用于描述钢材加热过程中铁素体、珠光体等相向奥氏体转变的动力学行为。JMatPro 模拟显示，当加热速率从 1 ℃/s 增加到 1000 ℃/s，Ac1 和 Ac3 温度分别由 553 ℃、824 ℃升至 682 ℃、1017 ℃，奥氏体均匀化温度由 916 ℃升至 1132 ℃，均匀化时间则由 881.0 s 缩短至 1.1 s。图5 基于 JMatPro 软件模拟得到试验钢 TTA 曲线及不同加热速率下奥氏体晶粒尺寸加热速率提高会导致奥氏体相变区间略微扩大并向更高温度区间偏移，同时奥氏体晶粒尺寸呈下降趋势。在 1060 ℃附近，当加热速率由 10 ℃/s 提高到 100 ℃/s 时，奥氏体晶粒尺寸减小 46.3 μm；由 100 ℃/s 提高到 1000 ℃/s 时，晶粒尺寸进一步减小 12.5 μm。因此，当侧重细晶强化和残留奥氏体稳定性时，可适当提高加热速率；当侧重组织均匀性和工艺稳定性时，则需适当降低加热速率。高温流变应力模拟表明，随着应变温度升高或应变速率降低，试验钢流变应力随之降低。各曲线在变形初期因加工硬化快速上升至峰值，随后在动态再结晶主导的软化机制作用下逐渐下降，最终进入动态再结晶引发的稳态流动阶段。图6 基于 JMatPro 软件模拟得到试验钢高温流变应力曲线最大流变应力分布说明，提高应变温度与降低应变速率不仅可以降低变形抗力，还可促进动态再结晶发生和完成，细化奥氏体晶粒。因此，研究建议在实际生产中选择 1100~1200 ℃的温度和较低应变速率（小于 0.1 s^-1）进行轧制，以获得更细小的动态再结晶奥氏体晶粒。该研究依托 JMatPro 13.2 软件，系统完成 Fe-0.4C-7Mn-3.2Al 含铝中锰钢平衡相图、CCT、淬透性、TTA、高温流变应力和力学性能模拟，并通过 Gleeble-3500 热模拟试验验证了 CCT 计算结果。研究表明，JMatPro 计算结果与实测 CCT 曲线吻合较好，可为中锰钢热处理参数设计提供可靠参考。
- 热轧温度宜控制在 1400 ℃以下，避免高温 δ-铁素体生成
- 冷却速率宜控制在 5~10 ℃/s，以兼顾强度提升和组织稳定性
- 板材厚度建议控制在 60 mm 以内，以保证较高马氏体和残留奥氏体含量
- 热变形宜在 1100~1200 ℃、应变速率小于 0.1 s^-1 条件下进行
该研究为含铝中锰钢开发提供了“计算模拟—试验验证—工艺优化”的应用范式，可有效降低新钢种开发中的试错成本，提升热处理和热加工参数设计效率。后续在产业化应用中，还需结合实际轧制装备、冷却能力、板厚规格及组织性能实测数据，对模拟窗口进行进一步修正和放大验证。[1] 刘道正，谢佳璇，龙雨，等. 基于 JMatPro 软件对 Fe-0.4C-7Mn-3.2Al 中锰钢热处理参数的热力学计算模拟[J]. 金属热处理，2026，51(5)：332-338.JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。
- 辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
- 预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
- 能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
- 能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
- 提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合；
- 提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
材料仿真工具（MatSimKit）是中仿面向金属材料领域用户推出的系列工具软件。软件以国际知名的金属材料热力学与性能计算软件JMatPro为核心，通过集成化手段，提供从材料相图分析、性能高通量预测，到铸造、成型、热处理、增材制造等工艺环节集成仿真的多种实用软件工具。软件面向高通量参数空间与自动化材料计算，提供高效、便捷、可定制、可扩展的材料性能批量计算、数据处理与分析优化功能。材料计算数据管理与后处理软件 MatSimKit-DM软件用于对材料计算结果与实验数据进行统一管理、验证与后处理，支持结果对比、二次计算及高质量可视化输出。材料智能设计反演软件 MatSimKit-Design软件能够基于材料计算与数据分析结果，提供参数推荐、敏感性分析及多方案对比的设计辅助与决策支持，提高材料设计过程的效率与可靠性。材料计算流程集成软件 MatSimKit-Flow软件是一款材料集成管理与自动化计算服务平台，软件面向铸造、成型、热处理等多种工业仿真软件提供材料数据支持，实现流程级调用与组合。中仿是中国领先的仿真分析软件和系统解决方案提供者。公司依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿CAE系列产品，同时与国内外最优秀的数值仿真技术研究机构和企业保持长期而紧密的合作关系，能够为中国企业和科研机构提供 世界一流的仿真技术解决方案。公司自主研发的 MatSimKit 系列软件，面向金属材料领域用户，以国际知名热力学计算软件JMatPro为核心，提供从高通量材料性能计算、数据管理分析到AI辅助设计的完整解决方案，服务铸造、热处理、热加工、焊接及增材制造等多个工业应用场景。公司坚持自主创新，持续提升核心竞争力，积累了深厚的创新研发能力，并形成了完备的服务体系。公司秉持让材料计算服务实际制造的理念，持续深耕材料仿真与工业软件领域，推动材料计算技术的工程化应用落地。
