基于中仿JMatPro+Gleeble实验的API X60管线钢临界相变温度预测

热机械加工工艺的持续优化，叠加微合金元素的战略性添加，正在催生微观组织"量身定制"的新一代钢种——高性能油气输送管线。API 级高强度低合金（HSLA）管线钢按 API 5L 标准的 PSL1、PSL2 两个等级制造：PSL1 对应标准质量水平，PSL2 则对化学成分与力学性能提出更高要求，在保障管道安全的同时兼顾经济性。加工过程中，化学成分在合适的温度区间内触发硬化与软化机制——通过析出强化，或通过促使新奥氏体晶粒形核长大——控制着细晶奥氏体组织的形成，最终支撑钢的力学性能。热轧产线要精准控温，前提是把钢的临界相变温度算准、测准。墨西哥新莱昂州自治大学与特纳姆钢铁公司的研究团队利用 JMatPro 的 Quench Properties 模块对 API X60 管线钢开展相变动力学模拟，预测 Ac1/Ac3 临界温度，再用 Gleeble 热模拟膨胀法逐点验证、以 Andrews 经验公式交叉校核，形成"模拟先行—实验验证—公式互证"的三重闭环，为热轧及热机械加工工艺窗口优化提供了可靠框架。相关成果 2026 年 3 月发表于《Metals》。

01  背景：API 管线钢的"控温"难题

高强低合金（HSLA）管线钢按 API 5L 标准（PSL1/PSL2）制造，广泛用于油气输送管道。其性能高度依赖热机械加工（尤其是热轧）过程中的组织控制：奥氏体形成是否充分、均匀，直接决定随后冷却过程中的铁素体、贝氏体、马氏体转变及最终强韧性。而控温的前提，是把临界相变温度 Ac1、Ac3（加热时奥氏体形成起止温度）与 Ar1、Ar3（冷却时奥氏体分解起止温度）准确锁定——这些温度受化学成分与加热/冷却速率双重影响，仅靠经验很难覆盖多工艺组合。

本研究以 API X60 管线钢（C≤0.09%、Mn 1.67%、Si 0.25%，Nb、Ti、V 等微合金化元素微量）为对象，核心思路是：先用 CALPHAD 类热力学软件 JMatPro 把相变温度与相分数算出来，再设计 Gleeble 膨胀实验逐点验证，最后用 Andrews 经验公式交叉校核，从而减少盲目实验、提高工艺设计的命中率。

02  方法：JMatPro 先算相变动力学，Gleeble 膨胀法逐点验证

研究采用 JMatPro 的 Quench Properties-Step Calculation 模块（基于 Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov 动力学模型与 Arrhenius 活化能方程），输入钢种化学成分，计算 950~25℃ 区间内的相变行为与临界温度，得到相分数—温度曲线：高于约 830℃ 时稳定的 FCC 奥氏体开始形成；834℃ 以下铁素体体积分数可达 90%，800℃ 起珠光体、贝氏体、马氏体随冷却速率的不同依次登场——这正对应 Ar1 与 Ar3 的界定依据。

实验侧，试样取自热轧精轧前的转料棒，按 Gleeble 规格加工后，在热力模拟机上进行膨胀法测试：设置 5、10、30℃/s 三档加热速率，加热至 JMatPro 模拟确定的 950℃ 奥氏体化温度并保温 180s 后淬火，再用切线法（slope method）从膨胀曲线斜率失线性点提取 Ac1、Ac3；冷却侧则考察 10℃/s 加热后 100、50、30℃/s 三档冷却速率下的奥氏体分解行为，提取 Ar1、Ar3。最后用 Andrews 经验公式对 Ac1、Ac3 做第三重校核。

图 1  JMatPro Quench Properties 模块计算的 API X60 钢相变动力学（相分数—温度曲线）

03  结果：模拟与实验互证，加热速率改写奥氏体形成

临界温度三重互证

中仿 JMatPro 模拟给出 Ac1≈686℃、Ac3≈834℃；Gleeble 实验（5/10/30℃/s）测得 Ac1 在 698~757℃、Ac3 在 823~908℃ 区间；Andrews 公式计算 Ac1=713℃、Ac3=910℃。三套结果落在同一温度带内，模拟与实验偏差约 10~40℃，验证了 JMatPro 可以作为工艺设计前置工具，帮助减少实验组合数。

图 2  实验与 JMatPro 模拟临界温度对比：5/10/30℃/s 加热下 Ac1、Ac3 实验值（柱）与 JMatPro 参考温度（红线）

加热速率对奥氏体质量的影响

加热速率改写奥氏体"质量"：5℃/s 时碳扩散时间充分、奥氏体加速形成，淬火后以马氏体为主；10℃/s 时扩散动力学与均匀化匹配最好，淬火后组织最均匀；30℃/s 时扩散时间不足，组织不均匀且以马氏体为主。实验表明，10℃/s 是最利于形成均匀、完整奥氏体的加热速率，为后续获得兼顾强度与延伸率的微组织奠定基础。

04  冷却速率决定组织走向：马氏体窗口宽还是窄

以 10℃/s 加热获得的均匀奥氏体为起点，三档冷却速率展现出截然不同的分解路径：100℃/s 快速冷却下，奥氏体转变窗口被充分展开（Ar3=630℃、Ar1=380℃），马氏体可在更宽温度范围内形成，工业上对应更宽的轧后冷却控制余地；50℃/s 时转变整体延迟（Ar3=580℃、Ar1=368℃），临界区间收窄；而 30℃/s 慢冷时，约 787℃ 提前出现先共析铁素体并伴随贝氏体起始，Ar3=624℃、Ar1=504℃，马氏体转变温度区间显著缩短。

图 3  JMatPro CCT 曲线：A1=686.1℃、A3=834.7℃，标注 100℃/s 冷却路径与硬度变化

05  结语：模拟先行，实验减量，工艺窗口一次锁定

本研究以 JMatPro + Gleeble 膨胀实验验证、Andrews 公式校核，系统建立了 API X60 管线钢在加热—冷却循环中的奥氏体形成与分解规律，明确了加热速率与冷却速率对临界温度、组织类型与硬度的定量影响，为热轧温度区间的优化提供了直接依据。

这一"CALPHAD 模拟 + 热模拟实验"的方法论，价值在于把有限的实验资源聚焦在关键工艺点上：模拟先把相变温度、相分数与工艺参数的关系算清，实验只需做少量代表性组合即可验证与校准。对于需要快速开发新钢种、新工艺的企业，这意味着更短的研发周期、更低的试错成本与更高的工艺可靠性。

06  参考文献

07  关于 JMatPro

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。JMatPro 的应用范围：

1. 可为热力学计算等基础研究提供参考；

2. 辅助科研人员进行合金设计；

3. 辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；

4. 辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；

5. 预测材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；

6. 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）；

7. 能够为其他 CAE 软件提供材料性能参数（如 Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc 等）；

8. 提供 FLOW 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；

9. 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。

08  关于 MatSimKit 系列软件

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。

图 4  MatSimKit 系列软件产品矩阵：HT / DM / Design / Flow

09  关于中仿

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。

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