1. 研究背景
在我国基建产业高速发展的推动下，挖掘机斗齿作为核心损耗部件，因长期承受强冲击、高磨损的严苛作业环境，更换频率高、需求量大，其材料性能直接影响工程施工效率与成本控制。目前，斗齿用耐磨材料中，低合金耐磨铸钢凭借合金元素含量低、综合性能均衡、生产灵活性高且成本优势显著的特点，成为主流选择之一。其中，DC25CrNi2Mo 低合金耐磨铸钢虽具备潜在应用价值，但针对其成分优化与性能调控的系统性研究仍较为匮乏，难以充分满足斗齿对高强度、高硬度及高耐磨性的综合需求。
随着计算材料学技术的革新，热力学与动力学模拟工具已成为缩短材料研发周期、降低试验成本的关键手段。中国一重天津重型装备工程研究有限公司李晗、张雪姣研发团队，结合冷却过程模拟与性能分析，开展斗齿材料 DC25CrNi2Mo成分优化研究，借助 JMatPro软件进行热力学与动力学计算。结果显示，当金成分取上限时，材料强度硬度最优。其中，B元素对合金性能影响小，Mo元素增加有助于细化铸态组织。通分析确定回火中碳化物析出对合金机械性能的影响，得到合金目标成分值及热处理工艺。
2. 实验方法
2.1 合金基础与成分设计
本研究以 DC25CrNi2Mo 低合金耐磨铸钢为对象，其原始成分范围涵盖碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、铜（Cu）、钒（V）、硼（B）等关键元素（具体成分范围见表 1）。为系统分析成分对性能的影响，设计了 “下限、中下限、中限、中上、上限”5 种成分方案，覆盖各元素含量的全区间，用于后续 JMatPro 模拟与性能对比。
2.2 JMatPro 核心模拟流程
以 “冷却条件 - 相演变 - 性能调控” 为逻辑主线，将有限元冷却模拟结果作为 JMatPro 输入参数，利用 JMatPro 软件对DC25CrNi2Mo 进行热力学与动力学模拟计算，分析合金成分对材料平衡相、冷却组织、淬火性能的影响，确定成分最优值，分析不同回火工艺下材料的析出相及性能变化，为制定回火工艺提供依据，具体流程如下：
（1）冷却参数获取：通过有限元软件模拟斗齿实际工况下的水冷（心部冷速 0.33℃/s、表面冷速 12.37℃/s）与空冷（心部 / 表面冷速均为 0.038℃/s）过程，获取冷却速度数据，为 JMatPro 组织模拟提供实际工况边界条件。
图1 冷却过程斗齿心部及表面温度变化
（2）热力学平衡相模拟：利用 JMatPro 软件分析 5 种成分方案的平衡相组成，计算不同温度下 M (C,N)、M₂₃C₆、M₇C₃、M₃B₂等关键相的析出温度、含量及演变规律，明确各相对材料强度、耐磨性的作用机制。
图2 各M(C,N)在析出温度及室温下含量对比
（3）冷却转变组织模拟：基于有限元冷速数据，通过 JMatPro 模拟 5 种成分方案在不同冷却条件下的室温组织（马氏体、贝氏体、残余奥氏体）含量，量化成分与冷却速度对组织形态的协同影响。
（4）淬火与回火性能模拟：借助 JMatPro 计算 5 种成分方案的淬火强度（屈服强度、抗拉强度）与硬度，同时模拟不同回火温度（100-650℃）、保温时间（1-10h）下合金的性能变化及析出相演变，为工艺参数优化提供数据支撑。
图3 淬火性能对比 （冷速12.37℃/s)
3. JMatPro 在合金相组成与性能调控中的核心作用
3.1 精准揭示热力学平衡相演变规律
JMatPro 软件的热力学计算功能，是明确 DC25CrNi2Mo 合金相组成与强化机制的关键。通过模拟发现，该合金在平衡凝固条件下主要存在液相、铁素体、奥氏体、M₃B₂、M (C,N)、M₂₃C₆、M₇C₃等相，其中：
M (C,N) 相：由 V、Mo 与 C、N 形成的强碳化物相，JMatPro 模拟显示其析出温度与室温含量随合金成分提升而升高 —— 成分取上限时，M (C,N) 析出温度达 880℃，且室温含量最高。该相在奥氏体化时可钉扎晶界、抑制晶粒长大，回火时阻碍位错运动，显著提升材料强度，JMatPro 的定量模拟为固溶温度设计（需低于 880℃以保留其强化作用）提供了精准依据。
M₇C₃相：硬度极高的碳化物相，JMatPro 分析表明其作为第二相粒子分布于马氏体基体时，可大幅提升材料耐磨性，且其含量随合金成分（尤其是 Cr 含量）增加而增加，为成分上限方案的优越性提供了理论支撑。
此外，JMatPro 还明确了 M₃B₂相（由 Mo、Cr 与 B 形成）的溶解温度约 1100℃，为后续均质化工艺（需高于 1100℃以实现 M₃B₂充分回溶）的制定提供了关键参数。
3.2 量化冷却转变与淬火性能的关联
JMatPro 软件能够结合实际冷速数据，精准模拟组织演变与淬火性能的定量关系，解决了传统实验难以覆盖多冷速、多成分组合的局限：
（1）组织模拟：JMatPro 计算显示，在水冷条件（冷速 0.33℃/s、12.37℃/s）下，5 种成分方案的室温马氏体含量均超过 98%；空冷条件（0.038℃/s）下，随合金成分提升，马氏体含量从 65% 增至 82%，贝氏体含量相应降低。同时，JMatPro 还捕捉到 “成分提升导致水冷时残余奥氏体略有增加” 的规律，为材料塑韧性改善提供了优化方向。
（2）淬火性能模拟：JMatPro 对 5 种成分方案的淬火强度与硬度计算结果显示，材料强度与硬度呈正相关，且随成分从下限提升至上限，屈服强度从 1250MPa 增至 1680MPa，硬度从 480HB 增至 515HB，明确了 “成分取上限时淬火性能最优” 的结论，为成分目标值确定提供了直接依据。
3.3 指导关键元素调控与回火工艺优化
JMatPro 软件的多变量性能模拟能力，为关键合金元素（B、Mo）的含量控制及回火工艺参数优化提供了精准指导：
（1）B 元素调控：JMatPro 模拟表明，B 对 DC25CrNi2Mo 合金强硬度的提升作用极小（B 含量从 0.002wt% 增至 0.008wt%，硬度仅增加 5HB），但过量 B 会导致 M₃B₂相析出量增加，使材料脆性上升。基于此，JMatPro 直接支持 “B 取下限（0.002wt%）” 的优化方案，以降低 M₃B₂相的负面影响。
图4 B含量对淬火性能的影响
（2）Mo 元素调控：JMatPro 计算发现，Mo 含量增加虽使合金强硬度略有降低（Mo 从 0.4wt% 增至 0.5wt%，抗拉强度下降约 30MPa），但结合文献与 JMatPro 对组织细化的模拟预测，Mo 可显著细化铸态晶粒，改善材料综合性能，因此 JMatPro 支持 “Mo 取中上限（0.475-0.5wt%）” 的方案。
图5 Mo元素含量对淬火性能的影响
（3）回火工艺优化：JMatPro 对不同回火温度、保温时间的性能模拟显示，回火温度低于 210℃时，保温时间对强硬度、韧性影响微弱；高于 210℃时，保温时间延长使强硬度降低、韧性升高。同时，JMatPro 还模拟了回火过程中 M₃C、M₇C₃等析出相的尺寸演变 —— 温度越高，析出相尺寸增长越快（400℃时析出相尺寸是 250℃的 3.2 倍）。基于此，JMatPro 指导制定 “根据零件尺寸选择保温时间，在满足强硬度前提下适当提高回火温度” 的工艺原则，实现性能平衡。
4. 优化结果与工艺输出
依托 JMatPro 软件的全流程模拟，最终确定 DC25CrNi2Mo 合金的优化目标成分（见表 2）及配套热处理工艺，其中 JMatPro 的模拟结果是成分与工艺确定的核心依据：
均质化工艺：基于 JMatPro 模拟的 M₃B₂溶解温度（1100℃），确定均质化温度≥1100℃，确保 M₃B₂充分回溶。
固溶工艺：结合 JMatPro 对 M (C,N) 析出温度（880℃）与碳化物溶解规律的模拟，确定固溶温度 750-880℃，兼顾晶粒细化与碳化物溶解效果。
回火工艺：参考 JMatPro 对析出相尺寸与性能的模拟结果，建议回火温度 250-400℃，保温时间 2-4h（根据零件尺寸调整），平衡材料强硬度与韧性。
表 2 DC25CrNi2Mo 合金优化目标成分（wt%）
5. 结论
本研究充分验证了 JMatPro 软件在低合金耐磨铸钢成分优化与工艺设计中的核心价值，其作用贯穿 “相演变分析 - 性能预测 - 参数优化” 全流程，精准揭示了 DC25CrNi2Mo 合金的相组成规律，明确了 M (C,N)、M₇C₃等强化相的作用机制，为成分设计提供了理论核心。
JMatPro 结合实际冷速的组织与性能模拟，量化了成分、冷却条件对淬火性能的影响，直接确定 “成分取上限” 的最优方案，大幅缩短了实验探索周期。对关键元素（B、Mo）与回火工艺的多变量模拟，为元素含量控制与工艺参数制定提供了精准数据支撑，避免了传统试错法的成本浪费。
中国一重天津重型装备工程研究有限公司李晗、张雪姣研发团队针对 DC25CrNi2Mo 低合金耐磨铸钢的性能提升提供了从模拟到应用的全链条解决方案，也为同类低合金耐磨材料的研发提供了高效、经济的技术路径。
参考文献：[1] 李晗，张雪姣，段修刚，等。斗齿用低合金耐磨铸钢成分优化与工艺研究 [J]. 一重技术，2025 (04):10-12.
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。
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。
关于中仿
中仿智能科技（上海）股份有限公司（股票简称：中仿智能，股票代码：838476）成立于2007年，是一家专注于仿真技术研究和产品开发的高新技术企业。公司坐落于上海市临港松江科技城，以其卓越的技术实力和创新精神，荣获多项荣誉，包括国家高新技术企业、上海市科技小巨人培育企业、上海市“双软”认证企业等，并多次承担国家和上海市的重大科研项目。
中仿智能的JMatPro软件服务于材料科学、工程研究和工业应用等多个领域，助力客户在材料设计、加工工艺、热处理与焊接工艺设计等方面取得显著成效。
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