在工业生产和机械制造领域，高碳钢因其出色的硬度和耐磨性而倍受青睐。然而，如何在保证其硬度的同时提高其耐磨性，是材料科学家们一直追求的目标。近期，安徽工业大学的邓爱军团队在《金属热处理》上发表研究，通过JMatPro软件对不同钼(Mo)含量高碳钢的组织和耐磨性进行了深入分析，为高碳钢的性能优化提供了新的理论依据。
该团队利用金属材料相图计算与材料性能模拟软件JMatPro软件，基于热力学计算，对不同Mo含量高碳钢的组织及相含量随温度的变化曲线和CCT曲线进行了计算分析。基于软件分析结果，研究者制定了合适的热处理工艺，并通过金相显微镜、扫描电镜观察和干砂磨损机实验，研究了Mo含量对高碳钢组织和耐磨性的影响。
表1所示，研究中使用了0.95%C的高碳钢作为基础材料，通过添加不同含量（0%，1%，2%，3%，4%，5%）的Mo元素，得到了六种不同Mo含量的高碳钢。
通过JMatPro软件进行热力学计算,得到如图2所示的含Mo高碳钢的相转变曲线。由图1可知,5种含Mo高碳钢随着温度变化均存在5种平衡相，分别是铁素体、奥氏体、渗碳体和碳化物(M23C6和M2C)。随着Mo含量增加，钢的Ac3温度从750℃提高到767.03℃,γ相区缩小，α相区增大。由于钼是强碳化物形成元素，含量较高时会促进γ奥氏体析出M23C6碳化物，弥散分布在晶界处，提高钢的硬度。由图2还可见，采用低温回火，即回火温度小于200℃时，5种含Mo高碳钢中钼均能与碳形成M2C碳化物，起到二次强化的作用。温度升至750℃以上时，钢中析出的γ相和δ相含量逐渐减少，温度达到770℃附近时，钢中均为奥氏体相。这为钢淬火温度的确定提供依据，当淬火温度较低时，碳化物不能溶入奥氏体中完全奥氏体化；而淬火温度偏高时，奥氏体晶粒不断长大粗化，会严重降低力学性能。故根据JMatPro计算结果分析可知，确定合适的淬火温度后，为稳定获得较多碳化物析出相可采用低温回火的方式，并适当延长保温时间。
图1利用JMatPro软件计算所得不同Mo含量高碳钢的相转变曲线
图2为不同钼含量试验钢的CCT曲线。通过分析可知，提高冷却速率可显著缩短马氏体开始转变时间；随着Mo含量的增加，在较低冷却速率下也可获得马氏体，但开始获得时间有所延长，并且同时发生了珠光体和贝氏体的转变，此时会减少钢中马氏体含量，从而降低钢的硬度和耐磨性能。因此，为稳定获得马氏体相，在淬火时选择水冷的方式可获得较高的冷却速率，从而提高钢中马氏体的含量。
图2不同钼含量高碳钢的CCT曲线
综合分析相含量随温度变化曲线及CCT曲线可得，试验含Mo高碳钢的热处理工艺为770℃保温1h后水淬，200℃回火2h后随炉冷却至室温。该工艺与实际生产高碳钢(0Mo基体钢）的热处理工艺相一致。
采用金相显微镜和扫描电镜对热处理后的试样进行了显微组织观察。图3为含Mo高碳钢的显微组织。由图4可见，由于采用了淬火急冷＋低温回火长时保温的热处理工艺，5种含Mo高碳钢中均出现隐晶马氏体和孪晶马氏体。这是由于0Mo基体钢中1.527%Cr元素和加入的1%~5%Mo元素均会形成第二相碳化物质点，在奥氏体相中发生偏聚，当回火温度达到80℃时，部分第二相碳化物质点发生分解重溶，随着回火温度的升高，马氏体中的碳原子被激活，析出碳化物，且随着保温时间的延长含碳高的孪晶马氏体会析出较多的碳化物，逐渐变为含碳低的隐晶马氏体。由于加入Mo含量不同，致使组织中第二相碳化物质点含量和形状不同。当Mo含量为1%、2%时，晶界析出的粒状碳化物稀少，较多的Mo元素固溶在基体中；当Mo含量为3%时，晶界析出的碳化物相对较多，且均匀分布，对0Mo钢起到强化的作用；而当Mo含量大于3%时，组织中不仅有粒状碳化物，还出现粗大块状碳化物，这是因为随着Mo的增加，在进行淬火快冷处理时，形成的Mo2C、Cr23C6等第二相碳化物质点来不及溶解，即快冷析出，并且在低温回火时还有部分二次碳化物析出，造成碳化物累积，基体中碳和其他合金元素固溶量降低，同时析出大量碳化物堆积成粗大块状碳化物。因此，随着Mo含量增加，析出碳化物也在增加，且在Mo含量为3%时碳化物颗粒分布最为均匀。
图3不同钼含量热处理态高碳钢的显微组织
0Mo基体钢和含Mo高碳钢的平均洛氏硬度和磨料磨损量如图4所示，可以看出，在0Mo基体钢的基础上，添加Mo元素可使高碳钢的硬度得到提高，平均洛氏硬度较0Mo基体钢提高约11%。随着Mo含量的增加，硬度呈先上升后下降的趋势，3%Mo时出现最大硬度值为67.31HRC。这是由于Mo含量从1%增加到3%时，钢中固溶的C元素和Mo元素均提高。钢中析出碳化物增多，Mo2C弥散分布于0Mo基体钢中起到了弥散强化作用。当钼含量为4%时，碳化物析出饱和，即使再增加Mo元素也很难形成新的碳化物，因此钼含量大于4%时，硬度的变化微乎其微，且这些析出的碳化物在回火时不易分解，造成大量粗大的块状碳化物堆积，阻碍了晶粒的细化，导致试验钢的硬度不升反降。
图4不同钼含量热处理态高碳钢的硬度和磨损量
1)通过JMatPro软件计算分析获得了含Mo高碳钢的热处理工艺方案：淬火温度770℃,保温1h后水冷；回火温度200℃,保温2h后随炉冷却至室温。在此工艺下，含Mo高碳钢组织主要为隐晶马氏体、孪晶马氏体和碳化物颗粒，Mo的添加提高了高碳钢的硬度和耐磨性。
2)当Mo含量为3%时，试验钢的硬度和耐磨性最佳，洛氏硬度达到最大值67.31HRC,磨损量相比无Mo高碳钢下降了30.84%,耐磨性显著提升。
3)高的Mo含量易于获得更多的碳化物颗粒，使基体中的C含量下降，且更多碳化物颗粒的析出强化作用使试验钢仍具有较高的硬度；但高Mo含量试验钢中过多碳化物颗粒的析出，会造成局部聚集成块，在磨料磨损过程中会降低试验钢的耐磨性。
参考文献：孙陶安,吴正义,周继顺,等.Mo含量对高碳钢组织和耐磨性的影响[J].金属热处理,2024,49(09):64-71.
关于JMatPro软件
JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。
JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。
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