JMatPro助力16CrSiNi钢热处理参数及热物理性能计算

16CrSiNi 钢是一种广泛应用在航空领域的螺栓螺母类制件的低碳合金钢，通过大量的试验对其热物理性能和力学性能等进行检测,过程将十分冗长复杂。随着材料热力学和计算机技术的发展，采用相图热力学计算(CALPHAD)对材料成分及热处理工艺优化得到广泛应用。为快速、高效得到 16CrSiNi 钢的热物理性能、力学性能和相组成等参数,利用 JMatPro 热力学计算软件对 16CrSiNi 钢热处理参数进行模拟计算以求为仿真热处理和实际生产提供理论指导。

沈阳飞机工业（集团）有限公司马蓼奕等研究人员借助 JMatPro软件模拟计算16CrSiNi钢热处理参数及热物理性能，获得了16CrSiNi钢的热力学平衡相组成、淬透性曲线、TTA 曲线、TTT 曲线、CCT 曲线、淬火组织、淬火和回火后的力学性能以及不同温度下的密度、热导率、杨氏模量、比热容、泊松比和比焓等热物理性能，用以指导时效工艺参数的合理制定。

1、实验材料

试验用 16CrSiNi 钢由 200 kg真空冶炼炉炼成,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,得到 16CrSiNi 钢的热力学平衡相图,如图1所示。由图1可知,16CrSiNi 钢共有8个相区,主要包括液相区、奥氏体和铁素体区,且含有少量渗碳体区,其余为4种含量极少的碳化物相区。

图1 16CrSiNi 钢的热力学平衡相图(a)及碳化物相图(b)

2、16CrSiNi 钢的热处理参数计算 

2. 1  Jominy 淬透性计算

在 JMatPro 软件中设定淬火温度和保温时间，计算出 16CrSiNi 钢淬透性及奥氏体化后的晶粒度 。当淬火温度为 925 ℃ , 保温时间为 1 h 时，16CrSiNi 钢的晶粒度为 6.7 级(39.3 mm) , 淬火后的组织分布如图2 所示 。由图 2( a) 可知，16CrSiNi 钢的淬火端表面组织为 100% 淬火马氏体，随距淬火端距离的增加，开始出  现贝氏体、铁素体和珠光体，在距淬火端 1 cm 处，贝氏  体含量达到峰值，随后逐渐下降，铁素体和珠光体含量  逐渐增加，在距淬火端 3 cm 处，贝氏体基本消失，在距  淬火端 10 cm 处（即试样顶端）的组织为 61% 珠光体 +  39% 铁素体，无残留奥氏体存在。由图 2 ( b ) 可知，16CrSiNi 钢在淬火端表面强度和硬度最高，抗拉强度为 1340. 32 MPa , 屈服强度为 1083. 67 MPa , 硬度为  43. 64 HRC; 随距淬火端距离的增加，抗拉强度、屈服  强度和硬度迅速减小，在距端面3 cm 处基本达到下限 。该结果表明，16CrSiNi 钢的淬透性较差。

图2 16CrSiNi 钢的端淬曲线(a)相分布;(b)力学性能

2. 2  TTA 曲线计算

钢的 TTA 图是钢在连续加热过程中奥氏体形成的动力学曲线，描述了奥氏体化过程中加热速度、温度与奥氏体化程度之间的关系。由 JMatPro 软件计算得  到的 16CrSiNi 钢 TTA 曲线如图 3 所示 。可以看出， 16CrSiNi 钢的临界转变温度及奥氏体均匀化温度均会  受到加热速率的影响，随着加热速率的提高，Ac1 、Ac3和奥氏体均匀化温度均不断升高，且奥氏体在快速加热情况下可进行碳的快速扩散，使奥氏体快速趋于均匀化 。图 3 中的 Ac1 、Ac3 和奥氏体均匀化温度曲线将整个区域从下到上分为 4 个部分，分别对应奥氏体的 形核、长大、残留渗碳体溶解及奥氏体均匀化形成全过程。

图 3  16CrSiNi 钢的 TTA 曲线

2. 3  CCT 曲线及 TTT 曲线计算

16CrSiNi 钢的 CCT 曲线和 TTT 曲线计算结果如图 4 所示。由图 4 ( a) 可知，平衡态下铁素体、珠光体和贝氏体开始析出温度分别为 845. 0、748. 0 和 596. 2 ℃ 。马氏体开始转变温度为 434. 7 ℃ ,终了温度为 326. 6 ℃ 。由图 4( b) 可知，钢的 TTT 曲线有两个“鼻尖”，第一个  “鼻尖”温度为 514 ℃ ,过冷奥氏体在此温度下保温 0. 6 s后开始析出贝氏体；第二个“鼻尖”温度为 614 ℃ , 过  冷奥氏体在此温度下保温 3. 01 s 后开始析出珠光体。表 2 为不同冷却速度下 16CrSiNi 钢的淬火组织特征， 可以看出，随着冷却速度的增加，铁素体和珠光体含量  逐渐减少，贝氏体、马氏体含量逐渐上升 。当冷速为  0. 1 和 1 ℃ /s 时，组织为铁素体 ＋ 珠光体；当冷速为 10 ℃/s时贝氏体含量达到峰值23. 98% ;当冷速为100 ℃/s  时 ，组织为马氏体 ＋ 少量铁素体 ＋ 微量贝氏体和珠  光体 ＋ 残留奥氏体 。另外 ，结合图 2 和表 2 还可以  看出 ，随着冷速的增加 ，16CrSiNi 钢的硬度、屈服强  度和抗拉强度逐渐增加。

图 4  16CrSiNi 钢的 CCT 曲线( a) 和 TTT 曲线( b)

2. 4  回火力学性能计算

图 5 为 16CrSiNi 钢 925 ℃ 淬火后经 350 ~ 500 ℃  回火 0. 5 ~ 2 h 后的硬度、抗拉强度、屈服强度 。可以  看 出，随 着 回 火 温 度 的 上 升 和 保 温 时 间 的 延 长， 16CrSiNi 钢的硬度和强度降低 。从图 5 可以看出，回  火温度每升高 10 ℃ , 硬度降低约 0 . 6 HRC , 抗拉强  度、屈服强 度 降 低 18 ~ 21 MPa , 温 度 越 高 ，硬 度 和  强度的降低趋 势 就 越 平 缓 。生 产 过 程 中 可 结 合 对  16CrSiNi 钢 的 强 度、硬 度 的 实 际 需 求 ，合 理 选 择 回  火工艺参数。

图 5  16CrSiNi 钢经 350 ~ 500 ℃ 回火 0. 5 ~ 2 h 后的力学性能

( a) 硬度；( b) 抗拉强度；( c) 屈服强度

2. 5  热物理性能参数计算

材料的热物性参数主要受温度、晶粒尺寸大小、合 金元素、组织相变等因素的影响 。通过 JMatPro 软件计算 16CrSiNi 钢在 20 ~ 1600 ℃ 温度范围内的密度、热  导率、杨氏模量、比热容、泊松比、比焓等热物性参数， 结果如图 6 所示 。由图 6 可知，16CrSiNi 钢的密度和杨氏模量均与温度呈负相关，热导率则随温度增加整 体呈先减小后增大趋势，在 844. 8 ℃ 出现拐点，比热 容、泊松比和比焓值均与温度呈正相关 。室温(25 ℃ )下密度及杨氏模量都为最大值，分别为 7. 84 g/cm3 和 210 GPa , 比热容、泊松比和比焓均为最小值，分别为0. 45 kJ/( g ·K) 、0. 289 和 - 36. 65 J/g, 而热导率在低42. 11 W/( m ·K)另外，由图 6 还可以看出，在 1473. 08-1510 ℃ 温度范围内材料的热物理性能参数发生突变，这是由于 16CrSiNi 钢在该温 度 范 围 内 发 生 了 固⁃液相变。

图 6  16CrSiNi 钢的热物理性能

( a) 密度；( b) 热导率；( c) 杨氏模量；( d) 比热容；( e) 泊松比；( f) 比焓

3、结语

在本项研究中，研究人员根据 JMatPro 仿真计算获得了16CrSiNi钢的热力学平衡相组成、淬透性曲线、TTA 曲线、TTT 曲线、CCT 曲线、淬火组织、淬火和回火后的力学性能以及不同温度下的密度、热导率、杨氏模量、比热容、泊松比和比焓等热物理性能。

1) 通过 JMatPro 软件模拟得出 16CrSiNi 钢室温 条件下的平衡相组成为 97. 04% 铁素体 + 1 . 07% 奥氏 体 + 1 . 05% M2 ( C , N) + 0. 76% 渗碳体 + 0. 07% M3 P , 奥氏体化临界温度 Ac1  = 737. 15 ℃ , Ac3  = 844. 8 ℃ , 为得到 100% 均匀奥 氏 体，淬 火 加 热 温 度 宜 选 取 为 925 ℃ 。

2) 16CrSiNi 钢试样的端淬表面组织为 100% 淬火  马氏体，强度和硬度最高 。随着距淬火端距离的增加， 钢的抗拉强度、屈服强度和硬度逐渐减小。

3) 16CrSiNi 钢铁素体、珠光体和贝氏体开始析出 温度分别为 845. 0、748. 0 和 596. 2 ℃ , 马氏体开始转 变温度为 434. 7 ℃ , 终了温度为 326. 6 ℃ 。

4) 16CrSiNi 钢经 350 ~ 500 ℃ 回火 0. 5 ~ 2 h 时， 回火温度每升高 10 ℃ , 硬度降低约 0. 6 HRC , 抗拉强  度、屈服强度降低 18 ~ 21 MPa , 且温度越高，硬度和强  度的降低趋势就越平缓。

5) 16CrSiNi 钢 20 ~ 1600 ℃ 温度范围内密度、杨 氏模量与温度呈负相关，热导率随温度升高而先减小 后增大，比热容、泊松比、比焓值等参数与温度呈正相关。

参考文献：马蓼奕,杜青胤,李世键,等.利用JMatPro软件模拟计算16CrSiNi钢热处理参数及热物理性能[J].金属热处理,2024,49(07):42-46.

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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