CN101424610B - 含氮奥氏体钢微观组织预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含氮奥氏体钢微观组织预测方法。它由输入模块、计算模块和输出模块组成，其中计算模块包括高温δ相体积分数计算模块、氮化物Cr₂N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块和低温ε和α马氏体的开始转变温度计算模块。输入模块的功能是提供用户输入合金成分和温度等参数，计算模块将利用这些输入参数并结合计算公式进行计算，在输出模块，用户得到计算结果。该方法可简化材料开发过程，降低开发成本，加快开发速度，对含氮奥氏体不锈钢的材料设计和热处理、锻造等工艺控制提供参考，并对其低温组织稳定性进行预测。还具有数据处理方便、适用合金成分范围较广、适用温度范围较宽等优点，有利于计算技术在材料设计领域的应用。

Description

含氮奥氏体钢微观组织预测的方法

技术领域

本发明涉及含氮奥氏体钢微观组织预测的方法。

背景技术

奥氏体不锈钢是最重要的一类不锈钢，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70％，钢号也最多。几十年来，国内外使用最广泛的是镍铬不锈钢。但是这样的不锈钢有两个比较严重的问题。首先是强度、硬度偏低，限制其广泛使用；其次，是由于镍和铬元素的地矿藏量相对较少，所以制取成本高昂。针对这些问题，人们开展了奥氏体不锈钢中掺杂氮的研究，发现氮可以稳定奥氏体微观组织，可以提高强度，其作用比碳及其他合金元素强，氮减少奥氏体密排面上不全位错，限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动；掺杂氮同样可以提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀、如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀。氮作为合金化元素使用最早报道于1938年。由于钢铁冶炼条件的限制。在常压下能加入的氮浓度比较低，因此作用不明显。随着加压冶金技术的发展，氮作为强烈间隙元素，以廉价、易得等特点再次引起人们的注意。仅从1988年到1995年，高氮钢的国际性会议便召开了6次。日前高氮钢的研究在俄罗斯、瑞典、德国、法国和日本等国家迅速发展，给材料学科提供了更加广阔的天地。但是含氮奥氏体钢有三类微观组织稳定性问题，首先，高温加热过程中可能会有铁素体存在；其次，中温阶段，在一定的温度和时间条件下，氮化物可能会在奥氏体晶界处析出；在低温阶段，奥氏体也有转变成马氏体的可能性。这些转变最终导致奥氏体钢中的微观组织发生变化，严重影响了抗腐蚀、力学、无磁等性能，因此引起了学术界和工业界的广泛关注。

对于以上提到的问题，可以采用实验的方法来进行测定，即生产出材料，然后进行测试，但是这样的方法耗时、费力、成本高。也可以采用材料计算学的方法，在大量数据积累和计算机的辅助下，开发计算公式，其优点是成本低、适用合金成分范围广。目前，材料计算领域得到了广泛的重视，许多专利也涉及该领域，例如，专利号为“CN 1527935A”所公开的“耐候性钢的腐蚀量预测方法”，它利用外因性腐蚀信息和内因性腐蚀信息计算耐候性钢的预测腐蚀量；专利号为“CN 1963501A”所公开的“高聚物等温结晶动力学参数的预测方法”，它利用Monte Carlo方法和元胞自动机相结合的方法推导出高聚物的等温结晶过程；专利号为“CN 1431060”所公开的“一种热轧过程带钢组织演变与性能预测的方法”，它能够输入前处理、加热、轧制等参数，从而得到带钢的组织和性能预测结果；专利号为“CN101168797”所公开的“一种优质碳钢材在线预测与控制组织索氏体化方法”，它根据材料化学成分以及加工参数，对材料的索氏体组织的比例进行预测，并通过后续处理进行控制。由此可见，建立数理模型进行计算在新材料开发和工艺控制等方面的应用不断地在扩大。但是，在含氮奥氏体领域，还未见微观组织预测方法的报道。因此，在本发明中，申请人针对含氮奥氏体钢在高温、中温及低温的组织演化规律进行了研究，开发建立了微观组织预测的计算公式。这些公式可以极大地降低新材料、新工艺开发的成本，可以对工程实际提供指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测含氮奥氏体钢微观组织结构的方法。该方法可预测含氮奥氏体钢的微观组织结构，可以指导该类钢材的开发，解决该类钢材在开发过程中的高成本问题。本发明可以应用在含氮奥氏体钢的性能预测领域。

本发明涉及含氮奥氏体不锈钢的微观组织预测方法，包括输入模块、计算模块和输出模块组成，其中计算模块包括高温δ相体积分数计算模块、氮化物(Cr₂N)在中温阶段等温处理时的晶界析出计算模块和低温ε和α马氏体的开始转变温度计算模块。其中，高温δ相的体积分数计算采用以下公式：

T_δ(℃)＝T₄-21.2[Cr]+15.8[Ni]-223

V_δ(％)＝0.715exp[0.015(T-T_δ)]

注：T_δ—奥氏体与奥氏体+δ相的相界温度；T₄—纯铁奥氏体向铁素体相转变温度；[Cr]—铬当量，[Cr]＝Cr+1.5Mo+0.7W+2.5Si+3.5Al+3(Ti+Nb+V)，其中Cr为铬含量(质量百分数)，Mo为钼含量(质量百分数)，W为钨含量(质量百分数)，Si为硅含量(质量百分数)，Al为铝含量(质量百分数)，Ti为钛含量(质量百分数)，Nb为铌含量(质量百分数)，V为钒含量(质量百分数)；[Ni]—为镍当量，[Ni]＝Ni+30(C+N)+0.3Cu+0.561Mn-0.0076Mn²，其中，Ni为镍含量(质量百分数)，C为碳含量(质量百分数)，N为氮含量(质量百分数)，Cu为铜含量(质量百分数)，Mn为锰含量(质量百分数)；V_δ—δ相的体积分数；T—温度(℃)。

对于含氮奥氏体钢的中温氮化物(Cr₂N)析出的计算采用以下公式：

lnt_s＝-9.9+324.8/(1348-T)+10723.7/T+89.0Mn/T+130.6Cr/T-171.5Ni/T-3241.7(1.2N+C)/T+44.5Mo/T-3701.3V/T

注：t_s—Cr₂N开始在晶界析出所需的等温时间，“开始析出”定义为氮化物的体积分数为0.1～0.5％；T—温度(K)；Mn为锰含量(质量百分数)；Cr为铬含量(质量百分数)；Ni为镍含量(质量百分数)；N为氮含量(质量百分数)；C为碳含量(质量百分数)；Mo为钼含量(质量百分数)；V为钒含量(质量百分数)。

对于低温ε和α马氏体的开始转变温度的计算采用以下计算公式：

M_s(K)＝731-227(C+N)-17.6Ni-22.5Mn-17.3Cr-16.2Mo

M_εs(K)＝630-261.4(C+N)-13.7Mn-13.1Cr-17.9Ni-38.5Al

注：M_s—奥氏体转变成α马氏体的相变临界温度；M_εs—奥氏体转变成ε马氏体的相变临界温度；C为碳含量(质量百分数)；N为氮含量(质量百分数)；Ni为镍含量(质量百分数)；Mn为锰含量(质量百分数)；Cr为铬含量(质量百分数)；Mo为钼含量(质量百分数)；Al为铝含量(质量百分数)。

其中，各个合金元素的质量百分数范围为：0.05～0.90％(C+N)，0.0～33.0％Mn，0.0～33.0％Ni，0.0～25.0％Cr，0.02～6.0％Si，≤5.0％(Ti+Nb+V)，≤6.0％Al，≤8.0％(Mo+W)，≤4.0％Cu，余量为Fe。合金元素总量≤45％。

最后，计算结果传递到输出模块，由输出模块输出含氮奥氏体钢的微观组织预测结果。

本发明具有如下优点：

1.能够预测含氮奥氏体不锈钢的微观组织结构。本发明能够根据含氮奥氏体钢的合金成分、处理温度等参数计算得出高温δ相体积分数、氮化物(Cr₂N)在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间和低温ε和α马氏体的开始转变温度。其中高温δ相体积分数的信息可以指导含氮奥氏体钢固溶处理工艺，氮化物(Cr₂N)在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间的信息可以指导含氮奥氏体钢的热加工工艺，而低温ε和α马氏体的开始转变温度信息则可以指导含氮奥氏体钢的低温稳定性研究，这些微观组织的计算方法可为设计新材料提供依据。

2.操作方便，省时、省力。采用本发明方法，无论是工厂的工作人员，还是科研院所的研究人员，都可以进行含氮奥氏体钢的设计工作；并且，本发明的界面友好，输入、输出明白清楚，易于操作。

3.便于维护、开发。本发明的界面采用Java编写，可以直接在不同的操作系统上运行，并且该发明可以进行后续的调试、升级和维护。

附图说明

图1是本发明的流程框图

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

流程如图1

在输入模块输入合金元素之后，在计算模块中的高温δ相体积分数计算模块将采用公式

T_δ(℃)＝T₄-21.2[Cr]+15.8[Ni]-223

计算含氮奥氏体钢的T_δ温度，部分计算结果如表1所示，并根据公式

V_δ(％)＝0.715exp[0.015(T-T_δ)]

计算得出δ相的体积分数。计算结果在输出模块中输出。

表1 部分奥氏体钢的T_δ

实施例2：

在输入模块中，输入合金成分和温度后，在计算模块的氮化物(Cr₂N)在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块采用公式

lnt_s＝-9.9+324.8/(1348-T)+10723.7/T+89.0Mn/T+130.6Cr/T-171.5Ni/T

-3241.7(1.2N+C)/T+44.5Mo/T-3701.3V/T

计算出含氮奥氏体钢在不同温度保温时，Cr₂N开始晶间析出的时间。部分计算结果如表2所示，可以看出，计算结果与实验值的差别不大。计算结果进入输出模块并输出。

表2 部分奥氏体钢在不同温度保温时，Cr₂N开始晶间析出的时间

实施例3：

在输入模块输入合金成分后，在计算模块中的低温ε和α马氏体的开始转变温度模块，采用公式

M_s(K)＝731-227(C+N)-17.6Ni-22.5Mn-17.3Cr-16.2Mo

M_εs(K)＝630-261.4(C+N)-13.7Mn-13.1Cr-17.9Ni-38.5Al

可以计算含奥氏体钢的M_s和M_εs，部分计算结果如表3和表4所示。计算结果经过输出模块，输出给用户。

表3 部分材料的M_s的实验值和计算值

表4 部分材料的M_εs的实验值和计算值

Claims (1)

1.一种含氮奥氏体钢微观组织预测方法，其特征在于：由输入模块、计算模块和输出模块组成，所述输入模块的功能是从用户读取合金成分和温度的参数，并提供给计算模块；所述计算模块的功能是计算含氮奥氏体不锈钢的高温δ相体积分数、氮化物Cr₂N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间、低温ε和α马氏体的开始转变温度；所述输出模块是对计算结果的输出；

所述计算模块从输入模块得到包括高温δ相体积分数计算模块、氮化物Cr₂N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块和低温ε和α马氏体的开始转变温度计算模块，

所述高温δ相体积分数计算模块中，采用以下计算公式1和2：

T_δ(℃)＝T₄-21.2[Cr]+15.8[Ni]-223   式1

V_δ(％)＝0.715exp[0.015(T-T_δ)]     式2

其中：T_δ为奥氏体与奥氏体+δ相的相界温度；T₄为纯铁奥氏体向铁素体相转变温度；[Cr]为铬当量，[Cr]＝Cr+1.5Mo+0.7W+2.5Si+3.5Al+3(Ti+Nb+V)，其中Cr为铬质量百分含量，Mo为钼质量百分含量，W为钨质量百分含量，Si为硅质量百分含量，Al为铝质量百分含量，Ti为钛质量百分含量，Nb为铌质量百分含量，V为钒质量百分含量；[Ni]为镍当量，[Ni]＝Ni+30(C+N)+0.3Cu+0.561Mn-0.0076Mn²，其中，Ni为镍质量百分含量，C为碳质量百分含量，N为氮质量百分含量，Cu为铜质量百分含量，Mn为锰质量百分含量；V_δ为δ相的体积分数；公式2中的T为温度，单位为℃；

所述氮化物Cr₂N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块采用计算公式3：

lnt_s＝-9.9+324.8/(1348-T)+10723.7/T+89.0Mn/T+130.6Cr/T-171.5Ni/T-3241.7(1.2N+C)/T+44.5Mo/T-3701.3V/T    式3

其中：t_s为Cr₂N开始在晶界析出所需的等温时间，“开始析出”定义为氮化物的体积分数为0.1～0.5％；公式3中的T为温度，单位为K；Mn为锰质量百分含量；Cr为铬质量百分含量；Ni为镍质量百分含量；N为质量百分氮含量；C为碳质量百分含量；Mo为钼质量百分含量；V为钒质量百分含量；

所述低温ε和α马氏体的开始转变温度的计算模块利用公式4和5进行计算：

M_s(K)＝731-227(C+N)-17.6Ni-22.5Mn-17.3Cr-16.2Mo    式4

M_εs(K)＝630-261.4(C+N)-13.7Mn-13.1Cr-17.9Ni-38.5Al  式5

其中：M_s为奥氏体转变成α马氏体的相变临界温度；M_εs为奥氏体转变成ε马氏体的相变临界温度；C为碳质量百分含量；N为氮质量百分含量；Ni为镍质量百分含量；Mn为锰质量百分含量；Cr为铬质量百分含量；Mo为钼质量百分含量；Al为铝质量百分含量。