分享：应用JMatPro软件对重载齿轮用钢17CrNiMo6的分析

重载齿轮是指用在传递更大动力和承受更大负荷的齿轮，一般用于运输、起重、机车牵引以及风力发电等重要场合。材料一般采用低碳合金钢并经渗碳处理，高温淬火+低温回火等热处理，使得表层具有较高的硬度、耐磨性的同时，心部具有较高的塑性和韧性[1]。17CrNiMo6钢是德国牌号，此钢种因其高韧性、高强度及高淬透性等特点而得到广泛应用，但许多基本性能资料缺乏[2]。本文使用JMatPro软件结合生产检测对17CrNiMo6钢的基本性能进行研究探讨。

JMatPro软件是英国Thermotech公司设计开发的金属材料计算分析模拟软件，可用来计算合金材料的平衡相组成，并以此为基础预测材料的各项性能。JMatPro具备快速、准确的计算能力，采用功能强大而精确的热力学数据和热力学模型作为核心技术和计算基础，所采用的物理模型都得到了大量验证，确保材料性能计算的准确性[3]。JMatPro软件将繁琐深奥的热力学分析程序化，近年来JMatPro软件在国内金属材料研究方面的应用逐渐增多[4−6]，软件的预测精度得到广泛认可[7−9]。

1.   研究对象及方法

试验研究的钢种生产工艺为电炉（LF）冶炼→炉外（VD）精炼→3.16 t钢锭→加热→轧制→缓冷→退火→超声波探伤→检验。选用的17CrNiMo6钢材主要成分组成如表1所示。

试验按照GB/T 6394—2017标准检验奥氏体晶粒度级别为7级。按照GB/T 225—2006标准检测末端淬透性指数为J43–5，J39–11，J34–25，J30–40，热处理工艺为880 ℃正火，870 ℃淬火。

应用JMatPro软件首先计算该17CrNiMo6钢的末端淬透性曲线，从而判断JMatPro软件在17CrNiMo6钢材上的适用性情况。得到确认后再应用软件计算17CrNiMo6钢材的其他性能。

2.   分析与讨论

2.1   末端淬透性对比分析

试样淬火前经880 ℃保温1500 s后正火，通过JMatPro软件确定晶粒度应为ASTM标准的8.4级。将晶粒度8.4级、淬火温度870 ℃及表1中成分输入JMatPro 软件计算出末端淬火试样硬度、抗拉强度、屈服强度随淬火端距离的变化趋势，结果如图1所示。其中计算的末端淬透性指数为J43.24–5，J39.77–11，J35.76–25，J34.17–40。与检验结果相比，距离淬火端面40 mm处的硬度值相差HRC 4.17，其余3处最大相差HRC 1.76，计算值与检测值比较接近，具有较强的对应性。

2.2   平衡态相组成分析

将表1中成分输入JMatPro软件计算出平衡态主要相组成随温度变化情况如图2所示。

计算结果显示该17CrNiMo6钢液相线温度为1509.5 ℃，当温度低于该温度时，高温铁素体开始析出；当温度低于1492.7 ℃时，开始析出奥氏体；当温度降至固相线温度1470.9 ℃后，合金完全转变为奥氏体；当温度降至796.7 ℃后，奥氏体减少，铁素体开始析出；当温度降至700.3 ℃时，奥氏体全部传化为铁素体；室温（25 ℃）时的平衡相组成主要为95.54% F（铁素体）+1.26% M23C6（复杂立方点阵结构碳化物）+1.06% M7C3（复杂六方点阵结构碳化物）等。各平衡相的元素组成如表2所示。

2.3   合金的TTT曲线及CCT

检测该炉17CrNiMo6钢晶粒度为7级，将晶粒度7.0级及表1中成分输入JMatPro软件计算出材料TTT曲线如图3所示。计算结果表明，合金经奥氏体化后冷却过程中铁素体、珠光体和贝氏体可析出最高温度依次是796.6、730.4和561.8 ℃。其中珠光体“鼻尖”温度为600 ℃，过冷奥氏体在600 ℃下保温562.9 s开始析出珠光体，贝氏体“鼻尖”温度为480 ℃，过冷奥氏体在480 ℃下保温3.2 s开始析出贝氏体，马氏体开始析出温度为390.7 ℃，奥氏体温度为846.63 ℃。

选择奥氏体化温度850 ℃、晶粒度7.0级及表1中成分计算出材料CCT曲线如图4所示。计算结果显示合金A3温度（加热时铁素体转变为奥氏体的终了线或冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线）为796.6 ℃，A1温度（共析转变温度）为730.4 ℃。随冷却速度提高，析出的铁素体、珠光体逐渐降低，析出的贝氏体、马氏体逐渐增加，当冷却速度为1 ℃/s是室温下组织中马氏体质量分数达为1.91%，当冷却速度达到30 ℃/s时室温下组织中马氏体质量分数达到99.44%，接近全马氏体组织。各冷却速度下钢材的相组成和力学性能计算结果如表3所示。

2.4   TTA图

TTA图对于合金加热过程中的参数设计具有重要的指导意义[10]。输入表1中合金成分，选择细晶粒度计算出合金TTA图如图5所示。随着加热速度的提升，钢材的A1温度、A3温度及奥氏体均匀化温度均升高。当加热速度低于40 ℃/s时A3温度为796 ℃，当加热速度低于10 ℃/s时A1温度为730 ℃。部分加热速度下的A1温度、A3温度、奥氏体均匀化温度及奥氏体均匀后所需时间如表4所示。

3.   结论

1）JMatPro软件计算出的末端淬透性指数结果同17CrNiMo6钢生产检测结果比较接近，有很高的参考价值。

2）设计的17CrNiMo6钢室温（25 ℃）时的平衡相组成主要为95.54% F+1.26% M23C6+1.06% M7C3等。

3）设计的17CrNiMo6钢存在两个“鼻尖”温度，珠光体“鼻尖”温度为600 ℃，过冷奥氏体在该温度下保温562.9 s开始析出珠光体，贝氏体“鼻尖”温度为480 ℃，过冷奥氏体在该温度下保温3.2 s开始析出贝氏体，马氏体开始析出温度为390.7 ℃，当冷却速度达到30 ℃/s时室温下组织中马氏体质量分数达到99.44%，几乎为全马氏体组织。

4）设计的17CrNiMo6钢随着加热速度的增加，合金的A1温度、A3温度、奥氏体均匀化温度均升高。当加热速度低于40 ℃/s时A3温度为796 ℃，当加热速度低于10 ℃/s时A1温度为730 ℃。

文章来源——金属世界