一种测定低碳低合金钢CCT曲线的方法与流程

　　本发明涉及一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，属于金属材料测试技术领域。

　　背景技术：

　　钢的等温转变曲线(ttt图)和连续冷却转变曲线(cct图)能够完整地显示奥氏体化后的钢在冷却过程中的组织转变情况，使用这两类曲线能够帮助技术人员根据性能要求制定出合理的热处理工艺，来获得预期的组织。锻件的内部组织往往要在连续冷却的过程中形成，cct图能够更加准确地预测出组织转变时的转变类型、转变点和转变量等信息，因此在实际生产中更为实用。

　　测量相变量更常用的方法是金相法，这种方法的缺点是耗时并且无法确定低温下转变相的类型，而且只能观察常温下的相组成，无法获得转变过程中相含量的变化。

　　测定一副完整的cct曲线图通常要经过大量的实验获得多组实验结果，有时还需要在测量过程中不断地改进实验方案以便于获得更加全面的数据，虽然测定出了cct曲线图，却是费时费力的。目前建立描述相转变量模型虽然能够较好地预测cct曲线图，但应用于具体锻件的材料时仍然会存在偏差。

　　技术实现要素：

　　本发明针对现有技术存在的问题，提供一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，本发明无需通过大量的固定冷速的实验就能确定出完整且准确的cct曲线，同时还能获得准确计算cct曲线的修正参数之后的模型；该方法能够降低实验的时间、能源和材料成本，并对实际生产过程中工艺制定具有指导意义。

　　将金相法和膨胀法结合分析材料相变，膨胀法可以获得材料的膨胀量随温度和时间的变化规律，进而获得材料相变开始和相变结束时的温度以及转变量随时间和温度的变化关系。将金相法和膨胀法结合起来能更准确地测得不同冷却方式下的转变类型和转变量。

　　一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，具体步骤如下：

　　(1)测定合金成分，将合金成分代入相变点计算公式或jmatpro计算其相变点，将相变点和合金成分代入到li模型中预测出cct曲线的原型；

　　(2)根据步骤(1)cct曲线的原型制定不同冷速的淬火膨胀相变实验，测量出淬火过程中的膨胀曲线；根据膨胀曲线得出对应冷速下的转变点和转变时间；

　　(3)采用步骤(2)对应冷速下的转变点和转变时间修正步骤(1)cct曲线的系数得到低碳低合金钢cct吻合曲线。

　　所述步骤(1)li模型预测cct曲线的原型，cct曲线的形式为

　　f为低碳低合金钢组分c、mn、si、ni、cr和mo的质量百分数和晶粒尺寸的相关函数，g是原始奥氏体晶粒尺寸等级，δt为过冷度，q为扩散反应的活化能27500kcla/mol，r为气体常数，过冷度的指数n为由有效扩散机制确定的经验常数，其中体积扩散n为2，晶界扩散n为3；s(x)是反应速率项，s(x)表示为:

　　计算奥氏体连续冷却转变的模型如下：

　　等温条件下铁素体的转变：

　　其中合金元素对铁素体转变的影响因子为：

　　珠光体转变：

　　其中合金元素对珠光体转变的影响因子为：

　　贝氏体转变：

　　其中合金元素对贝氏体转变的影响因子为：

　　其中，c、mn、si、ni、cr和mo分别代表对应元素的质量百分数。

　　进一步的，所述步骤(2)淬火膨胀相变实验的冷速分为铁素体存在的区间、珠光体存在的区间、贝氏体存在的区间、马氏体存在的区间，淬火膨胀相变实验的不同区间的冷速取值为该区间冷速范围内的值且不包含端点值。

　　更进一步的，所述采用gleeble热物理模拟实验机或淬火膨胀相变仪进行不同冷速的淬火膨胀相变实验。gleeble热物理模拟实验机或淬火膨胀相变仪测量出钢在淬火过程中的膨胀曲线，膨胀曲线由两个拐点和三段不同变化趋势的线段组成；膨胀曲线的处理是通过找出这两个拐点作为相变开始和相变结束的点并结合试样的金相处理得到材料的相变过程的相关信息。

　　进一步的，所述步骤(3)中采用步骤(2)对应冷速下的转变点和转变时间修正步骤(1)cct曲线的系数的具体步骤为：

　　1)将对应冷速下的转变点和转变时间勾勒在cct曲线图中；

　　2)在同一温度下，判定对应冷速下的转变时间是否比预测cct曲线图中的转变时间长，若对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间长，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的右侧，则将公式(4)、(6)、(8)中指数首位的数值以预设调整幅度逐步递增至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线；若对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间短，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的左侧，则将公式(4)、(6)、(8)中指数首位的数值以预设调整幅度逐步递减至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线，其中预设调整幅度为0.05～0.10。

　　进一步的，所述相对偏差为通过同一冷速下的实验数据数值和模型计算的数值来计算，包含温度和时间两种偏差，相对偏差的计算公式如下：

　　其中，dcal为模型计算数值，dexp为实验测量数值，n为实际用于计算的总组数。

　　本发明的有益效果是：

　　(1)本发明中通过使用模型计算出cct曲线再设置出关键的不同冷速的工艺作为实验方案，可以大大减少实验需要的材料、能源和时间等实验成本；对于相同类型的钢，具有相似的cct曲线的形状，而由于其合金成分不同，部分相变曲线的位置发生了偏移，建立一个和成分相关的预测模型就能够描述整类钢的连续冷却转变过程；

　　(2)本发明适合用于成分范围广泛的钢或在低碳低合金钢中添加合金元素的情况，修正的预测模型可用于更广泛钢种的cct曲线预测。

　　附图说明

　　图1为实施例2膨胀曲线图；

　　图2为实施例2的a668钢不同冷速下的金相图；

　　图3为实施例2的a668钢cct曲线的原型和修正图；

　　图4为实施例3的20cr1mo1v钢cct曲线的原型和修正图。

　　具体实施方式

　　下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

　　实施例1：一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，具体步骤如下：

　　(1)测定合金成分，将合金成分代入相变点计算公式或jmatpro计算其相变点，将相变点和合金成分代入到li模型中预测出cct曲线的原型；

　　其中li模型预测cct曲线的原型，cct曲线的形式为

　　f为低碳低合金钢组分c、mn、si、ni、cr和mo的质量百分数和晶粒尺寸的相关函数，g是原始奥氏体晶粒尺寸等级，δt为过冷度，q为扩散反应的活化能27500kcla/mol，r为气体常数，过冷度的指数n为由有效扩散机制确定的经验常数，其中体积扩散n为2，晶界扩散n为3；s(x)是反应速率项，s(x)表示为:

　　计算奥氏体连续冷却转变的模型如下：

　　等温条件下铁素体的转变：

　　其中合金元素对铁素体转变的影响因子为：

　　珠光体转变：

　　其中合金元素对珠光体转变的影响因子为：

　　贝氏体转变：

　　其中合金元素对贝氏体转变的影响因子为：

　　其中，c、mn、si、ni、cr和mo分别代表对应元素的质量百分数；

　　(2)根据步骤(1)cct曲线的原型制定不同冷速的淬火膨胀相变实验，测量出淬火过程中的膨胀曲线；根据膨胀曲线得出对应冷速下的转变点和转变时间；

　　淬火膨胀相变实验的冷速分为铁素体存在的区间、珠光体存在的区间、贝氏体存在的区间、马氏体存在的区间，淬火膨胀相变实验的不同区间的冷速取值为该区间冷速范围内的值且不包含端点值；可采用gleeble热物理模拟实验机或淬火膨胀相变仪进行不同冷速的淬火膨胀相变实验。gleeble热物理模拟实验机或淬火膨胀相变仪测量出钢在淬火过程中的膨胀曲线，膨胀曲线由两个拐点和三段不同变化趋势的线段组成；膨胀曲线的处理是通过找出这两个拐点作为相变开始和相变结束的点并结合试样的金相处理得到材料的相变过程的相关信息；

　　(3)采用步骤(2)对应冷速下的转变点和转变时间修正步骤(1)cct曲线的系数得到低碳低合金钢cct吻合曲线，具体步骤为

　　1)将对应冷速下的转变点和转变时间勾勒在cct曲线图中；

　　2)在同一温度下，判定对应冷速下的转变时间是否比预测cct曲线图中的转变时间长，若对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间长，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的右侧，则将公式(4)、(6)、(8)中指数首位的数值以预设调整幅度逐步递增至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线；若对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间短，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的左侧，则将公式(4)、(6)、(8)中指数首位的数值以预设调整幅度逐步递减至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线，其中预设调整幅度为0.05～0.10；

　　其中相对偏差为通过同一冷速下的实验数据数值和模型计算的数值来计算，包含温度和时间两种偏差，相对偏差的计算公式如下：

　　其中，dcal为模型计算数值，dexp为实验测量数值，n为实际用于计算的总组数。

　　实施例2：本实施例中低碳低合金钢为a668钢；

　　一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，具体步骤如下：

　　(1)测定合金成分，使用直读光谱测得a668钢合金成分如表1所示；

　　表1a668钢的合金成分

　　a668钢合金为低碳低合金钢，将合金成分代入jmatpro计算其相变点得到a668钢的ac3和ac1温度分别为784℃和677℃，将相变点和合金成分代入到li模型中预测出cct曲线的原型(见图3a)；

　　其中li模型预测cct曲线的原型，cct曲线的形式为

　　f为低碳低合金钢组分c、mn、si、ni、cr和mo的质量百分数和晶粒尺寸的相关函数，g是原始奥氏体晶粒尺寸等级，δt为过冷度，q为扩散反应的活化能27500kcla/mol，r为气体常数，过冷度的指数n为由有效扩散机制确定的经验常数，其中体积扩散n为2，晶界扩散n为3；s(x)是反应速率项，s(x)表示为:

　　计算奥氏体连续冷却转变的模型如下：

　　等温条件下铁素体的转变：

　　其中合金元素对铁素体转变的影响因子为：

　　珠光体转变：

　　其中合金元素对珠光体转变的影响因子为：

　　贝氏体转变：

　　其中合金元素对贝氏体转变的影响因子为：

　　其中，c、mn、si、ni、cr和mo分别代表对应元素的质量百分数；

　　(2)根据步骤(1)cct曲线的原型制定不同冷速的淬火膨胀相变实验，测量出淬火过程中的膨胀曲线；根据膨胀曲线得出对应冷速下的转变点和转变时间；

　　淬火膨胀相变实验中，铁素体存在的冷速区间为小于39℃/s、珠光体存在的冷速区间为小于8℃/s、贝氏体存在的冷速区间为1.2-310℃/s、马氏体存在的冷速区间为大于10℃/s，淬火膨胀相变实验的冷速取值为该区间冷速范围内的值且不包含端点值,并且需要包含所有可能出现的相：铁素体存在的冷速选取0.1℃/s、0.5℃/s和1℃/s，珠光体存在的冷速选取0.5℃/s和1℃/s、贝氏体存在的冷速选取20℃/s和50℃/s、马氏体存在的冷速选取20.0℃/s和50℃/s，更终制定出0.1、0.5、1、20和50℃/s五个冷速作为实验测量组；

　　选取淬火膨胀相变仪分别模拟五种冷速下淬火膨胀相变实验；其中淬火膨胀相变仪上的cct试样为长度10mm、直径4mm的圆柱，将块状的a668钢加工成规定的尺寸；

　　将a668钢cct试样焊接上热电偶，把cct试样放入淬火膨胀相变仪中，设定工艺为以2℃/s的升温速率升高到900℃，保温10分钟，再以设定的五个冷速(0.1℃/s、0.5℃/s、1℃/s、20℃/s和50℃/s)降温至室温得到五条不同相变过程的膨胀曲线，使用切线法可以确定出转变点得到a668钢相变的信息如表2所示，膨胀曲线如图1所示；

　　表2a668钢的相变温度和时间

　　(2)将测量膨胀曲线之后的试样打磨、抛光并腐蚀后获得对应冷速下的金相图来判断相变的类型，a668钢不同冷速下的金相图如图2所示，其中图2(a)为a668钢在冷速0.1℃/s下的金相图，图2(b)为a668钢在冷速0.5℃/s下的金相图，图2(c)为a668钢在冷速1℃/s下的金相图，图2(d)为a668钢在冷速20℃/s下的金相图，图2(e)为a668钢在冷速50℃/s下的金相图；

　　(3)采用步骤(2)对应冷速下的转变点和转变时间修正步骤(1)cct曲线的系数得到低碳低合金钢cct吻合曲线，具体步骤为

　　1)将对应冷速下的转变点和转变时间勾勒在cct曲线图中；

　　2)在同一温度下，判定对应冷速下的转变时间是否比预测cct曲线图中的转变时间长，本实施例对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间长，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的右侧，则将公式(4)、(6)、(8)中指数首位的数值以预设调整幅度0.10逐步递增至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，即公式(4)、(6)、(8)指数位置的首项多次递增后修正为1.4、-4.8和-8.5，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线；

　　其中相对偏差为通过同一冷速下的实验数据数值和模型计算的数值来计算，包含温度和时间两种偏差，相对偏差的计算公式如下：

　　其中，dcal为模型计算数值，dexp为实验测量数值，n为实际用于计算的总组数；

　　修正之前的相对偏差如表3所示，

　　表3修正前预测和实验结果的相对偏差(％)

　　由表可知相对偏差大部分都已经超过了5％；

　　修正之后的相对偏差如表4所示，

　　表4修正后预测和实验结果的相对偏差(％)

　　由表可知相对偏差均在5％以内，故认为本次修正完成，更终得到了完整的cct曲线如图3b所示。

　　实施例3：本实施例中低碳低合金钢为20cr1mo1v钢；

　　一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法，具体步骤如下：

　　(1)测定合金成分，使用直读光谱测得20cr1mo1v钢合金成分如表5所示；

　　表520cr1mo1v钢的合金成分

　　20cr1mo1v钢合金为低碳低合金钢，将合金成分代入jmatpro计算其相变点得到20cr1mo1v钢的ac3、ac1和bs温度分别为880℃、791℃和570℃，将相变点和合金成分代入到li模型中预测出cct曲线的原型(见图4a)；

　　其中li模型预测cct曲线的原型，cct曲线的形式为

　　f为低碳低合金钢组分c、mn、si、ni、cr和mo的质量百分数和晶粒尺寸的相关函数，g是原始奥氏体晶粒尺寸等级，δt为过冷度，q为扩散反应的活化能27500kcla/mol，r为气体常数，过冷度的指数n为由有效扩散机制确定的经验常数，其中体积扩散n为2，晶界扩散n为3；s(x)是反应速率项，s(x)表示为：

　　计算奥氏体连续冷却转变的模型如下：

　　等温条件下铁素体的转变：

　　其中合金元素对铁素体转变的影响因子为：

　　fc＝exp(1+6.31*0.18+1.78*0.6+0.31*0.35+1.21*0.14+2.70*0.15+4.06*0.06)＝22389(4)

　　珠光体转变：

　　其中合金元素对珠光体转变的影响因子为：

　　贝氏体转变：

　　其中合金元素对贝氏体转变的影响因子为：

　　其中，c、mn、si、ni、cr和mo分别代表对应元素的质量百分数；

　　(2)根据步骤(1)cct曲线的原型制定不同冷速的淬火膨胀相变实验，测量出淬火过程中的膨胀曲线；根据膨胀曲线得出对应冷速下的转变点和转变时间；

　　淬火膨胀相变实验中，铁素体存在的冷速区间为小于3℃/s、珠光体存在的冷速区间为小于1.5℃/s、贝氏体存在的冷速区间为0.3-860℃/s、马氏体存在的冷速区间为大于10℃/s，淬火膨胀相变实验的冷速取值为该区间冷速范围内的值且不包含端点值,并且需要包含所有可能出现的相：铁素体存在的冷速选取0.05℃/s和0.5℃/s，珠光体存在的冷速选取0.05℃/s和0.5℃/s，贝氏体存在的冷速选取5℃/s、15℃/s和30℃/s，马氏体存在的冷速选取15℃/s和30℃/s，更终制定出0.05℃/s、0.5℃/s、5℃/s、15℃/s和30℃/s五个冷速作为实验测量组；

　　选取淬火膨胀相变仪分别模拟五种冷速下淬火膨胀相变实验；其中淬火膨胀相变仪上的cct试样为长度10mm、直径4mm的圆柱，将块状的20cr1mo1v钢加工成规定的尺寸；

　　将20cr1mo1v钢cct试样焊接上热电偶，把cct试样放入淬火膨胀相变仪中，设定工艺为以2℃/s的升温速率升高到930℃，保温10分钟，再以设定的五个冷速(0.05℃/s、0.5℃/s、5℃/s、15℃/s和30℃/s)降温至室温得到五条不同相变过程的膨胀曲线，使用切线法可以确定出转变点得到20cr1mo1v钢相变的信息如表6所示；

　　表620cr1mo1v钢的相变

　　将测量膨胀曲线之后的试样打磨、抛光并腐蚀后获得对应冷速下的金相图来判断相变的类型；

　　(3)采用步骤(2)对应冷速下的转变点和转变时间修正步骤(1)cct曲线的系数得到低碳低合金钢cct吻合曲线，具体步骤为

　　1)将对应冷速下的转变点和转变时间勾勒在cct曲线图中；

　　2)在同一温度下，判定对应冷速下的转变时间是否比预测cct曲线图中的转变时间长，本实施例贝氏体转变对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间长，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的右侧，则将公式(8)中指数首位的数值以预设调整幅度0.10逐步递增至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，公式(8)指数位置的首项多次递增后修正为-7.33，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线；本实施例铁素体和珠光体转变对应冷速下的转变时间比预测cct曲线图中的转变时间短，即预测cct曲线图中对应冷速下的转变时间点位于预测cct曲线的左侧，则将公式(4)、(6)中指数首位的数值以预设调整幅度0.10逐步递减至同一温度下，对应冷速下的转变时间与预测cct曲线图中的转变时间的相对偏差小于5％，公式(4)和(6)指数位置的首项多次递增后修正为-0.3和-5.25，所得修正cct曲线即为低碳低合金钢cct吻合曲线；

　　其中相对偏差为通过同一冷速下的实验数据数值和模型计算的数值来计算，包含温度和时间两种偏差，相对偏差的计算公式如下：

　　其中，dcal为模型计算数值，dexp为实验测量数值，n为实际用于计算的总组数。

　　修正之前的相对偏差如表7所示，

　　表7修正前预测和实验结果的相对偏差(％)

　　由表可知相对偏差大部分都已经超过了5％；

　　修正之后的相对偏差如表8所示，

　　表8修正后预测和实验结果的相对偏差(％)