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专利名称：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 ±或，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
3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�？�、计算模 块和输出�？樽槌桑�其中计算模块包括高温S相体积分数计算�？�、氮化物(Cr2N) 在中温阶段等温处理时的晶界析出计算�？楹偷臀聅和a马氏体的开始转变温度 计算�？�。其中，高温S相的体积分数计算采用以下公式 7X。C)=T4-21.2[Cr]+15.8[Ni]-223 r乂o/o):0.715exp
注7V—奥氏体与奥氏体+財目的相界温度；T4一纯铁奥氏体向铁素体相转
变温度；[Cr〗一铬当量，[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)；
j^一s相的体积分数；r一温度rc)。
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
ln4=-9.9+324.8/(1348-7)+10723.7/r+89.0Mn/r+130.6Cr/r-171.5Ni/r -3241.7(1.2N+C)/r+44.5Mo/:r-3701.3V/r
注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s和a马氏体的开始转变温度的计算采用以下计算公式 Jkfs(K)=731 —227(C+N)-17.6Ni—22.5Mn-17.3Cr-16.2MoKK)=630-261.4(C+N)-13.7Mn-13.1 Cr-17.9Ni-3 8.5 Al
注M;—奥氏体转变成a马氏体的相变临界温度；Ms—奥氏体转变成s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°/o(C+N)， 0.0~33.0%Mn， 0.0 33.00/oNi， 0.0 25.0%Cr， 0.02~6.0%Si，《5.0% (Ti+Nb+V)，《6.00/oAl，《 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�？槭涑龊�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S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e和a马氏体的开始转变温度。其 中高温S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s和a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、幵发。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。


图1是本发明的流程框图
具体实施例方式
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�？槭淙牒辖鹪�素之后，在计算模块中的高温5相体积分数计算模块将采用公式
7X °C )=T4-21.2[Cr]+15.8 [Ni]-223
计算含氮奥氏体钢的7^温度，部分计算结果如表l所示，并根据公式
Fd0.715exp
计算得出s相的体积分数。计算结果在输出�？橹惺涑�。
表1部分奥氏体钢的；
化学成分(质量百分数) rrc)
MnCrNiC+NANbMoVTiWSi实验 值计算 值
19.0020.4210.170.2200000001050腿
216.419.302.080.550000000.811501122
38.617.45.370.42001.92000010501087
48.517.84.20.4501.33000001050薩
528.50.2400.183.601.50.40001025腦
629.0000.104.301.7800.250.301000977
实施例2:
在输入�？橹校�输入合金成分和温度后，在计算�？榈牡�化物(Cr2N)在中 温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算�？椴捎霉�式
1恥=-9.9+324.8/(1348-:O+10723.7/r+89.0Mn/r+130,6Cr/r-171.5Ni/T -3241.7(1.2N+C)/r+44.5Mo/r-3701.3V/r
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 �？椴⑹涑觥�
表2部分奥氏体钢在不同温度保温时，Ci"2N开始晶间析出的时间
保温
编化学成分(质量百分数)温度ts (min)号(K)
MnCrNiNCMoVT实验值计算值
13.8824.3215.070.320.0400簡2.22.4
23.8824.3215.070.320.040010233.03.1
33.8824.3215.070.320.04009736.04.6
410.1312.0111.790.2360,0254.94010233.03.5
510.1312.0111.790.2360.0254.9409735.05.2
619.5419.250.20.720.0700.0311237.07.7
7121800.56000112310.08.9
8121801.18000簡1.01.2
9121801.180009733.02.2
1018.417.50.131.020.062.080.14,1.81.9
1118.417.50.131.020.062.080.149734.03.6
121817.880.180.590.080.130.1210738.08.31320.2140.320.390.010.140.11107318.016.1
1420.2140.320.390.010.140.1197336.038.3
1518.7118.5100.520.0900102322.027.2
1619180.050.90.060.060.1210732.03.2
175.219.35.20.690週2.9010731.81.9
185.219.35.20.690.0242.9010234.82.6
1924.2218.033.230.620.05100102322.018.6
2013.121.300.670.0700107312.010.0
实施例3:
在输入�？槭淙牒辖鸪煞趾螅�在计算�？橹械牡臀耂和(X马氏体的开始转变温 度�？椋�采用公式
MS(K)=731 -227(C+N)_ 17.6Ni-22.5Mn-17.3Cr-16.2Mo M"K)=630-261.4(C+N)_ 13.7Mn-13 1 Cr-17.9Ni-3 8.5 Al
可以计算含奥氏体钢的Afs和^!&，部分计算结果如表3和表4所示。计算结果 经过输出�？椋�输出给用户。
表3部分材料的Ms的实验值和计算值
编 号-化学成分(质量百分数)MS(K)MnCrMC+NMo实验值计算值
1017.04.00.102303324
2016.55.00.300268285
307.519.30.100238237
4016.012.10.100214224
54 ,1730.102.75163170
6018100.050273277
70024.50.650189203
810.1312.2300.2360<273234
表4部分材料的A4,的实验值和计算值
编 化学成分(质量百分数) Mra(K)
MnCrNiC+NAl实验值计算值
1015120.100183189
220.80.6700.060.78311293
323.4000.160273267
428.615.15.30.130<413
518.10.1900.350.18263281
622.2000.160293284
7018120.050217209
8016.012.10.01021420权利要求
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�？�、计算�？楹褪涑瞿？樽槌桑�所述输入�？榈墓δ苁谴佑没Ф寥『辖鸪煞趾臀露鹊牟问�，并提供给计算�？椋凰�述计算�？榈墓δ苁羌扑愫�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�？槭嵌约扑憬峁�的输出；所述计算�？榇邮淙肽？榈玫桨�括高温δ相体积分数计算�？�、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�？楹偷臀娄藕挺谅硎咸宓目�始转变温度计算�？椋�所述高温δ相体积分数计算�？橹校�采用以下计算公式1和2Tδ(℃)＝T4-21.2[Cr]+15.8[Ni]-223式1Vδ(％)＝0.715exp
式2其中Tδ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+3.5A1+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，Aminl.gif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；Vδ为δ相的体积分数；T为温度(℃)；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�？椴捎眉扑愎�式3minl. gifnts＝-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ts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％；T为温度(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�？槔�用公式4和5进行计算Ms(K)＝731-227(C+N)-17.6Ni-22.5Mn-17.3Cr-16.2Mo式4Mεs(K)＝630-261.4(C+N)-13.7Mn-13.1Cr-17.9Ni-38.5A1 式5其中Ms为奥氏体转变成α马氏体的相变临界温度；Mεs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；Aminl.gif为铝质量百分含量。
全文摘要
本发明涉及含氮奥氏体钢微观组织预测方法。它由输入�？�、计算�？楹褪涑瞿？樽槌桑�其中计算�？榘�括高温δ相体积分数计算�？�、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�？楹偷臀娄藕挺谅硎咸宓目�始转变温度计算�？�。输入�？榈墓δ苁翘峁┯没�输入合金成分和温度等参数，计算�？榻�利用这些输入参数并结合计算公式进行计算，在输出�？椋�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。
文档编号G01N33/20GK101424610SQ200810234559
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者华杨康, 庄建新, 戴起勋, 王安东, 程晓农, 纪建国, 袁志钟, 陈康敏 申请人:江苏大学;江苏银环精密钢管股份有限公司