高速钢相分析的计算机模拟

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1992.06.013 第14卷第6期 北京科技大学学报 Vol.14No.6 1992年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1992 高速钢相分析的计算机模拟 宋琪*沈宝莲·余永宁*张维敬" 要：阐述了利用相平衡计算对合金进行相分析计算机模拟的依据。对W6Mo5C4V2、 WI0Mo4Cr4V3A1和Mo5C4V3种高速工具钢在淬火加热态和退火加热态的组织进行了相分 析。其结果表达了这3种铜在上述状态下的相组成及其变化规律。 关艘遇：高速工具佣，相分析，计算机模拟 Computer Simulation for the Phase Analysis of High Speed Steels Song Qi Shen Baolian'Yu Yongning'Zhang Weijing" ABSTRACT:The foundation of the computer simulation for the phase analysis of alloys using phase e- quilibrium calculation has been expounded.The phases presented in the microstructure of W6Mo5Cr4V2,W10Mo4Cr4V3Al and Mo5Cr4V high speed steels at the quench-heated state and the anneal-heated state have been analyaed differently,and the necessary information concerning the phase constituents in the steels at the states mention above and their variation has been obtained. KEY WORDS:high speed steel,phase analysis,computer simulation 高速钢的相分析，多采用电化学分离、X射线衍射和化学成分分析等测试方法，这是一种 比较复杂的精细的试验技术。 近20年来发展起来的热力学相平衡计算方法，有可能利用热力学数据，在指定状态下， 对平衡相的组成、成分和相对量进行计算。或者说对该状态下的相分析进行计算机模拟。本 文就是在这方面对高速钢的一种尝试。 1992一06一13收稿 材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering) ·660·

第 卷第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 如 。 高速钢相分析的计算机模拟 宋琪 ‘ 沈 宝 莲 ’ 余永 宁 ’ 张维敬 ’ 摘 要 阐 述 了 利用 相 平 衡 计 算对 合金进 行 相 分 析 计 算 机 模拟 的 依 据 对 、 和 种高速工具钥在淬火加热态和 退 火加热态的组织进行 了相分 析 其结果表达了这 种钢在上述状态下的相组成及 其变 化规律 。 关拍鱼〔 直速工具钥 ， 相分析 ， 计算机模拟 ‘ 曰 刃 如川 侧沈 妙艳夕 切 ’ 召加翎 加 。 确 ’ 哪卯咖’ 砚 ” 认办叼 ， 一 ‘ 七 翻粥 麟 ‘ ， 运力 一 力 】一 ， 姿趁 · 址幼 ， 议 ， 、 高速钢 的相分析 ， 多采用 电化学分离 、 射线衍射和 化学成分分析等测试方法 ， 这是一种 比较复杂的精细的试验技术 。 近 年来发展起来的热力学相平衡计算方法 ， 有可能利用热力学数据 ， 在指定状态下 ， 对平衡相的组成 、 成分和相对量进行计算 。 或者说对该状态下的相分析进行计算机模拟 。 本 文就是在这方面对高速钢的一种尝试 。 一 一 收稿 ， 材料科学与工程 系 氏脚时 。 训 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．06．013

1相分析计算机模拟的依据 前已指出，相分析是指一个合金在指定的热处理状态下，测定其相组成、相成分及相的 相对量。如果指定的状态是平衡或接近平衡的，则可用相平衡计算对该状态下的相分析进行 计算机模拟。 相平衡计算的基本思路是：确定有关系统中各种物相特征函数的热力学模型，并给定相 应的参数函数，如对凝聚态，通常忽略压力影响时，它们是温度和成分的函数。这样，我们 便可用系统Gs自由能最小做判据，在相律的约束下，对给定的温度和合金成分，计算其平 衡时存在的相、相的成分及相的相对含量。 在所分析的高速钢中，可能存在的相有两类：一为多元固溶体，包括奥氏体和铁素体；一 为多元碳化物，如MsC、MC、MzC6和M2C等。奥氏体和铁素体采用亚点阵模型，表达式为 (Fe、Cr、Mo…)。(VaC)。Fe和合金元素占据固溶体的结点位置称为一个亚点阵，C和空位Va 占据固溶体的间隙位置称为另一亚点阵。诸组元均可于所在亚点阵中互为置换，而不能在亚 点阵之间置换。对用上述表达式为单位的相的摩尔自由能写为： Gn=ay.∑nGM+头∑Ge+aRT∑mlnM 十bRT(头lnya十lne)十Gm+Gm (1) 对奥氏体a=b=1;对铁素体“=1，b=3;.表示各个亚点阵中组元的摩尔分数，亦经常称 为位置分数；G为纯M的Gibs自由能；G为磁有序对自由能的影响项；Gm为由各组元交互 作用组成的过剩项，用下式表示： G。=∑，货+.∑，后十.∑，L十：∑ (2) 制，味」 M,t万 M,快j≠k M,≠ 其中S和L分别表示当间隙中为C或为空位时，合金元素和间的交互作用参数。还可考 虑成分对L的影响，将其表达为多项式： L=L+L(.一，)十2L(班-)2十… (3) L是考虑了三元项的影响。 对于碳化物亦采用亚点阵模型，和合金固溶体相比，只是在间隙位置的亚点阵中不存在 空位。不同的碳化物可表示为(F,Cr,…).Cb,其中a、b取值反映不同碳化物的类型。这样， 在(1)式中仅取c=1,v,=0,便可用于碳化物。有关固溶体和碳化物模型中的参数取自文 献〔1) 高速钢相分析模拟，实际上是利用上述模型和参数，以自由能最小为相平衡判据，在给 定温度下进行相平衡计算的结果。 ·661·

相分析计算机模拟的依据 前 已 指出 ， 相分析是指一个合金在指定的热处理状态下 ， 测定其相组成 、 相成分及相 的 相对量 。 如果指定的状态是平衡或接近平衡的 ， 则可用相平衡计算对该状态 下 的相分析进行 计算机模拟 。 相平衡计算的基本思路是 确定有关系统中各种物相特征 函数的热力学模型 ， 并给定相 应的参数函数 ， 如对凝聚 态 ， 通常忽略压力影 响时 ， 它 们是温度和 成分的函数 。 这样 ， 我们 便可用系统 自由能最 小做判据 ， 在相律的约束下 ， 对给定 的温度和合金成分 ， 计算其平 衡时存在 的相 、 相 的成分及相 的相对含量 。 在所分析的高速钢 中 ， 可能存在的相有两类 一为多元 固溶体 ， 包括奥 氏体和 铁素体 一 为多元碳化物 ， 如 拟 、 、 天 。 和 等 。 奥 氏体和 铁素体采用亚点 阵模型 ， 表达式为 、 、 … 。 。 。 和合金元素占据固溶体的结点位置称为一个亚点阵 ， 和 空位 占据固溶体的 间隙位置称为另一亚点阵 。 诸组元均可于所在亚点 阵 中互为置换 ， 而 不能在亚 点阵之 间置换 。 对用上述表达式 为单位的相 的摩尔 自由能写 为 ， 习 ， 。 ‘ 二 习 ， 偏 习 、 少 夕 夕 弧 犷 。 十 二 僻 对奥氏体 。 一 二 对铁素体 ， 一 ‘ 表示各个亚 点阵中组元 的摩尔分数 ， 亦经常称 为位置分数 。 为纯 的 自由能 黔 为磁有序对 自由能的影响项 “ 二 为 由各组元交互 作用组成的过剩项 ， 用下式表示 ， 一 ， 艺 ‘ 。 绪 。 万 。 毛 ， 习 ‘ 夕， 杀 二 习 ， 补 对 ，‘裤 “ ， 护 ，‘护 笋盖 盆 八沪 ，笋玉 其 中 此和 护分别表示 当 间隙 中为 或为空位时 ， 合金元素 和 间的交互作用参数 。 还可考 虑成分对 的 影 响 ， 将其表达为多项式 。 十 ‘ 梦一 梦， ’ ，‘ 一 梦， ‘ 二 ， 是考虑 了三元项的影响 。 对于碳化物亦采用亚点阵模型 ， 和合金固溶体相 比 ， 只是在 间隙位置的亚 点阵中不存在 空 位 。 不 同的碳化物可表示 为 ， ， … 、 ， 其 中 。 、 取值反 映不同碳化物的类型 。 这样 ， 在 式 中仅取 级 二 ， 一 。 ， 便可用于碳化物 。 有关 固溶体和 碳化物模型 中的参数取 自文 献 〔 〕 高速钢相分析模拟 ， 实际上是 利用上述模型和参数 ， 以 自由能最小为相平衡判据 ， 在给 定温度下进行相平衡计算的结果

2相分析内容和计算结果 2.1分析内容 作者曾对通用高速钢、特殊高速钢（包括超硬高速钢）和低合金高速钢3类20多个钢号 进行相分析模拟☒。本文选取的钢号的化学组成和热处理温度列于表1。 表1 试样的化学组成和热处理温度 Table 1 Temperatures and composition of samples 化学成分，% 热处理温度，℃ 序号 钢号 Mo Cr 其他 淬火 退火 H1 W6Mo5CrAV: 0.856.005.004.002.00 1220 870 A1 H9 W10Mo4Cr4V3Al 1.4010.004.004.203.00 1.0 1240 850 L7 Mo5Cr4V 1.000.00 5,00 4.001.50 1160 850 相分析内容为：(1)各种钢退火加热态和淬火加热态组织中的相组成和相成分。(2)加 热温度变化对高速钢中碳化物量的影响。(3)淬火加热态、退火加热态中各类碳化物成分及 MC型碳化物相化学式。 2.2计算结果及分相 (1)退火加热态组织中的相组成和相成分、各种钢退火加热态组织中的相组成见表2，而 相成分及合金元素在各相中的分布见表3。 表2 退火加热态相组成，% Table 2 Phase composition of samples at anneal-heated state 碳化物 序号 固溶体 总量 MC MC M23C6 其他 H1 83.64 16.36 13.77 2.59 0.00 H9 77.08 22.92 17.52 5.28 0.00 93.16 6.84 0.00 2.38 0.00 M2C.4.46 。662

相分析内容和计算结果 分析内容 作者 曾对通用高速钢 、 特殊高速钢 包括超硬高速钢 和低合金高速钢 类 多个钢号 进行相分析模拟 〔 “ 。 本文选取的钢号 的化学组成和 热处理温度列 于表 。 表 试样的化学组成和热处理温度 书 、 化学成分 ， 热处理温度 ， ℃ 序号 钢 号 其他 退火 丫 ， 淬火 。 。 。 广 ‘ 。 ‘ ‘ “ 。 。 柑分析 内容 为 各种钢退火加热 态和淬火加热态组织 中的相组成和相成分 。 加 热温度变化对高速钢 中碳化物量的影响 。 淬火加热 态 、 退火加热 态 中各类碳化物成分及 拟 型碳化物相化学式 。 计算结果及分相 退火加热态组织 中的相组成和相成分 、 各种钢退火加热态组织 中的相组成见表 ， 而 相成分及合金元素在各相 中的分布见表 。 表 退火加热态相组成 ， 侧粥 们 一 碳 化 物 序号 固溶体 － 总 量 其 他 。 ， · ·

表3元素在固溶体和碳化物中分布，% Table 3 Distribution of elements in solid solution or carbides 固 溶 体 序号 C W Mo Cr Al 0.120.48 0.804.160.21 H L 12 7 13 87 9 0.24 0.540.234.030.041.30 H9 13 4 74 1 100 0.31 1.363.380.06 L7 L 29 25 79 4 (续表3) 碳 化 物 序号 C W Mo Cr Al 4.5834.2226.473.1811.15 H L 88 93 87 13 91 5.3041.8116.684.7712.950.00 H9 L 87 96 96 2699 .00 10.40 54.5812.4421.11 L7 71 75 21 96 注：S一固溶体成分，%；L一各元素含量占该元素总量的百分数。 (2)淬火加热态组织中的相组成和相成分 各种钢淬火加热态组织的相成分见表4；组织中各相成分及合金元素在各相中的分布见 表5。 表4 淬火加热态组织相成分，% Table 4 Phase composition of samples at guench-heated state,% 碳化物 序号 固溶体 总量 MC MC M2Ce 91.59 8.41 8.01 0.40 0.00 H9 85.74 14.26 10.63 3.63 0.00 H7 98.60 1.40 0.67 0.73 0.00 ·663·

表 元素在固溶体和碳化物 中分布 ， 固 溶 体 序号 － 丫 续表 碳 化 物 序号 － 亡 乙 注 一 固溶体成分 ， 一 各元素含量 占该元 素总量 的百分数 。 淬火 加热 态组织 中的相组成和 相成分 各种钢淬火加热 态组织 的相成分 见表 组织 中各相成分及合金元素在各相 中的分 布见 表 表 淬火加热态组织相成分 ， 的 一 比 ， 碳 化 物 序号 固溶体 － 总量 。 。 。 · ·

表5 元素在固溶体和碳化物中分布，% Table 5 Distribution of elements in solid solution or carbides, 固 溶 体 序号 C W Mo Cr Al 0.682.94 2.674.161.92 H L 73 45 49 95 88 0.754.481.47 4.45.1.291.17 H9 L 46 38 32 91 37 100 P 0.84 4.373.991.07 L7. L 83 86 98 70 (续表5) 碳 化 物 序号 C W Mo Cr Al S 2.7039.3330.382.262.87 HI 27 55 51 5 12 5.3143.1919.212.7013.280.00 H9 L 54 62 68 9 630.00 12.27 49.374.7031.78 L7 L 17 14 2 30 注：S和L的意义见表3注。 高速钢的平衡（退火）组织属莱氏体钢，钢中的合金元素与碳形成共晶合金碳化物，二 次合金碳化物和共析碳化物。其中二次碳化物和共析碳化物在淬火加热时大部分溶入奥氏体 中，使得淬火加热态固溶体内的合金度明显高于退火加热态组织中固溶体内的合金度，且碳 化物含量减少，如表2、4所示。 超硬高速钢(H9)在淬火加热时，如图1一图3所示，其碳化物随温度升高而溶解的速率 比H1、L7钢中碳化物溶解速率小。因此，其淬火加热态与退火加热态组织中的碳化物相对变 化量就比H1和L7钢小。实验测得3W6Mo5Cr4V2钢退火加热态和淬火加热态组织中碳化物 相对变化量（一50%）和模拟计算有相似的值。 ·664·

表 元素在固溶体和碳化物 中分布 ， ， 写 固 溶 体 序号 － 丫 ， 。 。 续表 碳 化 物 序号 － 丫 印 。 注 和 的意义见表 注 。 高速钢的平衡 退火 组织属莱 氏体钢 ， 钢 中的合金元素与碳形成共晶合金碳化物 ， 二 次合金碳化物和共析碳化物 。 其中二次碳化物和共析碳化物在淬火加热时大部分溶入奥 氏体 中 ， 使得淬火加热 态 固溶体 内的合金度 明显高于退火加热态组织 中固溶体 内的合金度 ， 且碳 化物含量减少 ， 如表 、 所示 。 超硬高速钢 在淬火加热时 ， 如 图 一 图 所示 ， 其碳化物随温度升高而溶解的速率 比 、 钢 中碳化物溶解速率小 。 因此 ， 其淬火加热态与退火加热态组织 中的碳化物相对变 化量就 比 和 钢小 。 实验测得 〔幻 钢退火加热态和淬火加 热态组织 中碳化物 相对变化量 和 模拟计算有相似的值 。 · ·

24r 32 W5Mo5Cr4V2. ●MC+C ●M6C+MC3 O M.C 28 20 (C:0.85】 W10Mo4Cr4V3AI o M6C o MC 24 O MC 9 ●HC3 16 20 12 16 72 8 0L 0Pon 8009001000110012001300 800 9001000110012001300 T/℃ T/℃ 图1H]钢中碳化物相随加热温度变化曲线图29钢中碳化物相随加热温度变化曲线 Fig.1 The changes of carbides in HI Fig.2 The changes of carbides in H9 steel with heated temperatures steel with heated tempertures 表6碳化物相成分和M6C化学式 Table.6 Carbides constituents and chemical formula of M.C 热 序碳化物碳化物相对 相成分，% 处 MsC型化学式 号总量，%类型量⅓ 理 Mo Cr 淬H116.36 MeC 84 207 39.80.30.443.470.00(Fe2sW1.sMo.sCrn.4)C 火H922.91M6C761.9949.4920.104.410.00(Fe2.sW.Mo.C.s)C M6C952.0340.7731.302.290.00 退H18.41 (Fe2.sW1.3MoL.gCro.3)C MC 516.5511.0411.201.5859.56 751、9250.4122.912.790.00 火H914.26 (Fe2.sW1.7Mot.sCros)C MC 25 15.3021.988.212.3252.10 (3)加热温度对高速钢中碳化物量的影响 由图1~图3看出，在800~1300℃加热温度下，高速钢的组织是由固溶体和碳化物组成， 其中碳化物相主要有MsC型、MC型和M2C6型或M,C3型。此外还可能出现M2C型等。碳化 量随加热温度增高，因溶解而逐渐减少。 超硬高速钢(H9)中钒含量高，MC型碳化物量较多，且随加热温度升高，溶解量少，基 本保持在4%，有的甚至更高，而一般高速钢中MC型碳化物量均低于3%。 低合金高速钢(L7)中碳化物量较低，且随加热温度升高碳化物溶解速度快。 以上碳化物量随加热温度变化的规律和早期B.M.Cohen等人实验测得的相应曲线有相 ·665

白 ﹄州。 加 州。 诩 凌 》 ‘ 一 心 峭以曰 】 卜 心减加、 门 目︵叫初﹄、 一 多 一 树 〔 一 州 多 … 、 叭、 认卜味 一 ’ 十 几 一 、 竺鹦黔 冷 翻” 始的日几 ‘ 一 一 劝。 曰目助。 。 。 。 翻 卜加‘ 芍匕丁 一 。 ℃ 图 钢中碳化物相随加热温度变化曲线 恤 初 加 图 钢中碳化物相随加热温度变化曲线 】 曰 表 碳化物相成分和 拟 化学式 的 城 序 碳化物 号 总 量 ， 碳化物 类型 相对 量 相成分 ， 型 化学 式 勺 理热处 淬 火 ‘ ， 名 退 。 屯 。 止 ， 火 。 。 。 自 ︺仁 碌毗袱 加热温度对高速钢 中碳化物量的影 响 由图 一 图 看 出 ， 在 一 ℃ 加热 温度下 ， 高速钢的组织是 由固溶体和 碳化物组成 ， 其 中碳化物相 主要有 型 、 型和 型或 不 型 。 此外还 可能 出现 厂 型等 。 碳化 量随加热温度增高 ， 因溶解而逐渐减少 。 超硬高速钢 中钒含量高 ， 型碳化物量较多 ， 且随加热温度 升高 ， 溶解量少 ， 基 本保持在 线 ， 有 的甚 至更高 ， 而一般高速钢 中 型碳化物 量均低于 。 低合金高速钢 中碳化物量较低 ， 且 随加热温度升高碳化物溶解速度快 。 以上碳化物量随加热温度变化的规律和早期 等人实验测得 的相应 曲线有相 · ·

同的变化规律初。 8 MosCrav 一UC” O MC (4)淬火或退火加热态中碳化物相成分及 ●MC+46C MC型化学式（见表6）。 4结论 应用相分析计算机模型，可以较方便地获 得高速钢不同状态下相组成和成分的实用数 800 900100011001200 据，其结果可供高速钢合金设计和热处理工艺 T/℃ 制定的参考。 图3L7钢中碳化物随加热温度变化曲线 Fig.3 The changes of carbides in L7 致谢：本文中计算中使用的是瑞典皇家工学院物理怡金 with heated temperatures 系提供的Themo-一Cae软件，特此致谢。 参考文献 1 Bjorn Uhrenius.Hardenability Concepts with Applications to Steel.In:Doane D V and Kirkald J S ed.New York:AIME,1978,28 2宋琪。高速钢相分析的计算机模拟，北京科技大学硕士研究生论文，1990.1 3 Cohen B M,Roberts G A.Metal Progress,1952,61 (6):79 4 Sundnan B,et al.Calphad,1985,(9):153 ·666·

二曰兴℃‘。叫叭 同的变化规律 〔 〕 。 淬火或退火加热 态 中碳化物相成分及 型化学式 见表 。 结 论 应用相分析计算机模型 ， 可 以 较方便地 获 得 高速钢 不 同状 态 下相 组 成和 成 分的 实用 数 据 ， 其结果可供高速钢合金设计和热处理工 艺 制定的参考 。 、 、 、 － ，叭 侧叫劫 ，门 。 致谢 本文 中计算 中使用 的是瑞典皇 家工 学 院物理 冶 金 系提供的 。 一 〔 城加 软件 ， 特此致谢 。 参 考 文 献 图 钢中碳化物随加热沮度变化曲线 址山 儿 心 ， ， 宋琪 高速钢相分析 的计算机模拟 ， 北京科技大学 硕士研究生论文 ， ， ， ， ， 臼 ， ， 稍