,1096. 北京科技大学学报 第33卷 图7Cr不同质量分数微观组织图·(a)Cn0.81%；;(b)C1.016%；(c)C1.216必 Fig 7 M icmostnichires at different Cr content (a)Cn 0.816%:(b)Ce 1.016%:(c)Co1.216% 表4不同合金元素含量条件下晶粒数目及尺寸的统计结果 Table 4 Number and size of grains under varying alloyng elments H=]9(T)T+L(1-) (4) 编号晶粒数目晶粒平均半径加 编号晶粒数目晶粒平均半径加 式中，9(T)为比热容，L为潜热，￡为凝固分数 Si 40958 1.391×10-3 Mo 42028 1.349×10-3 经计算，不同元素含量条件下22CMdH钢相变 Se 42598 1.337×10-3 Mo 42598 1.337×10-3 焓如图8所示，由图8可见，随着SiMn和Cr等合 Si 45938 1.281×10-3 Mos 43332 1.329×10-3 金元素含量的上升，22CMH钢的相变焓减小，这 Mm 40800 1.346×10-3 Cn 43008 1.337×10-3 使得钢液在凝固时结晶时间缩短，晶粒长大趋势受 Mn2 42598 1.337×10-3 Ce 42598 1.337×10-3 到抑制，晶粒形核数目增多，晶粒得到细化，特别是 MB439741.321×10-3 Cs 42620 1.338×10-3 S和Mn元素，含量改变引起相变焓的变化比较明 显，这也解释了图4图7中S和M相对于Si和 由表3可以看出，随着Si Mn,Cr和Mo元素含 Mm,晶粒细化较为明显的原因，Cr元素含量改变 量提高，22CMdH钢的液相线温度、固相线温度降 引起的相变焓变化与SiMn和Mo等合金元素的变 低，枝晶尖端生长动力学参数出减小.其中尤以Si 化相反，Cr含量越少，22CMdH钢的相变焓减小，这 和Mn元素影响趋势最为明显，相对应地，如图4所 也解释了少量C元素含量凝固组织更为细化的 示的凝固组织模拟结果显示，在该钢号规定的范围 原因 内随S和Mn含量增加，等轴晶比例明显增加，晶粒 29.8 平均尺寸也呈明显下降趋势（见表4）：当SiMn质 量分数分别从0.1489%和0.531%增加到0.3489%和 29.6 0.931%时，晶粒平均尺寸分别从1.391mm和 29.4 1.346mm下降到1.281mm和1.321mm,晶粒得到 29.2 了细化，究其原因是：①液相线温度降低，使得形核 Mn 动力增大，形核数目增多，细化晶粒：②枝晶尖端生 29.0 -Cr Mo 长动力学参数减小，枝状晶随之减少，等轴晶比 28.8 例扩大，且晶粒数目增多，随之带来晶粒尺寸降低， M1 M2 M3 合金元素的含成 Cr和Mo元素含量对22CMdH液相线温度及枝晶 尖端生长动力学参数的影响幅度相对较小.图4 图8合金元素不同含量下的相变焓 及表4的数据显示：Mo含量变化对等轴晶比例影响 Fig 8 Phase transition enthalpy at different contents of alloying ele ments 不明显，但随Mo含量增加能够明显增加形核数目， 晶粒尺寸随之下降；C含量变化对形核数目及晶粒 3.4合金元素的优化 尺寸影响不大，但适当降低C含量，能够提高等轴 为达到改善实验钢种的微观凝固组织的目的， 晶比例 根据上面实验所得的结果来改变各元素的含量，具 合金元素含量变化除影响液相线温度、枝晶尖 体成分见表5.原始合金元素含量及经优化后模拟 端生长动力学参数等之外，还由于影响到钢液由 结果组织图对比如图9所示. 液相凝固至固相的相变焓的大小，进而影响凝固组 优化前后实验钢种的T、T及枝晶尖端生长动 织结构，相变焓越大，结晶时间越长，晶粒长大的趋 力学参数对比见表6从表6可以看出，优化后的 势越大.相变焓2表示为 22CMdH钢的液相线温度、固相线温度降低，枝晶北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 7 Ｃｒ不同质量分数微观组织图 ∙（ａ） Ｃｒ10∙816％；（ｂ） Ｃｒ21∙016％；（ｃ） Ｃｒ31∙216％ Ｆｉｇ．7 ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＣｒｃｏｎｔｅｎｔｓ：（ａ） Ｃｒ10∙816％；（ｂ） Ｃｒ21∙016％；（ｃ） Ｃｒ31∙216％ 表 4 不同合金元素含量条件下晶粒数目及尺寸的统计结果 Ｔａｂｌｅ4 Ｎｕｍｂｅｒａｎｄｓｉｚｅｏｆｇｒａｉｎｓｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ 编号 晶粒数目 晶粒平均半径／ｍ 编号 晶粒数目 晶粒平均半径／ｍ Ｓｉ1 40958 1∙391×10－3 Ｍｏ1 42028 1∙349×10－3 Ｓｉ2 42598 1∙337×10－3 Ｍｏ2 42598 1∙337×10－3 Ｓｉ3 45938 1∙281×10－3 Ｍｏ3 43332 1∙329×10－3 Ｍｎ1 40800 1∙346×10－3 Ｃｒ1 43008 1∙337×10－3 Ｍｎ2 42598 1∙337×10－3 Ｃｒ2 42598 1∙337×10－3 Ｍｎ3 43974 1∙321×10－3 Ｃｒ3 42620 1∙338×10－3 由表 3可以看出‚随着 Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ和 Ｍｏ元素含 量提高‚22ＣｒＭｏＨ钢的液相线温度、固相线温度降 低‚枝晶尖端生长动力学参数 ａ3减小．其中尤以 Ｓｉ 和 Ｍｎ元素影响趋势最为明显．相对应地‚如图4所 示的凝固组织模拟结果显示‚在该钢号规定的范围 内随 Ｓｉ和 Ｍｎ含量增加‚等轴晶比例明显增加‚晶粒 平均尺寸也呈明显下降趋势 （见表 4）：当 Ｓｉ、Ｍｎ质 量分数分别从0∙148％和0∙531％增加到0∙348％和 0∙931％时‚晶 粒 平 均 尺 寸 分 别 从 1∙391ｍｍ 和 1∙346ｍｍ下降到 1∙281ｍｍ和 1∙321ｍｍ‚晶粒得到 了细化．究其原因是：①液相线温度降低‚使得形核 动力增大‚形核数目增多‚细化晶粒；②枝晶尖端生 长动力学参数 ａ3 减小‚枝状晶随之减少‚等轴晶比 例扩大‚且晶粒数目增多‚随之带来晶粒尺寸降低． Ｃｒ和 Ｍｏ元素含量对 22ＣｒＭｏＨ液相线温度及枝晶 尖端生长动力学参数 ａ3的影响幅度相对较小．图 4 及表 4的数据显示：Ｍｏ含量变化对等轴晶比例影响 不明显‚但随 Ｍｏ含量增加能够明显增加形核数目‚ 晶粒尺寸随之下降；Ｃｒ含量变化对形核数目及晶粒 尺寸影响不大‚但适当降低 Ｃｒ含量‚能够提高等轴 晶比例． 合金元素含量变化除影响液相线温度、枝晶尖 端生长动力学参数 ａ3等之外‚还由于影响到钢液由 液相凝固至固相的相变焓的大小‚进而影响凝固组 织结构．相变焓越大‚结晶时间越长‚晶粒长大的趋 势越大．相变焓 ［24］表示为 Ｈ＝∫ Ｔ Ｃ ｃｐ（Ｔ）ｄＴ＋Ｌ（1－ｆｓ） （4） 式中‚ｃｐ（Ｔ）为比热容‚Ｌ为潜热‚ｆｓ为凝固分数． 经计算‚不同元素含量条件下 22ＣｒＭｏＨ钢相变 焓如图 8所示．由图 8可见‚随着 Ｓｉ、Ｍｎ和 Ｃｒ等合 金元素含量的上升‚22ＣｒＭｏＨ钢的相变焓减小‚这 使得钢液在凝固时结晶时间缩短‚晶粒长大趋势受 到抑制‚晶粒形核数目增多‚晶粒得到细化．特别是 Ｓｉ和 Ｍｎ元素‚含量改变引起相变焓的变化比较明 显‚这也解释了图 4～图 7中 Ｓｉ3和 Ｍｎ3相对于 Ｓｉ1和 Ｍｎ1‚晶粒细化较为明显的原因．Ｃｒ元素含量改变 引起的相变焓变化与 Ｓｉ、Ｍｎ和 Ｍｏ等合金元素的变 化相反‚Ｃｒ含量越少‚22ＣｒＭｏＨ钢的相变焓减小‚这 也解释了少量 Ｃｒ元素含量凝固组织更为细化的 原因． 图 8 合金元素不同含量下的相变焓 Ｆｉｇ．8 Ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅ- ｍｅｎｔｓ 3∙4 合金元素的优化 为达到改善实验钢种的微观凝固组织的目的‚ 根据上面实验所得的结果来改变各元素的含量‚具 体成分见表 5．原始合金元素含量及经优化后模拟 结果组织图对比如图 9所示． 优化前后实验钢种的 ＴＬ、ＴＳ及枝晶尖端生长动 力学参数 ａ3对比见表6．从表6可以看出‚优化后的 22ＣｒＭｏＨ钢的液相线温度、固相线温度降低‚枝晶 ·1096·