H13热作模具钢连续冷却转变(CCT)曲线的研究

⾼精度SH-CCT曲线绘制⽅法探索
⾼精度SH-CCT曲线绘制⽅法探索
陆恒昌，⿇永林，王权，邢淑清
【摘要】摘要：钢铁材料SH-CCT曲线是焊接⼯艺制定的重要依据。

如何根据膨胀曲线获得准确的相转变点和相转变量，是精确绘制SH-CCT曲线的基础。

根据测得的实际膨胀曲线，针对其相转变拐点不明显，以及转变量较少，⽆法直接确定的情况，提出了采⽤膨胀曲线、杠杆法和⾦相法相结合进⾏相转变点测定；针对转变量和转变组织不明显，采⽤组织观测和显微硬度相结合来测定组织分布。

经过对⼏个钢种的实际应⽤，取得了良好的效果，实现了SH-CCT 曲线的⾼精度绘制。

【期刊名称】电焊机
【年(卷),期】2013(043)011
【总页数】5
【关键词】SH-CCT曲线；膨胀法；杠杆法；显微硬度；Gleeble-1500D
0 前⾔
实验模拟焊接热影响区连续冷却转变图（Simulated HAZ CCT diagram，简称SH-CCT图）主要反映焊接过热区组织的相变过程和特征，为评价钢材性能和制定焊接⼯艺提供基础数据，其测定⽅法有⾦相法、膨胀法、热分析法、磁感应法等。

本研究采⽤焊接热模拟技术，在Gleeble-1500D热模拟机上对⼏个新开发的钢种进⾏了SH-CCT曲线的绘制。

在实验过程中发现，由于各种因素的作⽤和影响，实际膨胀曲线与理论曲线往往存在偏差，这给相变点的确定带来难度，很多情况下取点过程中难免存在随意性因素，因此，如何准确处理这类曲线成为提⾼SH-CCT曲线精度的关键。

第37卷第3期2023年6月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37No.3Jun.2023收稿日期:2023-01-10作者简介:王立强(1998 ),男,硕士研究生,主要从事金属热处理工艺㊁数值模拟方面的研究㊂E-mail:2779113606@㊂∗通信作者:樊湘芳(1963 ),女,教授,主要从事材料成型及控制工程专业方面的研究㊂E-mail:hefanyibang@DOI :10.19431/ki.1673-0062.2023.03.009热轧态H13钢调质工艺参数模拟计算与实验验证王立强1,赵健明2,樊湘芳1∗,陈宗福1(1.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001;2.衡阳华菱钢管有限公司,湖南衡阳421001)摘㊀要:利用JMatPro 软件,模拟计算得到热轧态H13钢平衡相组成㊁奥氏体连续加热转变(continuous heating transformation diagram of austenite ,TTA )曲线图㊁过冷奥氏体连续冷却转变(continuous cooling transformation diagram ,CCT )曲线图㊁淬透性曲线㊁碳化物和相转变曲线;结合性能要求,确定H13钢的调质工艺参数范围,并进行实验验证㊂实验结果表明:H13钢经1050ħ淬火后得到的最高硬度为53.4洛氏硬度(Rockwell Hardness C ,HRC ),50mm 处仍保持45HRC 以上的较高硬度;H13钢随着冷速的提升强度和硬度略有升高;现企业选用的工艺参数(1050ħ+45min 淬火,630ħ+100min 回火)可行㊂关键词:H13钢;JMatPro ;热作模具钢;调质工艺中图分类号:TG161文献标志码:A 文章编号:1673-0062(2023)03-0059-07Simulation Calculation and Experimental Verification of Tempering ProcessParameters of H13Steel in Hot Rolled ConditionWANG Liqiang 1,ZHAO Jianming 2,FAN Xiangfang 1∗,CHEN Zongfu 1(1.School of Mechanical Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :Using JMatPro software,simulations were performed to obtain the equilibrium phase composition,austenite continuous heating transformation diagram (TTA diagram),subcooled austenite continuous cooling transformation diagram (Continuous cooling Trans-formation Diagram,CCT diagram),hardenability curve,carbide and phase transformation curves for hot rolled state H13steel;Combined with the performance requirements,the range of tempering process parameters for H13steel was determined and experimentally verified.The experimental results show that:the maximum hardness of H13steel obtained第37卷第3期南华大学学报(自然科学版)2023年6月after quenching at 1050ħis 53.4Rockwell Hardness C (Rockwell Hardness C,HRC),and the higher hardness of 45HRC at 50mm is still maintained;the strength and hardness of H13steel increase slightly with the increase of cooling rate;the process parameters se-lected by the present company (quenching at 1050ħ+45min,tempering at 630ħ+100min tempering)is feasible.key words :H13steel;JMatPro;hot work die steel;quenched and tempered process0㊀引㊀言H13钢作为一种C-Cr-Mo-Si-V 型热作模具钢,是热作模具钢中最具代表性的钢种,广泛应用于热挤压模和铝㊁铜等合金压铸模等[1-4]㊂H13钢在服役过程中不仅要承受较大冲击㊁磨损,还要承受热疲劳㊁高温氧化作用,工况环境极其恶劣,会因热疲劳开裂㊁腐蚀等而失效[5-7]㊂工业生产通常使用调质处理提高H13钢的综合性能[8-10]㊂1㊀模拟计算结果与分析1.1㊀H13钢的热平衡相组成实验材料为热轧态H13钢,化学成分见表1㊂将化学成分输入到JMatPro 软件中,进行模拟计算[11-12],得到如图1所示的平衡相组成㊂表1㊀H13钢的化学成分(质量分数)Table 1㊀Chemical composition of H13steel单位:%元素C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 质量分数0.390.90.430.0150.0030.060.16 5.2 1.37元素V W Nb Ti Al B O N Fe 质量分数0.960.090.0160.0120.0330.00090.00180.0046余量㊀㊀从图1可以看出,H13钢液相线的温度为1472.5ħ;1430.3ħ时奥氏体开始析出,到1365.1ħ时析出量开始逐渐平缓,823.8ħ时奥氏体完全消失;铁素体相在1412.5~1472.5ħ区间内时会短时间出现,在865.3ħ时铁素体相再一次开始出现,到823.8ħ析出量达到最大;889.9ħ时M 23C 6相开始析出,在温度为823.8ħ时析出量随温度的变化趋于平缓;其他相随后也开始析出,但含量不多;H13钢固态相变点为:A 3ʈ865.3ħ,A 1ʈ823.8ħ,室温下的平衡相组织主要为92.20%F +6.67%M 23C 6+0.46%M 2(C,N)+0.33%G-PHASE +0.16%LAVES㊂图1㊀H13钢的平衡相组成第37卷第3期王立强等:热轧态H13钢调质工艺参数模拟计算与实验验证2023年6月1.2㊀H13钢的TTA 曲线图图2为H13钢的TTA 图,可知,不同的加热速度下临界转变温度和奥氏体化开始温度也会不同㊂图2㊀H13钢的TTA 图Fig.2㊀TTA graph of H13steel在热处理过程中,提高加热速度,可缩短加热时间,由此减少材料表面的氧化脱碳,还能增加奥氏体成核率㊁抑制晶粒长大和均匀化程度,但也会因快速加热时的热应力作用而增大材料开裂趋势[13]㊂表2为H13钢不同加热速度和奥氏体化参数的关系㊂可以看出,随着加热速度的提高,A c1㊁A c3和奥氏体均匀化的温度均出现了升高,奥氏体均匀化时间出现了缩短㊂考虑到实验验证中试样尺寸㊁电阻炉功率等对加热速度的影响,后续模拟计算中选择奥氏体化温度为910ħ[14]㊂表2㊀H13钢不同加热速度和奥氏体化参数的关系Tab.2㊀Relationship between different heating ratesand austenitization parameters of H13steel加热速度/(ħ㊃s -1)A c1/ħA c3/ħ均匀化温度/ħ均匀化时间/s 100836978103910.191081389094492.418088548838631.3㊀H13钢的CCT 曲线图H13钢的CCT 曲线图见图3,可以看出:不同连续冷却速度下获得的组织不同,在0.01~0.02ħ/s 时,得到的组织为贝氏体㊁珠光体,大于0.02ħ/s 时得到马氏体组织㊂图3㊀H13钢的CCT 曲线Fig.3㊀CCT curve of H13steel表3为不同冷却速度淬火后的力学性能,表4为冷却速度对淬火组织的影响㊂从表3可以看出,随着采用的冷却速度的不断提高H13钢的屈服和抗拉强度㊁硬度不断提高;当冷却速度大于1ħ/s 时不再增加㊂从表4中可以看出,当冷却速度超过1ħ/s 时,即热轧或正火后空冷条件下,冷却后的最终组织为马氏体+少量奥氏体㊂表3㊀不同冷却速度淬火后的力学性能Table 3㊀Mechanical properties after quenching atdifferent cooling rates力学性能冷却速度/(ħ㊃s -1)1001010.10.01屈服强度/MPa 1186.41186.41186.41181.6856.2抗拉强度/MPa1438.01438.01438.01433.51115.5硬度/HRC46.246.246.246.136.4表4㊀不同冷却速度对淬火组织的影响Table 4㊀Effect of different cooling rates onquenching organization淬火组织的质量分数/%冷却速度/(ħ㊃s -1)0.010.1110100A 00.270.290.290.29F 0000B 57.587.650.0400P 42.420.07000M92.0199.6799.7199.71第37卷第3期南华大学学报(自然科学版)2023年6月1.4㊀H13钢的淬透性计算图4为力学性能随水冷端距离变化曲线㊂由图4可知,试样表面的强度和硬度值最大:抗拉强度为1438.04MPa,屈服强度为1186.42MPa,硬度为46.24HRC;硬度值随水冷端距离的增加减速缓慢;抗拉强度和屈服强度随着水冷端距离的增加几乎不变㊂图4㊀力学性能随水冷端距离变化曲线Fig.4㊀Variation curve of mechanical performancewith distance from water-cooled end相组成随水冷端距离变化曲线见图5,可知在淬火状态下,试样的马氏体含量非常高,这表明H13钢的淬火态主要为马氏体,经回火处理可以使该合金钢具有优异的力学性能[15];随着距离水冷端距离的不断增加,马氏体的含量下降缓慢㊂图5㊀相组成随水冷端距离变化曲线Fig.5㊀Variation curve of phase compositionwith distance from water-cooled end1.5㊀H13钢的动力学计算根据实际生产经验,选择600ħ㊁630ħ㊁650ħ㊁680ħ作为回火温度进行动力学计算,得到不同回火温度下碳化物种类随时间变化情况(见图6)和不同回火温度下碳化物尺寸随时间变化情况(见图7)㊂图6㊀不同回火温度下碳化物种类随时间变化情况第37卷第3期王立强等:热轧态H13钢调质工艺参数模拟计算与实验验证2023年6月图7㊀不同回火温度下碳化物尺寸随时间变化情况Fig.7㊀Variation of carbide size with time at different tempering temperatures㊀㊀从图6可以看出,在回火过程中主要的析出相有三种,M 3C㊁M 23C 6和M 2(C,N),其他析出相含量较少;随着回火温度的提高,不稳定相M 3C 相开始溶解的时间缩短,溶解速度加快,M 2(C,N)相析出量开始上升的时间缩短,达到最大量的时间和全溶解的时间提前;M 23C 6㊁M 7C 3转变和达到析出量峰值的时间随着温度的升高而提前,为了使M 2(C,N)相更好溶解㊁M 23C 6相更好地均匀化,保温时间需要大于5706s㊂由图7可知,M 23C 6㊁M 2(C,N)析出物达到均匀化尺寸时间随回火温度的升高而减小,且达到均匀化的尺寸变化不大,而M 2(C,N)达到均匀化尺寸后,尺寸会在某一时间迅速增加,且随着回火温度的上升,增加的时间会不断提前;为得到合适的析出物尺寸,回火时间不能过短,同时防止时间过长导致一些析出物均匀化尺寸突变增加,回火时间应小于14331s㊂另从析出物变化趋势来看,回火温度不应超过670ħ㊂综上所述,从析出相种类和尺寸随温度和时间变化规律,在回火后既要确保一些析出相能够完全转化又要确保析出相尺寸均匀化不宜过大,选定回火温度为630ħ㊁650ħ,回火时间100min,并以此进行实验验证㊂2㊀实验验证2.1㊀实验方法采用1050ħ+45min 淬火后进行端淬试验,试样尺寸为Φ25mm ˑ100mm 的圆棒;对H13钢进行调质处理,试样尺寸为10mm ˑ10mm ˑ55mm,淬火工艺为:1050ħ下保温45min,采用水冷㊁风冷㊁空冷三种方式冷却至室温,检测试样淬火态的力学性能,确定一种合适的冷却方式,进行630ħ㊁650ħ下保温100min 回火处理,再次进行力学性能检测,对比分析调质工艺参数对力学性能的影响㊂将淬火和回火后的试样制成标准拉伸试样和标准V 形缺口冲击试样㊂拉伸和冲击实验分别在WAW-300万能试验机和JB-30B 冲击试验机上完成㊂利用HYHRS-45A数显表面洛氏硬度计测试试样的硬度㊂2.2㊀端淬试验端淬试验结果见表5,可知最高硬度为53.4HRC,50mm处仍保持45HRC以上的较高硬度,与图4模拟计算结果差别不大㊂2.3㊀淬火实验试样在不同冷速下的力学性能如表6所示,由于采用小试样进行热处理,空冷时的冷却速度应大于1ħ/s㊂三种冷却方式得到的力学性能差别不大,随着冷速的提升强度和硬度略有升高,与表3中的计算结果一致㊂表5㊀端淬试验结果Table5㊀End quenching test results HRC项目距离/mm1.5 3.0 5.07.09.011.013.015.020.025.030.035.040.045.050.0硬度52.053.453.252.953.153.052.452.251.350.548.747.446.446.245.7表6㊀不同冷却速度下的力学性能Table6㊀Mechanical properties at different cooling rates冷却方式水冷风冷空冷屈服强度/MPa148914541436抗拉强度/MPa156715351524硬度/HRC52.451.751.52.4㊀回火实验试样回火工艺后的力学性能见表7㊂由表7可知,随着回火温度的增加,试样的冲击韧性提高,但强度下降㊂现企业所需调质工艺参数为1050ħ+45min淬火,630ħ+100min回火㊂表7㊀回火工艺后的力学性能Table7㊀Mechanical properties after tempering process温度/ħ屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%平均冲击功/J(纵向全尺寸)硬度/HRC650ħ回火75692118.060/59/6634/34 630ħ回火934114315.017/20/1936/363㊀结㊀论1)H13钢室温下平衡相组织主要由92.20%F+ 6.67%M23C6+0.46%M2(C,N)+0.33%G-PHASE 相组成,H13钢的固态相变点:A3ʈ865.3ħ, A1ʈ823.8ħ;在奥氏体化过程中,H13钢的A c3㊁A c1和奥氏体均匀化的温度随着加热速度的提高而升高㊂2)在连续冷却过程中,随着冷速的提高,H13钢的屈服强度㊁抗拉强度和硬度不断提高;当冷却速度大于0.02ħ/s时,会得到马氏体组织;当冷却速度大于1ħ/s时,常温下,得到的显微组织主要为马氏体+少量奥氏体,强度和硬度变化不大㊂3)端淬实验验证H13钢经1050ħ淬火后得到的最高硬度为53.4HRC,50mm处仍保持45HRC以上的较高硬度,与JMatPro计算结果差别不大;不同冷却速度淬火后的力学性能与计算结果基本一致㊂4)企业所需调质工艺参数为(1050ħ+45min 淬火,630ħ+100min回火)可行㊂但根据模拟计算分析,H13钢的调质工艺参数尚可进一步优化㊂参考文献:[1]张雪姣,张心金,李晗,等.H13及其改进热作模具钢热力学动力学计算[J].一重技术,2022(3):22-27. 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钢在热处理冷却时的组织转变相图只适用于缓慢冷却，而实际热处理则是以一定的冷却速度来进行的，所以出现C曲线。

一、A冷却C曲线转变温度与转变时间之间关系的曲线。

1. 等温冷却C曲线将钢急冷到临界温度以下某一温度，在此温度等温转变，在冷却过程中测绘出过冷A 等温转变图。

2.连续冷却C曲线将钢在连续冷却的条件下转变，此时测绘出的冷却二、等温冷却C曲线过冷A等温转变图可综合反映过冷A在不同过冷度下的等温转变过程，转变开始和终了时间，转变产物类型以及转变量与温度和时间的关系等，由于等温转变图通常呈“C”形状，所以也称C曲线，另外还称TTT 图，现以共析钢为例来说明TTT图的建立.1.相图的建立① 把钢材制成Φ10×1.5mm的圆片试样,分成若干组② 取一组试样,在盐炉内加热使之A化.③ 将A化后的试样快速投入 A1 以下某一温度的浴炉中进行等温转变④ 每隔一定时间取出一个试样急速淬入水中,而后将各试样取出制样,进行组织观察.当在显微镜下观察发现某一试样刚出现灰黑色产物时,所对应的等温时间就是A开始转变时间,到某一试样未有M出现时，所对应的时间为转变终了时间。

共析碳钢等温转变图（C曲线）将其余各组试样，用上述方法,分别测出不同等温条件下A转变开始和终了时间,最后将所有转变开始时间点和终了时间点标在温度、时间(对数)坐标上,并分别连接起来,即得C曲线.2. 图形分析3. 等T转变特点① 过冷到A1以下的A处于不稳定状态,但不立即转变,而要经过一段时间才开始转变,称为孕育期。

孕育期越长,过冷A越稳定,反之,则越不稳定。

② 鼻点:550℃ 最不稳定,转变速度最快③ C形状原因过冷度和原子扩散为两个制约因素在A1~ 550℃区间,随过冷度增大,原子扩散较快,转变速度较快。

550℃以下,随过冷度增大,原子扩散速度越来越慢,因而转变速度减慢。

4. 相变特点① 高温转变-- P转变(Ar1~ 550)A→F+Fe3C(片层相间平行排列的机械混合物)温度A相变层片间距HRCAr1~600℃A→P0.4mm20650℃~600℃A→S0.4~0.230600℃~550℃A→T0.240② 中温转变—贝氏体转变( 550℃~240℃ )A→ B (F+Fe3C),其中F具有一定过饱和度A→ B上(550℃~350℃ ）羽毛状Fe3C以较粗大片状分布在较宽的F片之间,易发生脆断 ,HRC=45 。

ttt曲线和cct曲线的异同点"TTT 曲线" 和"CCT 曲线" 是金相学（金属相变学）中用于描述材料相变行为的两种曲线。

它们分别代表了材料的时间-温度转变（Time-Temperature-Transformation，TTT）和连续冷却转变（Continuous Cooling Transformation，CCT）行为。

下面是它们之间的异同点：TTT 曲线（Time-Temperature-Transformation）：1.定义：•TTT 曲线表示在一定温度下，材料在不同时间内的相变情况。

它描述了在给定温度下，材料由一种相变为另一种相所需的时间。

2.测定条件：•TTT 曲线通常是在等温条件下绘制的，即在恒定的温度下观察相变的时间演变。

3.特点：•TTT 曲线的特点是包含明显的时间因素，可以用于预测材料的相变行为在不同时间尺度上的变化。

CCT 曲线（Continuous Cooling Transformation）：1.定义：•CCT 曲线表示在不同冷却速率下，材料在温度范围内的相变行为。

它描述了材料在不同冷却速率下的相变特性。

2.测定条件：•CCT 曲线通常是在连续冷却条件下绘制的，即材料从高温状态开始，通过不同的冷却速率迅速冷却到室温。

3.特点：•CCT 曲线更强调冷却速率对相变的影响，因此对于理解材料在实际制造过程中的相变行为更具有实际意义。

共同点：1.相变描述：•两者都用于描述材料的相变行为，特别是在固态相变中的表现。

2.热处理指导：•TTT 和CCT 曲线都对热处理工艺提供了有用的信息，帮助确定适当的处理参数以实现所需的性能。

3.金相学应用：•TTT 和CCT 曲线都是金相学和材料科学中的重要工具，用于研究和理解金属和合金的固态相变行为。

总体而言，TTT 和CCT 曲线提供了对材料在不同温度和冷却速率下的相变行为的详细了解，对于优化材料热处理工艺和预测性能至关重要。

材料加工测定实验一钢连续冷却转变图(CCT 曲线的测定一. 实验目的1. 了解钢的连续冷却转变图的概念及其应用;2. 了解钢的连续冷却转变图的测量方法特别是热膨胀法的原理与步骤;3. 利用热模拟仪观察钢在加热及冷却中的相变并测量临界点;4. 建立钢的连续冷却转变图(CCT 曲线。

二. 实验原理当材料在加热或冷却过程中发生相变时, 若高温组织及其转变产物具有不同的比容和膨胀系数, 则由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上, 破坏了膨胀量与温度间的线性关系, 从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。

这种根据试样长度的变化研究材料内部组织的变化规律的称为热膨胀法 (膨胀分析。

长期以来,热膨胀法已成为材料研究中常用的方法之一。

通过膨胀曲线分析,可以测定相变温度和相变动力学曲线。

钢的密度与热处理所得到的显微组织有关。

钢中膨胀系数由大到小的顺序为:奥氏体〉铁素体〉珠光体〉上、下贝氏体〉马氏体; 比容则相反, 其顺序是:马氏体〉铁素体〉珠光体〉奥氏体〉碳化物(但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体。

从钢的热膨胀特性可知, 当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时, 钢的体积将发生突变。

过冷奥氏体转变为铁素体、珠光体或马氏体时,钢的体积将膨胀;反之,钢的体积将收缩。

冷却速度不同,相变温度不同。

图 1-1为 40CrMoA 钢冷却时的膨胀曲线。

不同的钢有不同的热膨胀曲线。

图 1-140CrMoA 钢冷却时的膨胀曲线连续钢连续冷却转变 (ContinuousCooling Transformation 曲线图,简称 CCT 曲线, 系统地表示冷却速度对钢的相变开始点、相变进行速度和组织的影响情况。

钢的一般热处理、形变热处理、热轧以及焊接等生产工艺,均是在连续冷却的状态下发生相变的。

因此 CCT 曲线与实际生产条件相当近似,所以它是制定工艺时的有用参考资料。

根据连续冷却转变曲线, 可以选择最适当的工艺规范,从而得到恰好的组织, 达到提高强度和塑性以及防止焊接裂纹的产生等。

材料加工测定实验一钢连续冷却转变图（CCT曲线）的测定一．实验目的1．了解钢的连续冷却转变图的概念及其应用；2．了解钢的连续冷却转变图的测量方法特别是热膨胀法的原理与步骤；3．利用热模拟仪观察钢在加热及冷却中的相变并测量临界点；4．建立钢的连续冷却转变图（CCT曲线）。

二．实验原理当材料在加热或冷却过程中发生相变时，若高温组织及其转变产物具有不同的比容和膨胀系数，则由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系，从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。

这种根据试样长度的变化研究材料内部组织的变化规律的称为热膨胀法（膨胀分析）。

长期以来，热膨胀法已成为材料研究中常用的方法之一。

通过膨胀曲线分析，可以测定相变温度和相变动力学曲线。

钢的密度与热处理所得到的显微组织有关。

钢中膨胀系数由大到小的顺序为：奥氏体〉铁素体〉珠光体〉上、下贝氏体〉马氏体；比容则相反，其顺序是：马氏体〉铁素体〉珠光体〉奥氏体〉碳化物（但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体。

从钢的热膨胀特性可知，当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积将发生突变。

过冷奥氏体转变为铁素体、珠光体或马氏体时，钢的体积将膨胀；反之，钢的体积将收缩。

冷却速度不同，相变温度不同。

图1-1为40CrMoA钢冷却时的膨胀曲线。

不同的钢有不同的热膨胀曲线。

图1-1 40CrMoA钢冷却时的膨胀曲线连续钢连续冷却转变(Continuous Cooling Transformation)曲线图，简称CCT 曲线，系统地表示冷却速度对钢的相变开始点、相变进行速度和组织的影响情况。

钢的一般热处理、形变热处理、热轧以及焊接等生产工艺，均是在连续冷却的状态下发生相变的。

因此CCT曲线与实际生产条件相当近似，所以它是制定工艺时的有用参考资料。

根据连续冷却转变曲线，可以选择最适当的工艺规范，从而得到恰好的组织，达到提高强度和塑性以及防止焊接裂纹的产生等。

H13钢热处理工艺的优化王彦俊;李鹏伟;陈立超;刘兆伟;朱思哲【摘要】通过硬度、冲击韧性、抗拉强度、屈服强度以及金相等分析,研究了热处理工艺对模具材料H13钢组织与力学性能的影响.结果表明:H13钢经过预热处理后进行(1030 ～1050)℃×1d淬火,油冷,再进行(600～620)℃×1.5 d二次回火,可使硬度达到大型挤压模具设计要求(44 ～46)HRC,其组织更加稳定均匀,综合性能更佳.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】4页(P21-24)【关键词】H13钢;热处理工艺;力学性能【作者】王彦俊;李鹏伟;陈立超;刘兆伟;朱思哲【作者单位】辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳 111003【正文语种】中文【中图分类】TG162.42H13钢原是美国的一个钢种，在我国一般称作4Cr5MoSiV1钢，通常作为铝挤压模具用钢而被最广应用［1］。

H13钢之所以被广泛应用，是因为它具有以下特性:①高的淬透性和高的韧性;②优良的抗热裂能力;③中等耐磨损能力，可采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度;④在较高温度下具有抗软化能力;⑤热处理变形小;⑥良好的切削加工性能［2］。

本文对H13钢的热处理工艺及组织进行研究，目的是为了获得满足大型铝挤压模具所需的性能指标，最终以提高模具的使用寿命。

1 试验材料及方法试验采用的H13钢为广东某钢铁公司提供的，其化学成分如表1所示，符合标准要求［3］。

原始组织为粒状珠光体如图1所示，符合北美标准［4］。

表1 H13钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of H13 steel(wt%)C Si Mn Cr Mo P V S 0.40 0.90 0.41 5.10 1.44 0.008 0.95 －为了研究热处理工艺对H13钢组织和性能的影响，本试验采用不同淬火温度和回火温度，来确定对其力学性能、冲击韧性、显微组织等影响，并结合实际生产要求，模具钢热处理后硬度为44～46 HRC。

Cr5型热作模具钢的C-曲线及退火新工艺刘宗昌;计云萍【摘要】研究Cr5型热作模具钢的C-曲线和热处理工艺具有重要应用价值.本文综合阐述了H13,W350等钢的动力学转变图(TIT,CCT),并介绍了这类钢的扩散退火、球化退火新工艺,阐述了相关的组织转变机理及组织形貌.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】6页(P1-6)【关键词】热作模具钢;H13钢;W350钢;动力学曲线;临界点;退火工艺【作者】刘宗昌;计云萍【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TG156.220世纪前叶美国开发了H13钢，国际上广泛应用，但有一些缺点。

21世纪欧洲国家在H13钢基础上开发的W350、DH350、W302等新钢种，具有更好的工艺性能和使用性能。

目前在我国应用广泛和生产。

这类钢的成分大致相同，主加元素是Cr。

铬的平均含量均为5%，其他化学成分相近。

主要成分：0.32～4.0%C，4.8～5.5%Cr，0.2～1.0%Si，0.6～2.0%Mo，0.4～2.0W，0.5～1.0%V。

这类钢的特点是：1)中碳高合金钢；2)中铬，钨钼钢；3)以Cr、W、Mo、V合金化，提高热强性，耐磨性。

本文综合十多年来与一些企业的合作研究成果[1-4]，阐述了H13，DH350，W350等Cr5型热作模具钢的动力学曲线(TTT，CCT)和退火新工艺，论述了相关的组织形貌及其转变机理。

1 Cr5型热作模具钢的临界点及C-曲线1.1 H13钢的C-曲线和临界点图1为H13钢的CCT图。

H13钢的临界点为Ac1：850 ℃；Ms：340 ℃。

可见在高温区有一条先共析碳化物析出的阴影线，表示在连续冷却时易析出网状碳化物。

从该图可见H13钢的珠光体转变和贝氏体相变完全分离，在400～700 ℃范围内存在辽阔的海湾区，冷却时通过海湾区或在该温度区间等温较长时间不会发生过冷奥氏体的分解和转变。

基于H13钢水淬在线监测的热处理数值模拟优化张宇航，吴日铭（上海工程技术大学材料工程学院，上海201620）摘要：为准确预测厚度较厚的H13钢热处理过程中的温度场和淬火残余应力，对规格为φ300mm×350 mm的H13钢工件进行淬火实时温度监测，分别设置了位于芯部、亚表面（离外表面10mm）、1/3R（离圆心50mm）和2/3R（离圆心100mm）处的监测点。

考虑钢/水对流换热系数受沸腾条件和热辐射的影响，对对流换热系数h进行了优化。

结果表明各个温度监测点的试验结果与计算结果相符，证明经过优化后的对流换热系数可应用于大截面尺寸工件温度场的预测。

模拟工件淬火后的应力场并结合显微组织观察发现，淬火在750s前后出现芯部、表面最大的拉压峰值应力差，证明大尺寸工件淬火存在淬火危险期。

关键词：H13钢；温度场；残余应力；对流换热系数；沸腾中图分类号：TG161文献标识码：A文章编号：1001-2168（2021）03-0007-06DOI：10.16787/ki.1001-2168.dmi.2021.03.002Numerical simulation optimization of heat treatment based on real-time monitoring of H13steel during water quenchingZHANG Yu-hang,WU Ri-ming(School of Material Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620,China)Abstract:To accurately predict the temperature field and quenching residual stress of H13steel with large thickness during heat treatment,the quenching temperature of H13steel workpiece with φ300mm×350mm was real-time monitored.Four monitoring points were designed,which located at core,subsurface(10mm from the surface),1/3R(50mm from the core),and2/3R(100mm from the core)respectively.With the consideration of the convective heat transfer coefficient of steel/ water was affected by the boiling condition and thermal radiation,the convective heat transfer co⁃efficient h was optimized.The experimental results of each temperature monitoring point were in good agreement with the calculated results,indicating that the optimized convective heat transfer coefficient could be applied to the calculation of the temperature field of the workpiece with large cross section bined with the simulation of the stress field and the microstructure of the quenched workpiece,it was found that the maximum residual peak stress difference between the core and surface was appeared at750s after quenching.It proved that there was a quenching risk period for larg-size workpiece during quenching process.Key words:H13steel;temperature field;residual stress;convective heat transfer coefficient;boil⁃ing0引言模具钢淬火冷却[1]是一个复杂的过程，芯部的温度变化一直是模具钢热处理工艺研究的焦点和难点。

钢在热处理冷却时的组织转变相图只适用于缓慢冷却，而实际热处理则是以一定的冷却速度来进行的，所以出现C曲线。

一、A冷却C曲线转变温度与转变时间之间关系的曲线。

1. 等温冷却C曲线将钢急冷到临界温度以下某一温度，在此温度等温转变，在冷却过程中测绘出过冷A 等温转变图。

2.连续冷却C曲线将钢在连续冷却的条件下转变，此时测绘出的冷却二、等温冷却C曲线过冷A等温转变图可综合反映过冷A在不同过冷度下的等温转变过程，转变开始和终了时间，转变产物类型以及转变量与温度和时间的关系等，由于等温转变图通常呈“C”形状，所以也称C曲线，另外还称TT T图，现以共析钢为例来说明TTT图的建立.1.相图的建立①把钢材制成Φ10×1.5mm的圆片试样,分成若干组②取一组试样,在盐炉内加热使之A化.③将A化后的试样快速投入 A1 以下某一温度的浴炉中进行等温转变④每隔一定时间取出一个试样急速淬入水中,而后将各试样取出制样,进行组织观察.当在显微镜下观察发现某一试样刚出现灰黑色产物时,所对应的等温时间就是A开始转变时间,到某一试样未有M出现时，所对应的时间为转变终了时间。

共析碳钢等温转变图（C曲线）将其余各组试样，用上述方法,分别测出不同等温条件下A转变开始和终了时间,最后将所有转变开始时间点和终了时间点标在温度、时间(对数)坐标上,并分别连接起来,即得C曲线.2. 图形分析3. 等T转变特点①过冷到A1以下的A处于不稳定状态,但不立即转变,而要经过一段时间才开始转变,称为孕育期。

孕育期越长,过冷A越稳定,反之,则越不稳定。

②鼻点:550℃最不稳定,转变速度最快③ C形状原因过冷度和原子扩散为两个制约因素在A1~ 550℃区间,随过冷度增大,原子扩散较快,转变速度较快。

550℃以下,随过冷度增大,原子扩散速度越来越慢,因而转变速度减慢。

4. 相变特点①高温转变-- P转变(Ar1~ 550)A→F+Fe3C(片层相间平行排列的机械混合物)温度A相变层片间距HRCAr1~600℃A→P0.4mm20650℃~600℃A→S0.4~0.230600℃~550℃A→T0.240②中温转变—贝氏体转变( 550℃~240℃ )A→ B (F+Fe3C),其中F具有一定过饱和度A→ B上(550℃~350℃）羽毛状Fe3C以较粗大片状分布在较宽的F片之间,易发生脆断 ,HRC=45 。

Gleeble测定钢的CCT连续冷却转变曲线2009-6-81.设备简介T实验• 2.1 软件简介• 2.2试样组装• 2.3观察实验过程• 2.4 实验结果分析3.相变取点的方法1.设备简介•Dynamic Systems Inc.（DSI）50年来一直在热模拟技术开发方面处于世界领先地位。

其最著名的是GLEEBLE热模拟机。

•该热模拟机为冶金领域的科研开发提供了一种高效的手段。

它可用于连铸、固液两相区加工、热加工、CCT/TTT，热处理包括板带连续退火及焊接工艺过程模拟研究。

•通过热模拟、新材料的开发和冶金过程工艺的改进可在实验室内进行，并可将结果直接应用到现场生产中。

这将大大地降低了新材料、新工艺开发的成本，并提高了效率，缩短了新产品、新技术开发的周期。

⒉CCT实验•Gleeble1500D热模拟机可以测定连续冷却转变曲线，从而确定在不同的热处理工艺下微观组织变化的情况。

2.1软件简介•DSI开发了一种软件包，用在WINDOWS下，允许使用者设计连续冷却转变曲线。

这个程序被称为连续冷却转变曲线设计软件（CCT）。

•CCT驱动程序在QUIKSIM软件中编制，实验开始时运行即可，例：实验的冷却速度为10度/秒,加热速度为20度/秒，奥氏体化温度为950度，保温1分后开始冷却。

2.2 试样组装•将试样先用热电偶焊丝用微型焊接机焊好，热电偶焊丝用于测量所需的实验参数，然后用铜制夹头夹好试样，放入实验机内，再用卡具卡紧，最后拧紧固定，以保证加热时接触良好、导电稳定，再用CCT膨胀仪卡住试样中心大加热部位，最后启动QICKSIM下已编好的CCT程序，运行实验。

•因采用电阻加热，试样表面的温度和样品中心的温度可达到一致，且加热能力强；这种在快速加热和冷却条件下仍能保持试样横截面的均温特性使得Gleeble 在相变测试中更为准确和容易地测量相转变点，绘制CCT曲线。

2.3 观察实验过程•实验运行前要对膨胀量进行归零处理，为防止加热过程中氧化铁皮的生成，要进行抽真空处理。