化学成分对一种水轮机用钢强度影响的模拟研究

郭秋娟　张海峰

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)



化学成分对一种水轮机用钢强度影响的模拟研究

郭秋娟张海峰

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

摘要：利用材料模拟软件JMatPro模拟了近百种不同合金成分的水轮机用材料在碳当量为0.48%的情况下的屈服强度和抗拉强度的变化情况。得到了在碳当量一定的情况下，不同的化学元素C、Mn、Mo、V、Cr、Si和微量元素B等对材料强度的影响规律，为水电产品锻件的生产制造提供了理论依据。

关键词：ASTM A 668 CLE钢；化学成分；碳当量；强度；材料模拟

ASTM A 668材料是用于水轮机关键大型部件制造的通用材料，主轴、推力头、上端轴等锻件均是采用这种材料。水轮机工作过程中主要有四项力特性参数[1]。随着发动机组越来越大型化，对材料性能的要求越来越高，既要求有高的强度和韧性，还要考虑焊接对材料碳当量的要求。常规成分的锻件虽经过很多热处理及锻造等方面的工艺改进，但其性能还是很难满足产品技术条件的要求。所以从根本上改进锻件的化学成分成为解决问题的重要方法。而材料中各种化学成分及碳当量对材料强度的影响非常复杂，需要大量系统的理论与试验研究。

JMatPro是金属材料相图计算及材料性能模拟软件，能预测材料各种性能，辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计。它以强大而稳定的热力学模型、热力学数据为核心技术和计算基础。所有物理模型的建立都经过了广泛的验证，以确保材料性能计算的准确性。另外，JMatPro运算速度非常快，从而可以大量节省项目时间与实验费用。

基于以上情况，本文通过JMatPro软件模拟计算，在碳当量不变的情况下(锻件要求的碳当量为0.48%)研究了几种主要化学成分对材料强度的影响规律，为水电产品锻件的生产制造提供理论依据。

1材料成分

表1列入了应用广泛并且性能要求比较高的一种水轮机用钢ASTM A 668 CLE的化学成分要求。

表1　ASTM A 668 CLE钢化学成分(质量分数，%)Table 1　Chemical composition of ASTM A 668 CLE steel (mass fraction,%)

2模拟条件及方法

以ASTM A 668标准、某用户公司标准以及国内外生产资料为依据，制定出设计材料成分的原则。

(1)以Ceq=0.48%为前提，通过碳当量公式Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，不断调整材料中各种合金元素含量，特别是其中对碳当量有贡献的Cr、Mo、V、Ni等合金元素，同时适当添加Si、Cu、B、Nb等元素。

(2)根据用户标准及ASTM A 668标准，材料设计时将Mn含量上限分为2个等级，分别为0.9%和1.35%。

(3)其它计入碳当量公式的元素含量(如：Cr、Mo、V、Ni)的确定原则：考虑单独添加某种合金元素时对材料强度的影响；考虑同时添加几种合金元素时对材料强度的影响。

(4)其它不计入碳当量公式的元素：Si含量分别为0、0.35%、0.8%，Nb、Ti、B等可根据实际生产含量确定一种，Cu含量为0.2%、0.4%。

根据以上原则，设计了近百种不同合金成分的材料在碳当量为0.48%情况下的屈服强度和抗拉强度的变化情况。根据真空冶炼的小钢锭测得的材料ASTM A 668 CLE的各项参数，如Ac1为742℃，Ac3为840℃，CCT图，晶粒长大倾向等[2]，确定了数值模拟的条件，即在同一热处理状态下，选择的淬火温度为900℃，冷却速度为0.2℃/s，晶粒度为6.0级。

3模拟结果及分析

3.1C和Mn元素的影响

为了比较这两种元素对材料强度的影响，除含有0.005%的P、0.003%的S外，其余合金元素都设定为0。Mn元素对ASTM A 668材料强度的影响规律如图1所示。从图1可以看出，Mn元素对材料屈服强度和抗拉强度的影响规律相同。当碳当量含量一定时，材料强度随着Mn含量的增加先提高后降低，并当Mn含量为0.9%时，材料强度达到峰值。反之，当碳当量(Ceq=0.48%)一定时，材料强度随着C含量的降低先提高后降低，并当C含量为0.33%时，材料强度达到峰值。

3.2Cr元素的影响

通过适当的降低C含量和Mn含量以增加Cr含量，利用JMatPro模拟时，C含量为0.2%，Mn含量逐渐降低，Cr含量对材料强度的影响如图2所示。由图2可知，当碳当量一定时，当Mn含量≥0.9%时，随着Cr含量的提高，材料的屈服强度和抗拉强度基本没有变化，即Cr和Mn元素对材料强度的贡献基本相同；但当Mn含量≤0.9%时，随着Cr含量的提高，材料的屈服强度和抗拉强度会急剧降低。

3.3Mo元素的影响

图1　Mn含量对ASTM A 668材料强度的影响 (仅含C、Mn元素，Ceq=0.48%)Figure 1　Influence of Mn content on strength of material ASTM A 668 (Only including C and Mn,Ceq=0.48%)

图2　Cr含量对ASTM A 668材料强度的影响 (C=0.2%，Mn变化，Ceq=0.48%)Figure 2　Influence of Cr content on strength of material ASTMA 668 (C=0.2%, Mn content changes,Ceq=0.48%)

图3　Mo含量对ASTM A 668材料强度的影响 (C、Mn降低，Ceq=0.48%)Figure 3　Influence of Mo content on strength of material ASTM A 668 (C and Mn contents reducing,Ceq=0.48%)

材料中通过适当降低C含量和Mn含量以提高Mo含量，Mo含量对材料强度的影响如图3所示。由图3可知，当碳当量一定时，当提高Mo含量≥0.25%时，随着Mo含量的提高，材料强度急剧增加；当Mo含量为0.65%～0.95%时，材料强度处于峰值；当Mo含量为0.8%时，材料强度反而下降，这是由于材料设计时Mn含量低于0.9%(设计含量为0.72%)；当Mo含量继续提高时，强度会急剧降低。因此，Mo含量成分范围为0.65%～0.95%时，材料强度性能处于较高水平。

3.4V元素的影响

材料中通过适当降低C含量和Mn含量以提高V含量，V含量对材料强度的影响如图4所示。由图4可知，当碳当量一定时，材料中增加少量V元素即可强烈提高材料的强度指标。当V含量为0.25%时，材料的强度达到峰值。

3.5Ni元素的影响

通过适当降低C含量和Mn含量以增加Ni含量，利用JMatPro模拟时，Mn含量为0.9%，C含量逐渐降低。Ni含量对材料强度的影响如图5所示。由图5可知，当碳当量一定时，Ni含量对材料ASTM A 668的强度影响不大。

3.6Si和Cu元素的影响

利用JMatPro模拟时，C含量0.25%，Mn含量1.35%，Si含量对材料的强度影响如图6所示。由图6可知，增加Si含量可以提高材料的强度指标。

图4　V含量对ASTM A 668材料强度的影响 (C、Mn降低，Ceq=0.48%)Figure 4　Influence of V content on strength of material ASTM A 668 (C and Mn content reducing,Ceq=0.48%)

图5　Ni含量对ASTM A 668材料强度的影响 (Mn=0.9%，C降低，Ceq=0.48%)Figure 5　Influence of Ni content on strength of material ASTM A 668(Mn=0.9%, C content reducing,Ceq=0.48%)

图6　Si含量对ASTM A 668材料强度的影响 (C=0.25%，Mn=1.35%，Ceq=0.48%)Figure 6　Influence of Si content on strength of material ASTM A 668(C=0.25%,Mn=1.35%,Ceq=0.48%)

表2　材料的化学成分(质量分数，%)Table 2　Chemical composition of material A,B,C,D(mass fraction,%)

图7　四种材料在添加微量元素前后的强度对比图Figure 7　Comparison of four kinds of materials strength before and after adding the trace elements

与Si元素相似，当材料中Cu含量较低的情况下，随着Cu含量的增加，材料强度指标上升。

3.7微量元素B、Nb、Ti的影响

模拟了在保持碳当量一定(Ceq=0.48%)情况下，4种不同化学成分组合的材料(如表2)在加入少量微量元素(其中B=0.000 3%，Ti=0.02%，Nb=0.02%)前后的强度的变化，结果如图7所示。从图7可以看出，添加少量微量元素可同时提高材料的屈服强度和抗拉强度，此结论

与资料[3-4]描述也相符。

4结论

(1)在满足碳当量一定(Ceq=0.48%)的前提下，得到了各种化学元素C、Mn、Cr、Ni、Mo、V对ASTM A 668材料的强度性能的影响规律，为水电产品锻件的生产制造提供了理论依据。

(2)当碳当量一定时，Ni含量对材料ASTM A 668的强度影响不大。

(3)增加Si、Cu含量可以提高材料的强度指标。

(4)材料中增加少量B、Nb、Ti元素可提高材料的强度指标。

参考文献

[1]秦泽浚.大电机与水轮机制造.东方电机厂教育委员会.1992(7): 45.

[2]张海峰，张国利，滕毅.ASTM A 668 CLE材料热处理工艺试验[J].大型铸锻件,2010(4): 21-22.

[3]GB/T 1591—2008低合金高强度结构钢[S].

[4]刘硕.微合金化元素对低合金高强钢焊缝及热影响区组织性能的影响[J].世界钢铁，2014(1)：64-70.

编辑杜青泉

Simulation Research on Influence of Chemical Composition on Strength of Steel Used for Hydraulic Turbine

Guo Qiujuan,Zhang Haifeng

Abstract：By adopting the material simulation software JMatPro,when the carbon equivalent is 0.48%,the changes of yield strength and tensile strength for nearly hundred kinds of material with different alloy content used for hydraulic turbine have been simulated.The influence rule of different chemical elements such as,C,Mn,Mo,V,Cr,Si and B on the strength of material under a certain carbon equivalent has been obtained,so as to provide the theoretical basis for manufacturing the forgings used for hydro power.

Key words：ASTM A 668 CLE steel;chemical composition;carbon equivalent;strength;material simulation

收稿日期：2016—02—22

作者简介：郭秋娟(1982—)，女，硕士，工程师，主要从事材料检测与科研研究。电话：13820957433，E-mail:guoqiujuan84@163.com

中图分类号：TG113.25+1

文献标志码：B