化學(xué)成分對一種水輪機(jī)用鋼強(qiáng)度影響的模擬研究

郭秋娟　張海峰

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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化學(xué)成分對一種水輪機(jī)用鋼強(qiáng)度影響的模擬研究

郭秋娟張海峰

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要：利用材料模擬軟件JMatPro模擬了近百種不同合金成分的水輪機(jī)用材料在碳當(dāng)量為0.48%的情況下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化情況。得到了在碳當(dāng)量一定的情況下，不同的化學(xué)元素C、Mn、Mo、V、Cr、Si和微量元素B等對材料強(qiáng)度的影響規(guī)律，為水電產(chǎn)品鍛件的生產(chǎn)制造提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ASTM A 668 CLE鋼；化學(xué)成分；碳當(dāng)量；強(qiáng)度；材料模擬

ASTM A 668材料是用于水輪機(jī)關(guān)鍵大型部件制造的通用材料，主軸、推力頭、上端軸等鍛件均是采用這種材料。水輪機(jī)工作過程中主要有四項(xiàng)力特性參數(shù)[1]。隨著發(fā)動機(jī)組越來越大型化，對材料性能的要求越來越高，既要求有高的強(qiáng)度和韌性，還要考慮焊接對材料碳當(dāng)量的要求。常規(guī)成分的鍛件雖經(jīng)過很多熱處理及鍛造等方面的工藝改進(jìn)，但其性能還是很難滿足產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。所以從根本上改進(jìn)鍛件的化學(xué)成分成為解決問題的重要方法。而材料中各種化學(xué)成分及碳當(dāng)量對材料強(qiáng)度的影響非常復(fù)雜，需要大量系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究。

JMatPro是金屬材料相圖計(jì)算及材料性能模擬軟件，能預(yù)測材料各種性能，輔助科研人員進(jìn)行熱處理與焊接工藝設(shè)計(jì)。它以強(qiáng)大而穩(wěn)定的熱力學(xué)模型、熱力學(xué)數(shù)據(jù)為核心技術(shù)和計(jì)算基礎(chǔ)。所有物理模型的建立都經(jīng)過了廣泛的驗(yàn)證，以確保材料性能計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，JMatPro運(yùn)算速度非?？欤瑥亩梢源罅抗?jié)省項(xiàng)目時(shí)間與實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

基于以上情況，本文通過JMatPro軟件模擬計(jì)算，在碳當(dāng)量不變的情況下(鍛件要求的碳當(dāng)量為0.48%)研究了幾種主要化學(xué)成分對材料強(qiáng)度的影響規(guī)律，為水電產(chǎn)品鍛件的生產(chǎn)制造提供理論依據(jù)。

1材料成分

表1列入了應(yīng)用廣泛并且性能要求比較高的一種水輪機(jī)用鋼ASTM A 668 CLE的化學(xué)成分要求。

表1　ASTM A 668 CLE鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition of ASTM A 668 CLE steel (mass fraction,%)

2模擬條件及方法

以ASTM A 668標(biāo)準(zhǔn)、某用戶公司標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外生產(chǎn)資料為依據(jù)，制定出設(shè)計(jì)材料成分的原則。

(1)以Ceq=0.48%為前提，通過碳當(dāng)量公式Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，不斷調(diào)整材料中各種合金元素含量，特別是其中對碳當(dāng)量有貢獻(xiàn)的Cr、Mo、V、Ni等合金元素，同時(shí)適當(dāng)添加Si、Cu、B、Nb等元素。

(2)根據(jù)用戶標(biāo)準(zhǔn)及ASTM A 668標(biāo)準(zhǔn)，材料設(shè)計(jì)時(shí)將Mn含量上限分為2個(gè)等級，分別為0.9%和1.35%。

(3)其它計(jì)入碳當(dāng)量公式的元素含量(如：Cr、Mo、V、Ni)的確定原則：考慮單獨(dú)添加某種合金元素時(shí)對材料強(qiáng)度的影響；考慮同時(shí)添加幾種合金元素時(shí)對材料強(qiáng)度的影響。

(4)其它不計(jì)入碳當(dāng)量公式的元素：Si含量分別為0、0.35%、0.8%，Nb、Ti、B等可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)含量確定一種，Cu含量為0.2%、0.4%。

根據(jù)以上原則，設(shè)計(jì)了近百種不同合金成分的材料在碳當(dāng)量為0.48%情況下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化情況。根據(jù)真空冶煉的小鋼錠測得的材料ASTM A 668 CLE的各項(xiàng)參數(shù)，如Ac1為742℃，Ac3為840℃，CCT圖，晶粒長大傾向等[2]，確定了數(shù)值模擬的條件，即在同一熱處理狀態(tài)下，選擇的淬火溫度為900℃，冷卻速度為0.2℃/s，晶粒度為6.0級。

3模擬結(jié)果及分析

3.1C和Mn元素的影響

為了比較這兩種元素對材料強(qiáng)度的影響，除含有0.005%的P、0.003%的S外，其余合金元素都設(shè)定為0。Mn元素對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖1所示。從圖1可以看出，Mn元素對材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律相同。當(dāng)碳當(dāng)量含量一定時(shí)，材料強(qiáng)度隨著Mn含量的增加先提高后降低，并當(dāng)Mn含量為0.9%時(shí)，材料強(qiáng)度達(dá)到峰值。反之，當(dāng)碳當(dāng)量(Ceq=0.48%)一定時(shí)，材料強(qiáng)度隨著C含量的降低先提高后降低，并當(dāng)C含量為0.33%時(shí)，材料強(qiáng)度達(dá)到峰值。

3.2Cr元素的影響

通過適當(dāng)?shù)慕档虲含量和Mn含量以增加Cr含量，利用JMatPro模擬時(shí)，C含量為0.2%，Mn含量逐漸降低，Cr含量對材料強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，當(dāng)Mn含量≥0.9%時(shí)，隨著Cr含量的提高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本沒有變化，即Cr和Mn元素對材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)基本相同；但當(dāng)Mn含量≤0.9%時(shí)，隨著Cr含量的提高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會急劇降低。

3.3Mo元素的影響

圖1　Mn含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (僅含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%)

圖2　Cr含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (C=0.2%，Mn變化，Ceq=0.48%)Figure 2　Influence of Cr content on strength of material ASTMA 668 (C=0.2%, Mn content changes,Ceq=0.48%)

圖3　Mo含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (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%)

材料中通過適當(dāng)降低C含量和Mn含量以提高M(jìn)o含量，Mo含量對材料強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，當(dāng)提高M(jìn)o含量≥0.25%時(shí)，隨著Mo含量的提高，材料強(qiáng)度急劇增加；當(dāng)Mo含量為0.65%～0.95%時(shí)，材料強(qiáng)度處于峰值；當(dāng)Mo含量為0.8%時(shí)，材料強(qiáng)度反而下降，這是由于材料設(shè)計(jì)時(shí)Mn含量低于0.9%(設(shè)計(jì)含量為0.72%)；當(dāng)Mo含量繼續(xù)提高時(shí)，強(qiáng)度會急劇降低。因此，Mo含量成分范圍為0.65%～0.95%時(shí)，材料強(qiáng)度性能處于較高水平。

3.4V元素的影響

材料中通過適當(dāng)降低C含量和Mn含量以提高V含量，V含量對材料強(qiáng)度的影響如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，材料中增加少量V元素即可強(qiáng)烈提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)V含量為0.25%時(shí)，材料的強(qiáng)度達(dá)到峰值。

3.5Ni元素的影響

通過適當(dāng)降低C含量和Mn含量以增加Ni含量，利用JMatPro模擬時(shí)，Mn含量為0.9%，C含量逐漸降低。Ni含量對材料強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，Ni含量對材料ASTM A 668的強(qiáng)度影響不大。

3.6Si和Cu元素的影響

利用JMatPro模擬時(shí)，C含量0.25%，Mn含量1.35%，Si含量對材料的強(qiáng)度影響如圖6所示。由圖6可知，增加Si含量可以提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)。

圖4　V含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (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%)

圖5　Ni含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (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%)

圖6　Si含量對ASTM A 668材料強(qiáng)度的影響 (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　材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2　Chemical composition of material A,B,C,D(mass fraction,%)

圖7　四種材料在添加微量元素前后的強(qiáng)度對比圖Figure 7　Comparison of four kinds of materials strength before and after adding the trace elements

與Si元素相似，當(dāng)材料中Cu含量較低的情況下，隨著Cu含量的增加，材料強(qiáng)度指標(biāo)上升。

3.7微量元素B、Nb、Ti的影響

模擬了在保持碳當(dāng)量一定(Ceq=0.48%)情況下，4種不同化學(xué)成分組合的材料(如表2)在加入少量微量元素(其中B=0.000 3%，Ti=0.02%，Nb=0.02%)前后的強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，添加少量微量元素可同時(shí)提高材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，此結(jié)論

與資料[3-4]描述也相符。

4結(jié)論

(1)在滿足碳當(dāng)量一定(Ceq=0.48%)的前提下，得到了各種化學(xué)元素C、Mn、Cr、Ni、Mo、V對ASTM A 668材料的強(qiáng)度性能的影響規(guī)律，為水電產(chǎn)品鍛件的生產(chǎn)制造提供了理論依據(jù)。

(2)當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，Ni含量對材料ASTM A 668的強(qiáng)度影響不大。

(3)增加Si、Cu含量可以提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)。

(4)材料中增加少量B、Nb、Ti元素可提高材料的強(qiáng)度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]秦澤浚.大電機(jī)與水輪機(jī)制造.東方電機(jī)廠教育委員會.1992(7): 45.

[2]張海峰，張國利，滕毅.ASTM A 668 CLE材料熱處理工藝試驗(yàn)[J].大型鑄鍛件,2010(4): 21-22.

[3]GB/T 1591—2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].

[4]劉碩.微合金化元素對低合金高強(qiáng)鋼焊縫及熱影響區(qū)組織性能的影響[J].世界鋼鐵，2014(1)：64-70.

編輯杜青泉

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

作者簡介：郭秋娟(1982—)，女，碩士，工程師，主要從事材料檢測與科研研究。電話：13820957433，E-mail:guoqiujuan84@163.com

中圖分類號：TG113.25+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B