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硅钢的织构及对磁性能的影响
摘要:本文将介绍硅钢的织构和织构对磁性性能的影响,重点在于:采用织构ODF分析方法,研究了四种无取向硅钢的织构组分及织构分布。讨论了钢板的织构类型及其均匀性对硅钢电磁性能的影响,并对成品厚度,晶粒取向硅钢,低牌号冷轧无取向硅钢以及无取向硅钢退火织构这几种代表性硅钢形态的演变与磁性能关系的研究
关键词 晶拉取向硅钢 硅钢 炽构 磁性性能
0 引言
硅钢的电磁性能主要取决于化学成分、钢质纯净度、夹杂物状态、再结晶组织及各织构组分的强度。对前四个因素的研究相对较为成熟,并已应用于工业生产中。利用织构分析手段和理论研究冷轧无取向硅钢织构形成和演变规律的工作尚不充分。织构分布及各组分强度对冷轧无取向硅钢的磁性能具有显著影响,无取向硅钢理想的织构组分为{100}<uvw>,目前在商业上还不能低成本获得这种织构。
本文利用现代织构分析手段,宏观上定量描述无取向硅钢退火工艺参数对连续退火织构演变的影响,分析了织构与磁性能的关系,利用织构分析试样得到的有关结构参数C系数的信息,模拟了无取向电工钢的磁晶各向异性能,为冷轧无取向硅钢的技术开发和创新提供理论参考。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
材料源于国产50W600硅钢的热轧带钢,其成分和热轧工艺见表l所示。表中SRT为板坯再加热温度,Fr为终轧温度,CT为卷取温度。
1.2 织构测定
测定热轧试样、冷轧压下8l% 试样及表1中各退火试样表面层的{110},{200},{112}不完整极图,并计算取向布函数ODF(Ofentation distributionfunction)。织构检测设备参数:Bruker AXS :D8GADDS;Co靶;电压35kV;电流30mA;光阑尺寸0.8mm;采用反射法测量;测量范围:a:0o~80o;80o~360o。[1]
2 结果与讨论
2.1 再结晶过程中织构演变的取向线分析
图1 冷轧无取向电工钢再结晶织构取向密度
从图1(a)可以看出,No.2、No.3、No.4、No.5号试件退火后a线取向密度与冷轧样比较均降低,图1(b)中线{111}<110>的取向密度与冷轧样比较均有所降低,而{111}<112>的取向密度与冷轧样比较均有所增加。随退火温度与保温时间的不同,a取向线以(0o,20o,45o)取向为主,取向密度在4~5.6之间变化,其余取向{100}<O11>、{111}<O11>、{211}<O11>及{O11}<O11>的取向密度均在1~2.8范围内波动。 取向线随退火温度与保温时间的不同,{111}<110>的取向密度1~3.5之间变化,{111}<112>的取向密度在7~l2之间变化。冷轧试样的{100}<O11>织构组分是稳定的织构组分,具有这种位向的冷轧a晶粒具有较低的形变能,因此退火时以原位再结晶的方式保留了部分{100}<O11>取向,而退火时其它位向的冷轧晶粒再结晶后转变为以{111}<112>及{111}<110>为主的且相对稳定再结晶取向。退火No.5号试件,880oC加热,保温3~5min,退火后{111}<112>、{111}<O11>织构取向密度分别达到了l2、3.2的较高水平,其它试件分别由于退火温度高或保温时间短,使得退火后{111}<112>及{111}<O11>织构密度较弱。造成上述织构差别的原因是由于在冷轧样中存在有剪切带,在冷轧样中变形晶粒的{111}<112>取向易形成剪切带,剪切带区域变形储存能高是再结晶的优先形核位置,再结晶形核首先在变形储存能高的区域发生,剪切带对再结晶织构形成起了重要作用。因此,在冷轧样中变形晶粒的{111}<112>组分虽然较低,由于其处于优先形核地位,在其他取向的晶粒还没有形核的条件下已经大量形核,最终使得{111}<112>组分占优,而且退火温度较低,保温时间长,这种趋势越明显。
2.2 无取向电工钢织构演变与电磁性能关系



1楼2011-03-11 00:26回复
    图2示出 ψ1。截面中的重要取向,其中 ψ1=0o截面中重要取向为α(0o,0o~90o,45o)取向线上几个取向、立方取向{100}<OO1)及戈斯取向{110}<001>。α取向线表示各晶粒的<O11>晶向平行轧向的取向分布。ψ1=900截面中重要取向为α(0o~90o,55o,45o)取向线上的{111}<112>取向,γ取向线表示各晶粒的<111>晶向平行法向的取向分布[2]。
    图2 在(a)ψ1=0o 和(b)ψ1=90o截面中的重要晶体取向
    图3为热带、81%压下率冷轧试件(表2中No.2号及No.1号试件)表面的ODF结果。
    图3 50W600钢不同状态下 ψ1=0o、90o的ODF截面
    由图3(a)中可看出,热轧试样的织构分布在。ψ1=0o和ψ1=9o。截面织构密度比较低,不存在{100}<O11>织构,可以认为随机织构。由热轧态经6道次变形81% ,织构由图3(a)演变为图3(b)所示结果。图3(b)中 ψ1=0o截面的晶粒大部分聚集在{211}<O11>和{100}<O11>附近,旋转立方织构{100}<O11>取向密度高达12,最强的织构组分为{211}<O11>,其密度水平达14,图3(b) ψ1=90o截面有较强的{001}<110>和{110}<001>>织构,其中{001}<110>密度水平高达12,ψ1=90o截面织构相对于ψ1=0o截面织构密度较弱。图3(c)、(d)No.2号及No.1号样分别采用在900℃ 、850℃加热,经过2.5min到3min保温后水冷。ψ1=0o、ψ1=90o截面ODF图。其中图3(d)ψ1=0o、ψ1=90o截面的ODF图,由于退火温度较低,织构类型较丰富,较强的{100}纤维织构,即晶粒取向在ψ1=0o附近了较多的形变织构,如{100}<O11>、{111}<O11>织构,其中有利的立方织构{100}<001>和旋转立方织构{100}<O11>密度水平达到4和2,不利织构{111}<112>密度较小仅为2o在{100}晶面上有两个易磁化轴:[010]晶向和[001]晶向,图3(d)试样有较高的{100}<uvw>面织构,使铁损Pb 和P15降低。此外,织构也是影响电工钢磁感应强度B25和B50 的主要因素之一,理想的晶体织构为{100}<uvw>面织构,因为它是各向同性而且难磁化方向<111>不在轧面上,由理论公式推导的结论为:按[100]和[111]单晶体的B25 值计算出的理想{100}<uvw >面织构具有最高的B25[3]所以图3(d)试样可获得较高磁感应强度。图3(C)退火温度较高,ψ1=0o截面ODF图与退火前变形织构图3(b)比较部分织构消失而没继承,晶粒取向在ψ1=0o附近没有聚集,取向密度较小,有利织构只有极少的旋转立方织构{100}<O11>而无立方织构{100}<001>,在 ψ1=900截面ODF图,形成较强的}111}<112>织构,其密度水平高达8o,强的{111}<112>织构将使B25严重降低。总体来说,退火温度较低的试样(如图3(d)),其{100}<uvw>织构占有率达到了较高水平,应有较高的电磁性能;而如图3(c)试样由于退火温度较高,其{100}<uvw>织构占有率与图3(d)相比较低,仅在ψ1=0o截面有极小区域的{100}<011>织构,密度水平仅为2o表明较低的退火温度有助于提高冷轧无取向硅钢理想{100}<uvw>织构的占有率。聚集,保持了较多的形变织构,如{100}<O11>、{111}<O11>织构,其中有利的立方织构{100}<001>和旋转立方织构{100}<O11>密度水平达到4和2,不利织构{111}<112>密度较小仅为2o在{100}晶面上有两个易磁化轴:[010]晶向和[001]晶向,图3(d)试样有较高的{100}<uvw>面织构,使铁损Pb 和P15降低。此外,织构也是影响电工钢磁感应强度B25和B50 的主要因素之一,理想的晶体织构为{100}<uvw>面织构,因为它是各向同性而且难磁化方向<111>不在轧面上,由理论公式推导的结论为:按[100]和[111]单晶体的B25 值计算出的理想{100}<uvw >面织构具有最高的B25,所以图3(d)试样可获得较高磁感应强度。图3(c)退火温度较高,ψ1=0o截面ODF图与退火前变形织构图3(b)比较部分织构消失而没继承,晶粒取向在ψ1=0o附近没有聚集,取向密度较小,有利织构只有极少的旋转立方织构{100}<O11>而无立方织构{100}<001>,在 


    2楼2011-03-11 00:26
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      ψ1=90o截面ODF图,形成较强的}111}<112>织构,其密度水平高达8,强的{111}<112>织构将使B25严重降低。总体来说,退火温度较低的试样(如图3(d)),其{100}<uvw>织构占有率达到了较高水平,应有较高的电磁性能;而如图3(c)试样由于退火温度较高,其{100}<uvw>织构占有率与图3(d)相比较低,仅在ψ1=0o截面有极小区域的{100}<011>织构,密度水平仅为2o表明较低的退火温度有助于提高冷轧无取向硅钢理想{100}<uvw>织构的占有率[4]。
      3 晶粒取向硅钢织构控制方法
      下面将简要介绍晶粒取向硅钢织构控制的历史背景和目前的发展水平,并提出和论述织构控制技术取得突破性进展所遇到的障碍,以对改善取向硅钢性能的各种方法有个更好的了解。本文提出的观点是,微观组织不均匀是二次再结晶的必要条件,因为一个特定晶粒在均匀基体中是难以独自生长的。析出物在晶粒度、择优取向、密度和形态等方面存在局部非均质并且在微观组织中存在最优延伸,是尖锐{110)<001>择优取向在二次再结晶中形成所必须的条件。
      3.1 织构形成机理研究方法的进步
      取向测量作为统计量也具有了意义。在统计上织构被认为在整个材料中是一致的,然而,在许多重要的场合有必要考虑到织构中非均质的出现,尤其对于晶粒取向硅钢而官。能量弥散X线衍射技术可从几个衍射面快速获得衍射强度,用它能够绘制出相当大面积的局部织构形貌图。再结晶动力学的差异促使了择优取向的形成。用X射线宏观检验法跟踪个体织构组份的再结晶过程,通过能量弥散X线衍射术和同步加速器白束X线形貌术,现场动态观察到一次和二次再结晶的发展过程 。
      3.1.2 冷轧和再结晶中的取向变化
      2O世纪5O年代和6O年代,对硅铁单晶性多晶材料中的织构控制,首先要弄傲单晶织构形成的机理。晶粒在薄板中易于生长,控制单晶的取向也较为容易,因此选择硅铁作为再结晶和织构基础研究的材料是再合适不过的了。另外,有了明确的取向形成的起点,有利于将变形和再结晶中的取向变化关联起来,也有利于观察初期的晶粒生长。冷轧中各种结晶取向倾向于聚合为稳定的取向,形成两种纤维状组织:(1)稳定的(001)<110>取向组份,扩展至<110>轧向的周围,延伸至包涵(110)<001>;(2)随与板材正轴平行的<111>轴连续扩展的组织。
      取向成核与取向生长这两种机理中,谁控制一次再结晶组织的形成,这是单晶研究中的主要问题之一。在再结晶组织中,检查了变形基体与再结晶晶粒之间在围绕特定晶轴转动方面的取向关系。这些单晶研究与对晶界移动性取向依赖度的测量,使注意力集中到一次再结晶生长期是织构的控制阶段上面来。
      许多迹象表明,晶界移动性取决于其取向偏差。为晶粒生长建立了有利的取向关系,一定的特殊晶界具有高于平均的移动性。从原理上说,这可以促使再结晶晶粒生成,满足与变形基体(其生长环境)的某些取向关系。这些关系与绕体心立方金属公共<110>轴2Oo至3Oo的取向偏差相符。这些<110>旋转被认为是选择性生长关系,但它们也是错误取向,可能由变形和恢复过程中的位错壁产生[5]。
      单晶的研究成果必须转化到多晶体上,才具有实际意义。但对于再结晶组织来说这种转化并非总是有效,因为只有当两种材料中的变形织构和变形基体组织相同时,多晶体与单晶的再结晶行为才相似。一般来说,由于织构的复杂性,较难建立多晶体再结晶中的取向关系。另外,还要考虑到抑制滑移形变的晶界作用,尤其是在硅钢(110)<O01>织构形成中更应如此。
      3.1.3 微观组织和织构的演变
      透射电子显微镜带来了转折。通过电子显微镜观察发现,再结晶晶粒的取向存在于变形状态的取向扩展中,再结晶晶粒通过基体中晶胞或亚晶增大而形成。晶胞组织为非均质,存在各种尺寸和错误取向。这代表了变形基体中局部储存能量和晶体转动方面的差异。
      


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        4.2.2 讨论
        影响无取向硅钢磁感应强度的主要因素是化学成分和晶体织构。因为试验钢的化学成分相同,所以晶体织构就成为影响无取向硅钢磁感应强度的主要因素。对于无取向硅钢,理想的晶体织构为(100)[uvw],因为它是各向同性且难磁化方向[111]不在轧面上。实际上得不到这种单一的面织构,一般存在有(100)[O11],(111)[112],(110)[001]和(112)[O11]等织构组分。在(100)晶面上有两个易磁化的<001>轴。其次是(110)面织构,在此晶面上有一个<001>轴。具有(111)面织构的铁损较高,因为在此晶面上没有<001>轴。具有(1l2)面织构的铁损最高,因为在此晶面上有难磁化的<111>轴。
        表1 成品板厚对无取向硅钢磁性的影响
        板厚/mm
           冷轧压下率/%
           铁损/(W ·kg-1)
           磁感/T
          
        0.65
           74
           3.604
           1.712
          
        0.50
           80
           3.040
           1.698
          
        0.35
           86
           2.705
           1.680
          
          
          
        图4 0.65mm无取向硅钢板的典型再结晶组织
        再结晶织构与冷轧压下率有明显关系。成品板厚度越薄,冷轧压下率越大,再结晶织构中对磁性能不利的y纤维织构组分{111}<211>就越强。这是因为,当冷轧压下率大于60%,冷轧时微观带与轧向的偏离角逐渐减少,直到与轧向近似平行,其{211}<011>组分逐渐加强。压下率为90%时,冷轧时微观带的{211}<011>位向是冷轧织构中最强组分,微观带边界已不是{110}面,即已经形成明显的切变带 J。由于无取向硅钢冷轧后各位向组分的储能是不相同的,从大到小的顺序为{l10}>111}>{112}>{100},因此在退火时{110}<001>晶粒首先回复和再结晶;{100}<110>晶粒最易滑动,位错密度低,所以最难再结晶。因此,退火后{111}<110>与{112}<110>取向基本消失,绝大多数取向聚集到{111}<112>上。{111}<112>取向在钢板平面上具有<112>轴,而且它接近<111>难磁化取向,ND‖ <l1l>织构的增强
        导致磁感下降 。由图3和表1可见,板厚为0.35mm、冷轧压下率为86% 的样品退火后{111}<l12>织构占有率最高,磁感最低。此外,从图2还可以看到,随着成品板厚的减薄和冷轧压下率的增加,再结晶织构中对磁性有利的Goss织构在逐步减弱,这也是造成磁感降低的另外一个原因[7]。
        图5 不同冷轧压下率(a一74%;b一80%;c一86%)及对应成品
        厚度(a一0.65 mm;b一0.50mm;e一0.35mm)无取向硅钢再结晶
        织构取向分布函数φ=450截面图(密度水平1,2,4,6,8)
        无取向硅钢的铁损主要由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成。影响无取向硅钢铁损的主要因素是化学成分、晶体织构、夹杂物、晶粒尺寸、钢板厚度和钢板表面状态等。本次试验中各试样的化学成分、夹杂物、晶粒尺寸等基本相同,主要差别是晶体织构和试样厚度。晶体织构是影响磁滞损耗的主要因素。无取向硅钢(111)或(112)面织构高,轧向上就存在较多难磁化的<112>和<111>轴,这些难磁化轴阻碍了畴壁的移动,使磁通变化受阻,造成磁滞损耗,进而使无取向硅钢的铁损增加。板厚是影响涡流损耗的主要因素。根据麦克斯韦方程推导出的涡流损耗经典公式:
        


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          式中:t一钢板厚度;ƒ-频率Bm一最大磁感应强度Ρ-材料的电阻率;γ-材料的密度;k-波形系数。
          可以看出,在材料和外加磁场一定的情况下,涡流损耗与板厚的平方成正比,即板厚减薄,涡流损耗急剧减小,进而使无取向硅钢的铁损降低。结合图2和表1可以看出,0.35 mm厚的成品退火后不利织构组分{111}强度最大,有利的高斯织构强度最弱,磁滞损耗应最大,但对应的铁损并不是最小,说明铁损与晶体织构没有明显的对应关系,在化学成分、晶粒尺寸等基本相同条件下,影响铁损的主要因素是钢板厚度。钢板厚度从0.65 mm减薄至0.35mm时,根据涡流损耗经典公式,材料的涡流损耗明显降低,进而使铁损显著降低。
          4.2.3 结论
          成品板厚度和冷轧压下率对无取向硅钢的织构和磁性能有显著的影响。随着钢板厚度的减薄和冷轧压下率的增加,再结晶织构中对磁性不利的织构组分增加,有利织构组分减少,磁感降低,晶体织构是影响磁感的主要因素,但晶体织构对铁损的影响没有成品厚度对铁损的影响显著。在化学成分和晶粒尺寸一定时,影响铁损的主要因素是钢板厚度,钢板厚度从0.65 mm减薄至0.35 mm时,铁损显著降低[8]。
          图6再结晶织构的α取向线(a)和 γ取向线(b)的密度分析
          5 国内外无取向硅钢的织构控制水平分析
          图1给出了表示冷轧无取向硅钢片中心层织构的取向分布函数ψ2=450 截面图。依据该截面上各取向的位置可知:1、2、3号板均显示出较强的{111}面平行于轧面的织构;1、2号板在取向{110}(110)和{111}(110)之间有少量取向密度分布,有少量{100}(110)取向密度分布。2号板的织构组分与1号板的织构组分基本相类似,但2号板的取向{100}(110)的织构较1号板弱。3号钢板的织构组分
          图7冷轧硅钢织构(ODFψ2=450截面图,密度水平:1,2,3,4,5,6。7)
          与2号基本类似。4号板与其它三种板织构组分有明显的不同,有较强较大范围的{112}<110>和{111}(112)取向密度分布,同时{100}(110)取向明显弱于前三种钢板,织构分布较不均匀。
          由图1可看出:1号、2号及3号板存在部分{100}面织构,而4号板则未测到{100}面织构,因此1号、2号及3号板从织构控制上要优于4号板,表现在电磁性能上有较高的磁感及稳定的电磁性能,其结果如表1所示。此外,冲压性能也是电工钢的重要性能,这一性能受到钢板织构的很大影响,{111}平行于轧面的面织构通常有利于钢板的冲压性能。图1中1号、2号及3号板有较强的{111}面织构,而4号板{111}面织构较弱,故通过织构分析可知4号板的冲压性能不如1号、2号及3号板好[9]。这说明恰当的控制织构类型及分布有利于提高硅钢的磁性能及冲压性能。研究表明,通过改进加工工艺参数可以控制织构的类型及分布的均匀性.
          通过以上分析表明:国内已经有厂家的冷轧无取向硅钢产品在织构控制水平上接近国际先进平,如国内A厂。国内B厂在织构控制水平上仍有待于提高
          (1)综上分析可知,1号板纯净度很高、晶粒组织细小均匀,{111}面织构强而沿板厚分布均匀,有部分{100}面织构,因而具有优良的冲压性能、较高的电磁性能。属于技术十分成熟的电工钢板。
          (2)2、3号钢板在钢质及织构控制上接近1号板的性能水平,平均晶粒尺寸较粗大,其综合性能能够满足使用要求,属于技术较成熟的电工钢板。
          (3)4号板钢质的纯净度较低,如P、S的含量总和偏高,{111}面织构弱而沿板厚分布不均匀,且有较明显的{112}面织构,没有{100}面织构,织构类型及分布极不均匀,因而电磁性能较差。
          6 无取向硅钢织构和磁性能的影响
          无取向硅钢的主要磁性能要求是低铁损、高磁感。铁损和磁感属于组织敏感磁性,它仃除与化学成分有关外,还与内部组织结构有关。合金元素含量、夹杂物数量和分布、晶粒尺寸、织构分布等因素都对无取向硅钢的磁性能有显著的影响。无取向硅钢中有关夹杂物和晶粒尺寸的控制已经进行了广泛的研究,但有关织构控制的研究相对较少。改善织构分布可以同时降低铁损和提高磁感。热轧板晶粒尺寸对成品的织构分布和磁性能有显著的影响[10],本文对此进行了研究
          


          6楼2011-03-11 00:26
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            文献综述评分表
            学生姓名    班级          学号
            文献综述完成时间    2010 年 4 月
            文献综述题目 硅钢的织构及对磁性能的影响
            引用文献情况: 12 篇;
            文献时间跨度 1995 年 ~    2005 年
              
            序号
               评 分 内 容
               满分
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               15
              
              
            2
               是否充分分析和描述了本研究领域前人已经做了哪些工作,进展到何程度,有无主要遗漏
               25
              
              
            3
               是否对相关研究的动态、前沿性问题做出较详细的综述
               15
              
              
            4
               层次是否分明,格式是否规范,图表是否清晰
               15
              
              
            5
               是否能预示今后可能的发展趋势及研究方向
               5
              
              
            6
               行文是否流畅,综述能力如何
               25
              
              
            总分
              
               100
              
              
            评阅教师(签名)
            年   月   日
              
            


            9楼2011-03-11 00:26
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              我勒个去,审核了5个小时。。。百度审核人员辛苦了。。。。


              10楼2011-03-11 10:22
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