1、鋼材組織性能的控制7.1 電磁性能的控制硅鋼 FeSi 合金 主要用于電機及變壓器的鐵芯分類：按用途來分： 電機硅鋼、變壓器硅鋼按化學成分來分：低硅 0.8 1.8%Si、 中硅 1.8 2.8%Si、 高硅 2.8%Si按軋制工藝來分： 熱軋硅鋼片、冷軋硅鋼片熱軋硅鋼片： 電機 厚 0.5 mm 1.0 2.5%Si 變壓器 厚 0.35mm 3.0 4.5%Si冷軋硅鋼片： 3.5%Si 無取向硅鋼片 多用于電機 取向硅鋼片 2.8 3.5%Si 單取向硅鋼片：高斯織構 (110)001 變壓器 厚0.35mm 雙取向硅鋼片：立方織構 (001)100 儀表工業 厚0.025 0.1mm冷

2、軋硅鋼片電磁性能優于熱軋硅鋼片： B 25% P 3040% 體積減少3040% 電能 一電磁性能的概念磁感應強度 B 磁通密度定義：在垂直磁場的方向上，資料內部單位面 積經過的磁力線條數 B0 = 0nI = 0 H 0 真空導磁率加鐵芯后： B總 = B0 B芯 B芯 r0nI H r 相對導磁率 ：反映資料密集磁力線的才干，即磁化才干 的大小。 、B 表示易磁化 鐵芯損失P 單位分量硅鋼片在交變磁場作用下的 功率損耗 磁滯損耗 P1 由于磁感應強度的變化一直落后于 磁場的變化 所引起的功率損耗H=0, B=Br 剩磁景象Br ：剩余磁感應強度Hc ：抑制剩磁所加的 磁化力，叫矯頑力矯頑力

3、的大小反映了磁性資料保管剩磁形狀的才干 P1 fnAn fn 電流頻率 An 回線面積磁滯回線所包圍的面積越大，磁滯損耗也越大 由于 An Hc 所以 P1 Hc 矯頑力越大，磁滯損耗越大 渦流損耗 P2 由于交變磁場產生的感生電 流在鐵芯內構成渦流而引起 的功率損耗 感生電流所產生的磁場與 原 磁場方向相反，妨礙資料的 磁化，并使外磁場能量轉變 成熱量。 P2 fnBh/ h 鐵芯厚度 鐵芯電阻率 、h P2 剩余損耗 P3 除P1、P2外的其它功率損耗 鐵損 P = P1P2 P3對硅鋼片的要求： 磁感應強度高 B 鐵芯損失低 P 、h、 Hc 磁各向異性 用FeSi單晶體實驗可知： 10

4、0晶向最易磁化 111晶向最難磁化 電機用硅鋼：要求磁各向異性越小越好，縱橫方向的 B25 差別小于10%變壓器用硅鋼：要求軋制方向為001晶向，B 采用有取向的硅鋼片 (100)001 或 (110)001磁致伸減少外表質量好，厚度均勻 外表平整，填充系數高 厚度不均，噪音增大，電機振動增大二影響電磁性能的主要要素晶粒大小 d B、P 磁性好 如圖示：d ，P1 晶粒取向取向度 晶體中易磁化晶向平行于或接 近平行于軋向的晶粒所占的百分比設易磁化晶向與軋向的偏離角為 n ， n B、P 普通工業產品 n 10 高牌號的產品 n 5夾雜物 有害夾雜物 屬于穩定的，溫度升高不會分解或析出， 如Al

5、2O3、SiO2、FeO等等，它們的存在會 呵斥晶格畸變,產生內應力,使磁化阻力， 矯頑力，磁滯損耗 P1夾雜物的影響程度與其數量、外形和彌散程度有關HcVK/d V 夾雜物體積 K 夾雜物外形 d 夾雜物直徑 d，Hc 即夾雜物越細小，影響程度越大 有利夾雜物 屬于不穩定的，如 AlN、MnS有利夾雜必需具備以下條件：(a)以細小彌散的質點均勻分布，劇烈 地阻止初次再結晶晶粒的正常長大。(b)在二次再結晶溫度范圍，夾雜物聚集， 并隨溫度升高而溶解，促使二次再結晶 晶粒擇優長大而獲得(110)001高斯織構。(c)高溫廢品退火時，由于退火氣氛 H2 的作 用而將S和N去除掉，或在高溫下使這些

6、夾雜物聚集成更大的顆粒而減少其有害 的影響。化學成分 最不利元素 C 使 區擴展 高溫退火時，使織構破壞，取向度 與鐵構成間隙式的固溶體 使晶格畸變，內應力，磁化阻力 構成珠光體、滲碳體 降低磁性，使硅鋼片變脆 因此，希望 C%，普通 C%0.02%最有利元素 Si 使區減少 使高溫退火構成的織構 不會在冷卻時因相變而遭到破壞。 與鐵構成置換固溶體 晶格畸變小 促進石墨化 使電阻添加 降低渦流損耗 促使鐵素體晶粒粗化 使矯頑力降低，磁滯損耗下降 Mn、S、N 雖屬不利元素，但生成 MnS、AlN 那么變為有利。因此，消費中往往含 有一定量的硫和錳或鋁和氮，構成 有利夾雜，提高冷軋硅鋼的取向度。

7、鐵芯厚度 h 渦流損耗 P2 fnBh/ h，P2 另： h ，單位厚度鐵芯內的界面增多，磁化 阻力添加，矯頑力增大，磁滯損耗 P1 當溫度、晶粒尺寸、取向度不變時鋼片厚度與鐵損的關系如圖示三軋制工藝制度的控制 典型消費工藝流程: 1 2 冶煉鑄錠開坯熱軋成 2.2mm厚的板卷 初退火酸洗 第一次冷軋成 0.7mm厚的板卷 中間退火第二次冷軋成 0.35mm厚的板卷 脫C退火涂 MgO粉(以防高溫退火時粘結) 高溫退火 涂絕緣層拉伸退火剪切 檢驗入庫1加熱 提高加熱溫度、延伸加熱時間對磁性有利 使有利夾雜充分固溶 鐵素體晶粒尺寸變大 使有害夾雜聚集長大，減小其有害性 脫 C 減小偏析景象板坯的

8、加熱溫度控制在 1300左右，最高可達 0。熱軋 終軋溫度 T終 850 完全再結晶、不使 AlN 在熱軋過程中析出 變形程度 ，等軸晶深度 軋制速度 快 不使 AlN在熱軋時析出 冷卻速度 快 卷取溫度 低 普通T卷 700 T卷 B、P 磁性 B(千高斯) P(瓦公斤) T卷 B25 B50 B100 P10 P15 P17 500550 18.1 19.4 20.6 0.625 1.869 2.47 650700 16.1 17.7 19.7 0.88 1.95 2.64 冷軋 為了構成 (110)001二次再結晶織構，必需在冷軋帶鋼中存在 (111)112 取向的晶粒。從晶體學來看，

9、(111)112晶格畸變最大，再結晶才干最強，繞 (110)軸轉 35就得到(110)001高斯織構。第二次冷軋的總壓下率對磁性影響大 1 第一道次壓下率 1 35%為宜 這時冷軋織構中的(111)112組分加強，再結晶退火 (110)001織構，使廢品的取向度和磁性提高。 總壓下率 實驗闡明， 50%為好，廢品(110)001取向度最高，鐵損最低。第二次冷軋總壓下率 P10/50 B25 B50 (%) (瓦公斤) (高斯) (高斯) 30 0.55 18000 19100 52 0.51 19000 19800 70 0.53 18150 18850 總壓下率一定，道次壓下率增大時，磁性好

10、 軋制道次數 B25 (高斯) P10 (瓦公斤) 26次 17300 0.90 16次 18100 0.68退火 1 初退火 熱軋后退火 目的：使組織均勻化、去除應力、脫C 中間退火初次再結晶退火 去除應力，消除加工硬化，為第二次冷軋作 預備 完成初次再結晶，在 (111)112織構的根底 上構成少量(35%)(110)001再結晶織構。 脫C 脫C退火 脫C 構成 SiO2薄膜 涂隔離層 MgO，以防高溫退火時帶鋼發 生粘結。 廢品高溫退火 二次再結晶退火 構成粗大的 (110)001 再結晶織構，使 廢品獲得高的取向度 使夾雜物聚集長大 脫C，使C石墨化 脫 S、N，減少和去除鋼中的夾雜

11、物 AlN + H2 Al + NH3 MnS + H2 Mn + H2S 拉伸平整退火 平整板面，消除瓢曲和浪形，使填充系數 改善磁織構，取向度，降低鐵損 減少磁致伸縮，降低噪音 涂絕緣層：提高層間電阻、防銹耐蝕 7.2 沖壓性能的控制一沖壓性能概念 沖壓： 資料在沖頭與模具作用下，產生塑性變形得到一定外形和尺寸的過程 產品：殼體零件、杯形件 原料：板料，也叫板沖壓 沖壓性能的測定 模擬法 (a)杯突法 適用于 h 2mm的板帶材 沖頭壓入直到資料產生裂紋，此時所壓入的深度值 h，即為金屬的杯突深度，也叫杯突值。 h 越大，沖壓性能越好沖壓性能：資料能順利地完成沖壓過程而不破壞的才干(b)杯

12、形件深沖實驗 把不同直徑 (D)的圓形板料一次沖成圓形杯件，不產生破裂的最大圓板料的外徑 D與沖頭直徑 d 之比 D/d叫極限沖壓比。D/d越大，沖壓性能越好(c)錐形杯實驗沖頭不斷往下壓，直到產生裂痕，測出產生破裂時的錐形杯口外徑 D，稱為錐杯值D越小，沖壓性能越好 拉伸實驗法拉伸實驗，測出s、b、確定資料的屈強比 sb塑性變形比 R (a)屈強比sb 反映資料加工硬化才干的大小 sb，沖壓性能 s 小，變形抗力小，資料易變形 b 大，資料不易斷 闡明資料加工硬化才干大，不易產生細 頸，不易斷裂(b)塑性變形比 R 板材在寬度和厚度方向上產生塑性變形 的比值 R = b/h R1， b h

13、，闡明板料在寬向容易變形，而在厚向不容易變形，產生細頸的能夠性下降，沖壓性能好由于板材都是軋制而成，存在各向異性，各方向的R不同R平均 =( R0 + 2R45 + R90)4R0 、 R45 、R90 分別為沿與軋向成 0、45、90角方向截取試樣的塑性變形比R：不僅可反映資料沖壓性能的好壞，還 可作為板材各向異性的目的二影響沖壓性能的要素晶粒 晶粒大小 sb d， s sb ，沖壓性能 d， b 雜質因晶界減少而集中， 脆性，沖壓制品外表易 出現桔皮狀 普通，適宜的晶粒尺寸為 68 級 晶粒外形 R大量實驗證明，具有餅形晶粒的板材，其沖壓性能比具有等軸晶粒的好得多等軸晶粒 寬向和厚度方向對

14、位錯挪動的阻力差 不多餅形晶粒 厚度方向晶界多，位錯挪動阻力大， 不易變形，而寬向易變形，使 R ， 沖壓性能 晶粒取向(111)晶面平行板面，R，沖壓性能好由于 111(111)， 111方向為厚度方向，不易變形， R 所以，為了提高板材的深沖性能，應設法添加平行于板面的(111)織構。夾雜物 不利夾雜物 碳化物、硫化物 夾雜物呈脆性，呵斥沖壓開裂 有利夾雜物 AlN (a)在冷軋后退火再結晶時沿軋向平行析 出，妨礙晶粒沿厚度方向長大，使晶 粒成為伸長的薄餅外形。 (b)AlN的構成，使鋼中的自在N 濃度， 不易產生屈服效應，外表質量形變時效 (a) s ，屈強比，沖壓性能 (b)構成呂德斯

15、帶，使沖壓件外表質量 AlN的構成，使時效傾向三沖壓性能的控制化學成分 C ，s ，屈強比； 易構成柯氏氣團、外表皺折 C% 0.08% Al ，固溶強化， s ，屈強比； 但要保證構成適量的 AlN Al%取 0.020.07% Si、Mn 固溶強化， s Si% 取 0.03% 左右， Mn%取 0.4% 左右 S、P 是有害元素，應越少越好，普通 0.02%工藝制度 以 08Al 鎮靜鋼為例來討論沖壓板消費工藝流程板坯加熱熱軋卷取冷軋退火平整 熱軋工藝控制加熱：加熱溫度高，加熱時間長，使 AlN 充分 溶解 T加 = 12001300熱軋： T終 840， 軋后澆水急冷，以防 AlN析出

16、 T卷620， 假設卷取溫度高，就會導 致AlN析出，不利于構成餅形晶粒。 冷軋工藝控制 總壓下率在 30%65% ，沖壓性能最好 ， d s ， d b即：晶粒過大、過小都不好，要保證 d 在 68 級晶粒度 退火工藝控制 退火工藝是使板材獲得餅形晶粒的重要環節。 工藝關鍵：應使 AlN 在再結晶之前析出 最終構成餅形晶粒，R，沖壓性能 平整工藝 壓下率為 0.81.2%，消除退火鋼的屈服平 臺，使沖壓件防止出現呂德斯帶。 7.3 熱強性能的控制一概念熱強性能：資料在高溫及外加載荷短期 或長期的同時作用下，抵抗 塑性變形及斷裂的才干。它與溫度高低、應力大小、應力形狀、時間長短有親密關系。熱強

17、性能包括： 高溫蠕變極限 高溫耐久極限 高溫疲勞極限 高溫屈服極限、強度極限蠕變極限蠕變：金屬在高溫受外力作用，在長時間 小應力作用下產生的塑性變形，甚 至斷裂。鉛、錫： 室溫下即可察看到蠕變景象碳鋼： 300350合金鋼： 350400蠕變分為三個階段ab：減速蠕變 蠕變速度bc：恒速蠕變 蠕變速度恒定cd：加速蠕變 蠕變速度添加 oa：蠕變的瞬時增長蠕變極限：在一定溫度下和所規定的 時間內引起一定變形量的 應力值蠕變極限，不易變形，熱強性能耐久極限 在一定溫度下和規定的時間內， 使資料斷裂的應力值 耐久極限，不易斷，熱強性能耐久極限不僅反映出資料抵抗斷裂的能力，同時也反映出資料在長期載荷作

18、用下斷裂時的延伸率和斷面收縮率。溫度升高，受力時間延伸，資料發生斷裂的應力下降。如 M17鎳基鑄造高溫合金800 100小時 f 4445 kg/mm2900 400小時 f 2122 kg/mm2950 400小時 f 1215 kg/mm2疲勞極限疲勞：資料在周期應力作用下或溫度交變 作用下，失去任務才干和產生破壞 的一種景象。分為二類：機械疲勞:由于應力的交變作用產生的疲勞熱疲勞： 由于溫度的交變作用產生的疲勞 室溫下：用疲勞極限表示性能目的疲勞極限:不產生斷裂的最大周期應力 -1高溫下：用條件疲勞極限表示條件疲勞極限 在規定的應力循環次數 (107或108)下引起破壞的 應力值疲勞極限

19、，不易疲斷，熱強性能短時拉伸性能 經過高溫短時拉伸實驗，確定在一定溫度下的屈服極限s，強度極限b，延伸率和斷面收縮率。無明顯屈服點時，用0.2 表示二影響要素主要要素：晶粒大小及均勻度低溫：晶粒細，強度高 Hall-petch公式高溫：原子分散加速，晶界產生粘滯 性流動，晶界強度顯著降低， 晶界為薄弱環節。1. T，晶粒、晶界 晶界下降速度快2. T = T1時， 晶粒 = 晶界 T1 稱為等強溫度3. T T1 晶界強度大于晶粒 強度，變形主要發生在晶粒內部，斷裂方式為穿晶斷裂。4. T T1 晶界強度小于晶粒強度，晶界為薄弱環節，變形主要發生在晶界，斷裂方式為沿晶斷裂。5. 隨變形速度下降

20、，晶粒強度變化不大，而晶界強度那么降低，等強溫度也降低。結論：T 等強溫度 ，晶界強度大于 晶粒強度 宜采用細晶粒資料。(b) T 等強溫度，晶界是薄弱環節 宜采用粗晶粒資料。采用粗晶粒的缺陷：塑性較低，抗疲勞才干差 晶粒粗，晶界曲率平，疲勞裂紋傳播快抗氧化、抗腐蝕性能差 晶粒粗，晶界少，夾雜物分布較集中如GH33合金 渦輪葉片 以高溫強度為主，晶粒度為 04級 GH30合金火焰筒 以冷熱疲勞為主，晶粒度為 58級 三工藝參數的控制加熱 高溫合金含有大量的合金元素，導熱率低，過熱敏感性大。 加熱速度慢 快，易產生熱應力，導致開裂 溫度嚴厲控制，動搖不易過大 要求組織均勻，晶粒度適當熱軋高溫合金特點：再結晶溫度高、再結晶速度低、 硬化傾向大 T終較高 過低 再結晶不完全，組織不均勻 強化相析出 多相組織 變形 不均勻 晶粒大小不均、剩余 應力高 熱強性能下降 過高 晶粒粗大 T終是保證獲得所需組