1、钢材组织性能的控制 7.1 电磁性能的控制 硅钢 FeSi 合金 主要用于电机及变压器的铁芯 分类： 按用途来分： 电机硅钢、变压器硅钢 按化学成分来分：低硅 （0.8 1.8%Si）、中硅（ 1.8 2.8%Si）、高硅（ 2.8%Si）,按轧制工艺来分：热轧硅钢片、冷轧硅钢片 热轧硅钢片：电机 厚 0.5 mm 1.0 2.5%Si变压器 厚 0.35mm 3.0 4.5%Si 冷轧硅钢片： 3.5%Si无取向硅钢片 多用于电机,取向硅钢片 2.8 3.5%Si单取向硅钢片：高斯织构 (110)001变压器 厚0.35mm双取向硅钢片：立方织构 (001)100仪表工业 厚0.025 0.
2、1mm,冷轧硅钢片电磁性能优于热轧硅钢片：B 25%P 3040%体积减少3040%电能,一电磁性能的概念 磁感应强度 B （磁通密度） 定义：在垂直磁场的方向上，材料内部单位面积通过的磁力线条数B0 = 0nI = 0 H 0 真空导磁率 加铁芯后： B总 = B0 B芯 B芯 r0nI H r 相对导磁率 ：反映材料密集磁力线的能力，即磁化能力的大小。 、B 表示易磁化,铁芯损失P单位重量硅钢片在交变磁场作用下的功率损耗 磁滞损耗 P1由于磁感应强度的变化始终落后于磁场的变化 所引起的功率损耗,H=0, B=Br 剩磁现象 Br ：剩余磁感应强度 Hc ：克服剩磁所加的磁化力，叫矫顽力 矫
3、顽力的大小反映了磁 性材料保存剩磁状态的 能力,P1 fnAn fn 电流频率An 回线面积 磁滞回线所包围的面积越大，磁滞损耗也越大,因为 An Hc 所以 P1 Hc 矫顽力越大，磁滞损耗越大, 涡流损耗 P2由于交变磁场产生的感生电流在铁芯内形成涡流而引起的功率损耗感生电流所产生的磁场与 原磁场方向相反，阻碍材料的磁化，并使外磁场能量转变成热量。,P2 fnBh/ h 铁芯厚度铁芯电阻率、h P2 剩余损耗 P3除P1、P2外的其它功率损耗铁损 P = P1P2 P3 对硅钢片的要求：磁感应强度高 B铁芯损失低 P 、h、 Hc ,磁各向异性用FeSi单晶体试验可知：100晶向最易磁化
4、111晶向最难磁化,电机用硅钢：要求磁各向异性越小越好，纵横方向的 B25 差别小于10% 变压器用硅钢：要求轧制方向为001晶向，B采用有取向的硅钢片 (100)001 或 (110)001,磁致伸缩小 表面质量好，厚度均匀表面平整，填充系数高厚度不均，噪音增大，电机振动增大,二影响电磁性能的主要因素 晶粒大小d B、P 磁性好 如图示：d ，P1 ,晶粒取向 取向度 晶体中易磁化晶向平行于或接近平行于轧向的晶粒所占的百分比 设易磁化晶向与轧向的偏离角为 n ，n B、P一般工业产品 n 10高牌号的产品 n 5,夹杂物 有害夹杂物 属于稳定的，温度升高不会分解或析出， 如Al2O3、SiO
5、2、FeO等等，它们的存在会造成晶格畸变,产生内应力,使磁化阻力，矫顽力，磁滞损耗 P1,夹杂物的影响程度与其数量、形状和弥散 程度有关 Hc VK/d V 夹杂物体积K 夹杂物形状d 夹杂物直径d，Hc 即夹杂物越细小，影响程度越大, 有利夹杂物 属于不稳定的，如 AlN、MnS 有利夹杂必须具备以下条件： (a)以细小弥散的质点均匀分布，强烈地阻止初次再结晶晶粒的正常长大。,(b)在二次再结晶温度范围，夹杂物聚集，并随温度升高而溶解，促使二次再结晶晶粒择优长大而获得(110)001高斯织构。 (c)高温成品退火时，由于退火气氛 H2 的作用而将S和N去除掉，或在高温下使这些夹杂物聚集成更大
6、的颗粒而减少其有害的影响。,化学成分最不利元素 C 使 区扩大 高温退火时，使织构破坏，取向度 与铁形成间隙式的固溶体 使晶格畸变，内应力，磁化阻力 形成珠光体、渗碳体 降低磁性，使硅钢片变脆因此，希望 C%，一般 C%0.02%,最有利元素 Si 使区缩小 使高温退火形成的织构不会在冷却时因相变而遭到破坏。 与铁形成置换固溶体 晶格畸变小 促进石墨化 使电阻增加 降低涡流损耗 促使铁素体晶粒粗化 使矫顽力降低，磁滞损耗下降,Mn、S、N 虽属不利元素，但生成 MnS、AlN 则变为有利。因此，生产中往往含有一定量的硫和锰或铝和氮，形成有利夹杂，提高冷轧硅钢的取向度。,铁芯厚度 h涡流损耗 P
7、2 fnBh/ h，P2另： h ，单位厚度铁芯内的界面增多，磁化阻力增加，矫顽力增大，磁滞损耗 P1 ,当温度、晶粒尺寸、取 向度不变时 钢片厚度与铁损的关系 如图示,三轧制工艺制度的控制典型生产工艺流程: 1 2冶炼铸锭开坯热轧成 2.2mm厚的板卷初退火酸洗 第一次冷轧成 0.7mm厚的板卷 中间退火第二次冷轧成 0.35mm厚的板卷脱C退火涂 MgO粉(以防高温退火时粘结) 高温退火 涂绝缘层拉伸退火剪切检验入库,1加热提高加热温度、延长加热时间对磁性有利 使有利夹杂充分固溶 铁素体晶粒尺寸变大 使有害夹杂聚集长大，减小其有害性 脱 C 减小偏析现象 板坯的加热温度控制在 1300左右
8、，最高 可达 1350。,热轧 终轧温度 T终 850完全再结晶、不使 AlN 在热轧过程中析出 变形程度 ，等轴晶深度, 轧制速度 快 不使 AlN在热轧时析出 冷却速度 快 卷取温度 低,一般T卷 700T卷 B、P磁性 B(千高斯) P(瓦公斤)T卷 B25 B50 B100 P10 P15 P17500550 18.1 19.4 20.6 0.625 1.869 2.47650700 16.1 17.7 19.7 0.88 1.95 2.64,冷轧为了形成 (110)001二次再结晶织构， 必须在冷轧带钢中存在 (111)112 取向的 晶粒。从晶体学来看， (111)112晶格畸 变
9、最大，再结晶能力最强，绕 (110)轴转 35就得到(110)001高斯织构。,第二次冷轧的总压下率对磁性影响大 1 第一道次压下率 1 35%为宜 这时冷轧织构中的(111)112组分加强，再 结晶退火 (110)001织构，使成品的取向 度和磁性提高。 总压下率 实验表明， 50%为 好，成品(110)001取向度最高，铁损最低。,第二次冷轧总压下率 P10/50 B25 B50(%) (瓦公斤) (高斯) (高斯)30 0.55 18000 1910052 0.51 19000 1980070 0.53 18150 18850 总压下率一定，道次压下率增大时，磁性好轧制道次数 B25 (
10、高斯) P10 (瓦公斤) 26次 17300 0.9016次 18100 0.68,退火 1 初退火 热轧后退火目的：使组织均匀化、去除应力、脱C 中间退火（初次再结晶退火）去除应力，消除加工硬化，为第二次冷轧作准备完成初次再结晶，在 (111)112织构的基础上形成少量(35%)(110)001再结晶织构。脱C, 脱C退火 脱C 形成 SiO2薄膜涂隔离层 MgO，以防高温退火时带钢发生粘结。, 成品高温退火 （二次再结晶退火） 形成粗大的 (110)001 再结晶织构，使成品获得高的取向度 使夹杂物聚集长大 脱C，使C石墨化 脱 S、N，减少和去除钢中的夹杂物AlN + H2 Al +
11、NH3MnS + H2 Mn + H2S, 拉伸平整退火 平整板面，消除瓢曲和浪形，使填充系数 改善磁织构，取向度，降低铁损 减少磁致伸缩，降低噪音涂绝缘层：提高层间电阻、防锈耐蚀,7.2 冲压性能的控制 一冲压性能 概念冲压： 材料在冲头与模具 作用下，产生塑性变形得 到一定形状和尺寸的过程产品：壳体零件、杯形件原料：板料，也叫板冲压,冲压性能的测定 模拟法(a)杯突法适用于 h 2mm的板带材冲头压入直到材料产生裂纹， 此时所压入的深度值 h，即为 金属的杯突深度，也叫杯突值。h 越大，冲压性能越好,冲压性能：材料能顺利地完成冲压过程而不破坏的能力,(b)杯形件深冲试验把不同直径 (D)的
12、圆形板料一次冲成圆形杯件， 不产生破裂的最大圆板料的外径 D与冲头直径 d 之比 D/d叫极限冲压比。D/d越大，冲压性能越好,(c)锥形杯试验 冲头一直往下压，直到产 生裂缝，测出产生破裂时 的锥形杯口外径 D，称为 锥杯值 D越小，冲压性能越好, 拉伸试验法 拉伸试验，测出s、b、 确定材料的屈强比 sb 塑性变形比 R,(a)屈强比sb反映材料加工硬化能力的大小 sb，冲压性能 s 小，变形抗力小，材料易变形 b 大，材料不易断说明材料加工硬化能力大，不易产生细颈，不易断裂,(b)塑性变形比 R板材在宽度和厚度方向上产生塑性变形的比值 R = b/h R1， b h ，说明板料在宽向容
13、易变形，而在厚向不容易变形，产生细颈 的可能性下降，冲压性能好,因为板材都是轧制而成，存在各向异性， 各方向的R不同 R平均 =( R0 + 2R45 + R90)4 R0 、 R45 、R90 分别为沿与轧向成 0、 45、90角方向截取试样的塑性变形比 R：不仅可反映材料冲压性能的好坏，还可作为板材各向异性的指标,二影响冲压性能的因素 晶粒 晶粒大小 sb d， s sb ，冲压性能d， b 杂质因晶界减少而集中，脆性，冲压制品表面易出现桔皮状一般，适宜的晶粒尺寸为 68 级, 晶粒形状 R 大量实验证明，具有饼形晶粒的板材，其冲压性 能比具有等轴晶粒的好得多 等轴晶粒 宽向和厚度方向对位
14、错移动的阻力差不多 饼形晶粒 厚度方向晶界多，位错移动阻力大，不易变形，而宽向易变形，使 R ，冲压性能, 晶粒取向 (111)晶面平行板面，R，冲压性能好 因为 111(111)， 111方向为厚度方 向，不易变形， R 所以，为了提高板材的深冲性能，应设法增加 平行于板面的(111)织构。,夹杂物 不利夹杂物 碳化物、硫化物夹杂物呈脆性，造成冲压开裂 有利夹杂物 AlN(a)在冷轧后退火再结晶时沿轧向平行析出，阻碍晶粒沿厚度方向长大，使晶粒成为伸长的薄饼形状。,(b)AlN的形成，使钢中的自由N 浓度，不易产生屈服效应，表面质量 形变时效(a) s ，屈强比，冲压性能(b)形成吕德斯带，使
15、冲压件表面质量AlN的形成，使时效倾向,三冲压性能的控制 化学成分 C ，s ，屈强比；易形成柯氏气团、表面皱折 C% 0.08% Al ，固溶强化， s ，屈强比；但要保证形成适量的 AlN Al%取 0.020.07% Si、Mn 固溶强化， s Si% 取 0.03% 左右， Mn%取 0.4% 左右 S、P 是有害元素，应越少越好，一般 0.02%,工艺制度以 08Al 镇静钢为例来讨论 冲压板生产工艺流程 板坯加热热轧卷取冷轧退火 平整, 热轧工艺控制 加热：加热温度高，加热时间长，使 AlN 充分溶解 T加 = 12001300 热轧： T终 840， 轧后浇水急冷，以防 AlN析
16、出T卷620， 若卷取温度高，就会导致AlN析出，不利于形成饼形晶粒。, 冷轧工艺控制总压下率在 30%65% ，冲压性能最好 ， d s ， d b 即：晶粒过大、过小都不好，要保证 d 在 68 级晶粒度, 退火工艺控制退火工艺是使板材获得饼形晶粒的重要环节。工艺关键：应使 AlN 在再结晶之前析出最终形成饼形晶粒，R，冲压性能 平整工艺压下率为 0.81.2%，消除退火钢的屈服平台，使冲压件避免出现吕德斯带。,7.3 热强性能的控制 一概念 热强性能：材料在高温及外加载荷（短期或长期）的同时作用下，抵抗塑性变形及断裂的能力。 它与温度高低、应力大小、应力状态、时 间长短有密切关系。,热强
17、性能包括：高温蠕变极限 高温持久极限高温疲劳极限 高温屈服极限、强度极限,蠕变极限 蠕变：金属在高温受外力作用，在长时间小应力作用下产生的塑性变形，甚至断裂。 铅、锡： 室温下即可观察到蠕变现象 碳钢： 300350 合金钢： 350400,蠕变分为三个阶段 ab：减速蠕变 蠕变速度 bc：恒速蠕变 蠕变速度恒定 cd：加速蠕变 蠕变速度增加,oa：蠕变的瞬时增长,蠕变极限：在一定温度下和所规定的时间内引起一定变形量的应力值 蠕变极限，不易变形，热强性能,持久极限 在一定温度下和规定的时间内，使材料断裂的应力值持久极限，不易断，热强性能 持久极限不仅反映出材料抵抗断裂的能 力，同时也反映出材料
18、在长期载荷作用下 断裂时的延伸率和断面收缩率。,温度升高，受力时间延长，材料发生断裂 的应力下降。 如 M17镍基铸造高温合金 800 100小时 f 4445 kg/mm2 900 400小时 f 2122 kg/mm2 950 400小时 f 1215 kg/mm2,疲劳极限 疲劳：材料在周期应力作用下或温度交变作用下，失去工作能力和产生破坏的一种现象。 分为二类： 机械疲劳:由于应力的交变作用产生的疲劳 热疲劳： 由于温度的交变作用产生的疲劳,室温下：用疲劳极限表示性能指标 疲劳极限:不产生断裂的最大周期应力 -1 高温下：用条件疲劳极限表示 条件疲劳极限 在规定的应力循环次数(107或
19、108)下引起破坏的应力值 疲劳极限，不易疲断，热强性能,短时拉伸性能通过高温短时拉伸试验，确定在一定 温度下的屈服极限s，强度极限b， 延伸率和断面收缩率。 无明显屈服点时，用0.2 表示,二影响因素 主要因素：晶粒大小及均匀度 低温：晶粒细，强度高Hall-petch公式 高温：原子扩散加速，晶界产生粘滞性流动，晶界强度显著降低，晶界为薄弱环节。,1. T，晶粒、晶界晶界下降速度快 2. T = T1时， 晶粒 = 晶界 T1 称为等强温度 3. T T1 晶界强度大于晶 粒 强度，变形主要发生在晶 粒内部，断裂形式为穿晶断 裂。,4. T T1 晶界强度小 于晶粒强度，晶界为薄弱 环节，
20、变形主要发生在晶 界，断裂形式为沿晶断裂。 5. 随变形速度下降，晶粒 强度变化不大，而晶界强 度则降低，等强温度也降 低。,结论： T 等强温度 ，晶界强度大于晶粒强度宜采用细晶粒材料。 (b) T 等强温度，晶界是薄弱环节宜采用粗晶粒材料。,采用粗晶粒的缺点： 塑性较低，抗疲劳能力差 晶粒粗，晶界曲率平，疲劳裂纹传播快 抗氧化、抗腐蚀性能差 晶粒粗，晶界少，夹杂物分布较集中 如GH33合金 涡轮叶片 以高温强度为主，晶粒度为 04级GH30合金火焰筒 以冷热疲劳为主，晶粒度为 58级,三工艺参数的控制 加热高温合金含有大量的合金元素，导热率 低，过热敏感性大。 加热速度慢 （快，易产生热应
21、力，导致开裂） 温度严格控制，波动不易过大 （要求组织均匀，晶粒度适当）,热轧 高温合金特点：再结晶温度高、再结晶速度低、硬化倾向大 T终较高过低 再结晶不完全，组织不均匀 强化相析出 多相组织 变形不均匀 晶粒大小不均、残余应力高 热强性能下降过高 晶粒粗大,T终是保证获得所需组织的重要因素CrNi77TiAlB高温合 金，大晶粒废品率与T终 的关系如图所示 T再 9701000 T终 9801000 , 变形速度小以利于再结晶的完成，减轻加工硬化倾向 变形程度 应避开临界变形程度 0,变形均匀晶粒大小均匀,热处理 高温合金没有相变，其热处理工序为：固溶时效固溶：第二相全溶时效：第二相析出溶
22、解均匀析出均匀时效强化,固溶处理温度对晶粒度有很大影响，各种 高温合金都存在使晶粒开始迅速长大的临 界温度T0 TT0 晶粒粗化，可能超出 04 级的晶粒度要求 T过低 第二相溶解不均匀，影响时效强化的效果,如 CrNi77TiAl型合金 1080为最佳的固溶处 理温度 断裂时间长，持久性能 最好。,对每一种合金，都存在使该合金性能最佳的固溶 处理温度,形变热处理 塑性变形热处理二者联合，使热强性能如 GH33合金10808hr轧制压下率 50%淬火 （固溶）70016hr（时效）,形变热处理与标准热处理性能比较见表4-2、 表4-3 从表可见，低、中温性能，高温性能不明 显，甚至还有下降 因为，形变热处理细化了晶粒，形成了大量的 亚晶，促进了强化相的弥散析出，所以使合金 的强度提高，低、中温的持久极限得到改善。,复习题 1.铁芯损失分哪几类?分别如何定义?主要影响因素? 2.说明夹杂物对电磁性能的影响. 3.以冷轧单取向变压器用硅钢片为例讨论其各工艺制度的控制. 4.以08Al镇静钢为例讨论欲提高冲压性能，生产中应如何控制各工艺制度. 5.热强性能的概念?它有哪些性能指标? 6.对高温合金来说,在什么情况下采用形变热处理比较有效?为什么?,7.冲压性能的概念?其测定方法有哪些?,
