钢材组织性能的控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020年5月29日星期五,#,04 十一月 2026,钢材组织性能的控制,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 0.1mm,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,B,0,=,0,nI=,0,H ,0,真空导磁率,加铁芯后：B,总,=B,0,B,芯,B,芯,r,0,nI,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 P,1,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=B,r,剩磁现象,B,r,：剩余磁感应强度,H,c,：克服剩磁所加的,磁化力，叫,矫顽力,矫顽力的大小反映了磁,性材料保存剩磁状态的,能力,P,1,f,n,A,n,f,n,电流频率,A,n,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 A,n,H,c,所以 P,1,H,c,矫顽力越大，磁滞损耗越大,涡流损耗 P,2,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,。,P,2,f,n,Bh/h 铁芯厚度,铁芯电阻率,、h P,2,剩余损耗 P,3,除P,1,、P,2,外的其它功率损耗,铁损 P=P,1,P,2,P,3,对硅钢片的要求：,磁感应强度高 B,铁芯损失低 P、h、H,c,磁各向异性,用FeSi单晶体试验可知：,100晶向最易磁化 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,B,25,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 ，P,1,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Al,2,O,3,、SiO,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 P,1,夹杂物的影响程度与其数量、形状和弥散,程度有关,H,c,VK/d,V 夹杂物体积,K 夹杂物形状,d 夹杂物直径,d，H,c,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 H,2,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,2,f,n,Bh/h，P,2,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 P,1,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，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,700,T,卷,B、P,磁性 B(千高斯)P(瓦公斤),T,卷,B,25,B,50,B,100,P,10,P,15,P,17,500550 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 P,10/50,B,25,B,50,(%)(瓦公斤)(高斯)(高斯),30 0.55 18000 19100,52 0.51 19000 19800,70 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,B,25,(高斯)P,10,(瓦公斤),26次 17300 0.90,16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 SiO,2,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+H,2,Al +NH,3,MnS+H,2,Mn+H,2,S,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,s,b,塑性变形比,R,(a)屈强比,s,b,反映材料加工硬化能力的大小,s,b,，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,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,=(R,0,+2R,45,+R,90,)4,R,0,、R,45,、R,90,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 ,s,b,d，,s,s,b,，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/mm,2,900 400小时 ,f,2122 kg/mm,2,950 400小时 ,f,1215 kg/mm,2,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,(10,7,或10,8,)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=T,1,时，,晶粒,=,晶界,T,1,称为等强温度,3.T T,1,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 T,1,晶界强度小,于晶粒强度，晶界为薄弱,环节，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T,0,TT,0,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?,