（材料加工工程专业论文）冷轧无取向硅钢的织构及演变的实验研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文主要进行了冷轧无取向硅钢的织构形成及演变规律的实验研究。即通过对含有 0 - 0 0 3 8 的碳和0 3 3 硅的硅钢冷轧至0 5 r a m 厚进行冷轧织构和退火织构的研 究。 利用金相组织和取向分布函数重点研究了退火工艺中各工艺参数对织构的影响。将 2 7 5 r a m 厚的热轧样通过不同的冷轧工艺轧至0 。5 r a m ，然后通过测定显微硬度从中 选取一组工艺的试样测定极图并计算o d f ，分析冷轧织构的演变规律。随着变形量的 提高， 0 0 1 组分增多， 1 1 1 强度基本保持不变， 2 1 1 位向是其中最强的。 对各冷轧试样再进行不同的退火后，对其进行组织观察和晶粒尺寸的测定，发现控 制轧制速度和最后道次的压下率等因素对晶粒尺寸的影响比较大。通过比较和分析选取 了十个试样进行了 1 1 0 、 1 1 1 1 、 l o o 的极图检测和o d f 计算。分析退火织构的的变 化规律，结果表明：冷轧变形试样经不同退火工艺退火后，n 线上的取向密度下降， ( 1 1 1 织构消失，而晶粒取向绝大多数聚集在 1 1 1 附近。 利用织构分析试样得到的有关c 系数的信息，模拟了无取向硅钢的磁晶各向异性 能和多晶磁化曲线。 通过这部分模拟计算，研究了无取向硅钢的织构和磁晶各向异性能之间的关系，模 拟计算的磁晶各向异性能曲线表明，硅钢的磁化难易程度可以用其来分析，在实际应用 中，磁晶各向异性能曲线具有一定的实际应用意义。对无取向硅钢的多晶磁化曲线计算 模拟表明，随着测量方向和轧向之间的夹角的增大，越来越难磁化，但各个方向上的磁 感应强度非常的接近，也正好符合无取向硅钢的各向同性。 关键词：冷轧无取向硅钢取向分布函数织构磁性 内蒙占科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt e x t u r ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no fc o l dr o l l e d n o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lb ye x p e r i m e n t a b s t r a c t a ni n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d eo nt e x t u r et of o r n ia n de v o l v ei nc o l e - r o i l e dn o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l a f t e ran o n o r i e n t e ds i f i c o ns t e e ls h e e tc o n t a i n i n gc m 0 0 3 8 ) a n d s i ( o 3 3 ) i sc o l d - r o l l e dt o0 5 m m ，a n dr e s e a r c h e do nc o l d - r o l l e dt e x t u r ea n da n n e a l e d t e x t u r e e f f e c to fa n n e a l i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so nt e x t u r ea r es t u i e db ym e t a l l o g r a p h y o r g a n i z a t i o na n do r i e n t a t i o nd i s t r i b u t ef u n c t i o na n a l y s i s 2 7 5 m mt h i c ko fh o t - r o i l e d s a m p l ei sr o l l e dt o0 5 m mb yd i f f e r e n tc o l d - r o l l e dc r a f t s o n es a m p l ei sc h o o s e dt h r o u g h d e t e r m i n em i c r o - h a r d n e s s , d e t e r m i n e dp o l ef i g u ea n dc a l c u l a t e do d f c o l d - r o l l e d t e x t u r ee v o l u t i o nl a wi sa n a y $ e d 0 0 1 t e x t u r ei n c r e a s e si np a c ew i t hi m p r o v e m e n t o f t h e d e f o r m e dr a t e b u t t h e i n t e n s i t y o f l l l t e x t u r e k e e p s f i x e d n e s s ； 2 1 1 i s t h e s t r o n g e s t t h ec o l d - r o l l e ds a m p l e sa r ea n n a l e db yt h ed i f f e r e n tt e c h n o l o g y ，a f t e rt h a to b s e r v e d o r g a n i z a t i o na n dd e t e r m i n e dc r y s t a l l i n eg r a no fs i z e e f f e c to fc o n t r o l l i n gt h er o l l e ds p e e d a n dt h er a t eo f p r e s so f t h el a s tp a s se t c o nc r y s t a l l i n eg r a i no f s i z ei st h e l a r g e s t t e n s a m p l e sa r es e l e c t e db yc o m p a r i n ga n da n a l y s i s 1 1 0 、 1 1 1 、 1 0 0 p o l ef i g n e sa r c d e t e r m i n e db yx - r a yd i f f r a c t i o na p p a r a t u s ，a n do d fi sc o m p u t e dt h o u g ht h eb u n g e s m e t h o d t h ea n n a l i n gt e x t u r e se v o l u t i o ni sa n a l y s e d t h ed e n s i t yo fo r i e n t a t i o no nt h e o l i n ed r o p s ， l l l t e x t u r ed i s a p p e a r sa n dt h ec r y s t a l l i n eg r a i n t h em a g n t i s mt o r q u e 、a n i s o t r o p i s mo f m a g n e t i s ma n dm a g n e t i z a t i o nc u r v ea r e c a l c u l a t e do u tb yt h es a m p l e s cc o e 临c i e n tf i l e so ft h en o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l r e l a t i o nb e t w e e nt e x t u r ea n dm a g n e t i s mt o r q u eo f n o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e li s i n v e s t i g a t e d i ti ss h o wt h a tt h et e x t u r ei st h em a i nf a c t o rd e c i d i n gm a g n e t i s mt o r q u e o f t h en o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lt h ea n i s o t r o p i s mo f m a g n e t i s mi ss h o wt h a ti tc a na n a l 3 7 s e m a g n e t i z a t i o nc o m p l e x i t y i np r a c t i c a la p p f i c a t i o n ，m a g n e t i s ma n i s o t r o p i s mc u r v e h a v e s u r er e a l i t yu s et h em e a n i n g t h em a g n e t i z a t i o nc u r v eo f n o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e li ss h o w t h a ti td i f f i c u l tm a g n e t i z a t i o na l o n gw i t hi n c r e a s i n gt h ea n g l eo fb e t w e e nm e a s u r e m e n t d i r e c t i o na n dr o l l i n gd i r e c t i o n b u tt h ei n t e n s i t yo f m a g n e t i ci n d u c t i o no na l ld i r e c t i o n si s c l o s ee x t r a o r d i n a r i l y ，j u s ta c c o r dw i t ht h ei s o t r o p i s mo ft h en o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l k e yw o r d s ：c o l dr o l l e d n o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n f u n c t i o nt e x t u r e m a g n e t i cp r o p e r t i 鹤 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：怂白越 日期： 关于论文使用授权的说明 渺 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：公囱摧导师签名：! 叁壹由日期：丝丛 内蒙古科技人学硕士学位论文 1 综述 1 1 硅钢概述 硅钢片是一种含碳量极低的硅铁软磁合金，硅的加入可以提高铁的电阻率和最大磁 导率，降低矫顽力、铁损和磁时效。它主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁 芯，是发展电力和电讯工业的基础材料之一，是用量最大的一种软磁材料，也是一种重 要的节电材料和功能材料。 1 1 1 分类 硅钢片按成分可以分成含碳量很低且硅含量小于0 5 和o 5 6 5 两大类，主要用 作各种电机和变压器铁芯、同光灯镇流器、磁开关和继电器、磁屏蔽和高能加速器中主 磁铁等，是电子电力和军事工业中不可缺少的软磁台金。 硅钢片按织构类型分可分为单取向( 又叫高斯织构) 、双取向( 立方织构) 和无取 向硅钢片，上述三者的区别在于品粒的易磁化轴与轧制方向是否一致。 由于铁中易磁化方向是 方向，所以如果硅钢片中 方向为使用方向的 话，磁感应强度比较高。同时材料的织构对于铁损有很大影响，如果取向程度越高，则 铁损越低。综合这两方面因素，立方织构的硅钢片性能最优。1 9 5 7 年联邦德国制成 ( 1 0 0 ) 0 0 1 r 方取向硅钢片，其纵横向磁性都高，但因工艺复杂，至今未工业生产。 1 1 2 发展简史 图1 1 简要说明了工业用硅钢的发展历史。 2 点2 毒 鞘1 盏 1 o 年代 图1 1 电工钢的发展历史 1 热轧2 一冷轧3 - h i - b 钢 b 内蒙古科技人学硕士学位论文 十九世纪未软磁材料大多使用工业纯铁，其铁损值很大。1 9 0 0 年英国人 b b h a r d f e i l d 发现在钢中添加少量硅能使铁损值降低很多。1 9 0 3 年，美国和德国首先生 产热轧硅钢。1 9 3 4 年，美国人n p g o s s 发明了f 1 1 0 织构( 即高斯织构) 取向硅 钢生产工艺，其性能大大优于热轧产品，适用于制造低铁损变压器。1 9 3 5 年，美国 a l m c o 公司开始生产冷轧高斯取向硅钢，并在4 0 年代初生产冷轧无取向硅钢。5 0 年代 主要工业发达国家陆续引进a l n i c o 技术专利。由于冷轧生产无取向硅钢，其铁损、加 工、叠装系数等性能大大优于热轧硅钢，6 0 年代主要工业发达国家陆续停止生产热轧 硅钢。同时由于新型炼钢工艺的发展，钢中杂质明显减少，美国从1 9 6 0 年首先开始生 产冷轧低碳电工钢板以满足国内家用电器生产的需要。1 9 6 8 年，日本新日铁正式生产 商磁感取向硅钢( h i - b ) ，川崎公司随后推出相应牌号。1 9 7 9 1 9 8 3 年间，新同铁开发 了5 个新牌号冷轧低碳电工钢，川崎和新同铁开发了3 个含3 s i 新牌号无取向电工 钢。1 9 8 3 年，新日铁开发了2 个新牌号冷轧低碳电工钢，基本解决了无取向电工钢铁 损和磁感强度这两个磁性参量之间的矛盾。从1 9 8 3 年到现在，同本取向硅钢在开发新 制造技术方面又取得了很大的进展。 1 1 3 性能要求 1 1 3 1 电磁性能【1 1 a 铁损：铁芯材料在磁化过程中，由于磁滞现象，一部分能量以热的形式散失， 称为磁滞损失；交流电磁化过程铁芯中产生涡流，使电能以热的形式散失，称为涡流损 失。两者之和就是铁芯材料的铁损，该指标常用单位铁损值大小来表示( 单位： w k g ) ，如p 1 7 5 0 表示在5 0 h z 交流电磁化下，在磁感为1 疆时的单位铁损指标。涡流 损失又可分为经典涡流损失和异常涡流损失，后者是由于材料表面不平、 晶轴倾 斜于轧面、晶粒之间 晶轴互有偏转、内应力、夹杂物、晶体缺陷等原因造成，故 铁损值可用下式表示： pb = p 女+ p a r = p 一p 时p # _ # ( 1 1 ) 其中： p o c f s ： 式中 f 一一为频率； s 一一为磁化一周所作的功。 p 。c d 。f 2 p 式中b 一一为测量或使用时磁感： 2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 d 一一为材料厚度； f 一一为频率； p 一一为电阻。 由上式分析可知，想降低铁损，可由减少材料磁滞回线的面积，减少厚度，增大电阻 率，和使用低的频率而达到。由于因电工钢铁损造成的电量损失占一个国家发电量 2 5 4 5 ，各国生产电工钢板总设法降低铁损，以铁损作为考核产品磁性的最重要指 标，按铁损值作为划分牌号的依据。铁损低可节省大量电力、延长电机和变压器工作时 间并简化冷却装置。 b 磁感：指磁导体上单位横截面积内磁通值。常用在一定磁场( 单位：奥斯特或 安匝厘米) 下试样的磁感强度峰值( 单位：特斯拉) 来表示电工钢片的磁感性能，如 b 。表示1 0 0 0 安匝米是试样的磁感峰值，后改为甩b 。表示( 8 奥斯特a1 0 0 0 安匝米) 磁感越高，铁芯激励电流降低，导线引起的铜损和铁芯铁损降低，可节省电能，同时可 使铁芯体积缩小和重量减轻，节约成本。 c 磁各向异性：电机在运转状态下工作，要求电工钢为磁各向同性，用无取向电 工钢制造；变压器在静止状态下工作，用冷轧取向硅钢制造。 d ，磁滞伸缩：磁化时，材料尺寸沿磁化方向发生变化，是变压器等产生噪音的一 个重要原因，除特殊场合，一般不作要求【2 】。 1 1 3 2 其它性能 除优越的电磁性能之外，电工钢板还要求有好的加工性能、表面光洁度、涂层性能 和装配系数等以方便使用【3 1 。 1 i 4 影响电工钢性能的因素 1 1 4 i 成分对电工钢性麓的影响【4 l a 硅：s i 加入f e 中，提高电阻率、降低铁损，还能减轻钢中其它杂质的危害，如 使碳石墨化、减少磁时致，在强磁场下s i 降低磁感强度，s i 还能使钢变脆，难以轧制 变形，导热性降低。 b 碳：成品中残留c ，则出现磁时致，另外c 增大a f e 矫顽力，加大磁滞损 失，降低磁感强度。c 对磁性能影响随钢中碳含量和c 的存在形式而变化，如以石墨态 存在时，影响不显著，c 对f c s i 相图还有显著影响。 - 3 内蒙古科技大学硕十学位论文 c j 锰：m n 可使带钢组织中 1 0 0 、( 1 1 0 ) 面织构占有率增加、 1 1 1 ) 面织构占有率减 少，改善磁性。m n 是防止热脆不可缺少的元素，含量应大于0 0 1 。锰会扩大y 相 区，提高碳在铁中溶解度，故锰含量不：宣过高，一般不超过1 5 。 d 磷：低碳电工钢中，常加入p ( 0 0 8 o 1 5 ) 强化铁素体，提高硬度，改善冲片 性能。同时p 是一种晶界活性元素，偏聚于晶界处导致晶界脆化，使钢板变脆、冷加工 困难。 e 铝：m 作用与s i 相似，对磁性有利， 显变脆，但与高s i 钢相比仍有较高塑性。 f 铜：含o 5 时，防锈性能提高1 5 倍 0 2 - - 0 3 。 但使钢变脆，舢含量大于0 5 时硅钢明 并可使c 石墨化，一般c u 含量控制在 g 氮、硫：n 通过生成有害的a i n 沉淀，使磁性变坏；s 通过在基体中存在m n s 微细质点以及在晶界上存在自由s ，使磁性变坏。 h - 锡：近几年，大量研究工作证明。高磁感取向硅钢中加入o 0 5 o 1 s n 可明显 改善磁性口“，多数学者认为，锡可在第二相质点m n s 和a 1 n ( 抑制剂) 与基体界面处 偏聚，阻止它们的o s t w a l d 长大，从而增强了对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶 粒尺寸，在最终赢疆退火时，得到更完善 ll o 二次再结晶组织。由于锡是种表 面活性元素，因此亦有可能在最终高温退火升温阶段在晶界发生偏聚，加强对晶粒正常 长大抑制能力，减小初次晶粒尺寸，起到辅助抑制剂的作用。 i 锑：s h i m a n a k a 等【7 嘈先指出，无取向f e 1 8 5 s i 合金加入0 0 1 - 0 0 8 s b 可使最 终退火织构中f 1 1 1 面织构组分减少， l 0 0 1 面织构组分增加，且随着锑含量增加，织构 的这种变化更显著。他们认为，在冷轧无取向硅钢的再结晶退火中， 1 1 1 ) 位向晶粒容 易在晶界附近形核，由于s b 是一种界面活性元素，易在晶界偏聚，因而阻碍了 1 1 1 ) 位 向晶粒在晶界附近的形核。l y u d k o v s k y l 8 1 、f v o d o p i v c e 9 】等也作了类似研究。另外，s b 含量由0 0 1 5 增加到0 0 5 5 时，内氧化层明显下降，导磁率增大。 1 1 4 2 组织对电工钢性能的影响 a 晶粒大小：增大晶粒会使晶粒边界减小，5 辇f 氐磁阻，使矫顽力和磁滞损失减 小，同时由于电阻的减小，使涡流损失增大。另外，在弱磁场下，粗晶粒对磁感和磁导 率有利，因为磁畴转动的影响增大：在强磁场下，细晶粒对磁感和磁导率更有利。 b 晶粒取向：电工钢组织由俸心立方的a f e 固溶体晶粒组成，由于磁晶各向异 性，以a f e 在 晶向最易磁化、 晶向次之、 晶向最差，因此，在电工 钢中为了降低铁损提高磁感强度，希望有尽可能多的 方向平行磁力线方向，形成 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 晶粒取向的择优分布，即在钢板中形成“织构”。电工钢板中常用织构有单取向高斯织 构 1 1 0 对于无取向硅钢，要求为磁各向同性，但由于 1 0 0 面有两个 易磁 化方向，因此希望形成 1 0 0 面织构，使平行与钢板表面的任意方向都有较多的 晶向。 c 磁织构：指在磁场下加热及冷却而产生的各向异性。其产生原因主要是在磁场下 冷却时，试样磁畴沿外加磁场而整齐排列或“自发磁化”方向与外加磁场方向成- - , 5 角 度，以后再磁化时磁畴易转到磁场方向，同时也引起了磁各向异性。 d 应力：分内应力和外应力两种。钢中间隙原子及夹杂物的存在使晶体产生很大内 应力、快速冷却产生热应力都提高了矫顽力及铁芯损失，对磁性不利。硅钢片在使用或 测量时受的外应力对其磁性有很大的影响，这与材料在磁化时的“磁致伸缩”效应有 关。硅钢片的磁致伸缩系数为“正”号，加以拉应力，有利与磁化，提高磁性：相反， 若加以压应力会降低磁性。 e 非金属夹杂物：非金属夹杂物如a 1 2 0 3 、f e o 、f e s 等都为非铁磁性，其存在阻止 晶粒长大、造成内应力、降低磁导率、增高矫顽力，所以对礅| 生不利，对存在的央杂物 希望能集中成大块球状，以减小对磁性影响。 f 电工钢厚度：钢片越薄，涡流损失越小，但矫顽力也增大，磁滞损失增大。在高 频下使用电工钢由于涡流效应更为突出，钢片厚度希望减小。 1 1 5 降低电工钢的铁损的途径 铁损是划分电工钢牌号的依据，电工钢的发展史也是不断降低铁损的历史。根据前 述成分、组织对磁性能的影响。可得降低铁损的方法如表1 1 所以。商用电工钢铁损降 低的历程为：首先通过添加硅生产热轧硅钢板降低经典涡流损失；1 9 3 4 年n p g o s s 发 明的二次冷轧法生产高斯织构硅钢板改善了取向度降低了磁滞损失；1 9 6 8 年田口悟发 明的一次冷轧法生产h i b 高斯织构钢板则进一步提高了取向度降低了磁滞损失：在此 基础上进一步降低厚度，减小经典涡流损失；现在正通过细化磁畴等技术，降低异常涡 流损失。对于无耿向电工钢，则要通过改善 1 0 0 面织构，提高磁感，降低磁滞损失。 现阶段有希望降低取向硅钢铁损的方法为细化磁畴技术，其途径有： a 利用张应力：目前工业上实现了应力涂层来细化磁畴，如陶瓷簿膜 1 0 l ： b 引入局部应力应变：如1 9 8 3 年新日铁成功地使用激光刻痕来细化磁畴【1 1 ： c人工生成辅助磁畴：如工业上用齿型辊来压痕形成辅助磁畴等【i 邵。 一5 内蒙古科技大学硕士学位论文 表1 1 降低铁损的方法 铁损类型降低方法 ( 1 ) 改善取向度 磁滞损失( 2 ) 减少杂质，提高铡纯度 ( 3 ) 减少内部张力 ( 4 ) 减薄厚度 经典涡流损失 涡 ( 5 ) 提高硅含量，增大电阻率 流 损 ( 6 )晶粒尺寸适当 失 异常涡流损失 ( 7 )附加钢板表面张力 ( 8 ) 用物理方法细化磁畴 1 1 6 硅钢研究和生产上的新发展 铁硅合金作为软磁材料已有近百年历史，其性能在不断改进。在最初5 0 年中主 要通过硅含量最佳化和减少杂质，特别是采取冷轧工艺，而使得硅钢在反复磁化时 的单位能耗减少了近9 0 。最近几十年来，则有效地在生产中运用了形变( 磁) 处 理、新型抑制剂、激光处理、涂层技术等新技术和新工艺，得以获得单位损耗很小 而磁感应强度很高的一系列现代电工钢。 近年来在电工钢的研究和生产上发展比较突出的有以下几个方面： ( 1 ) 磁活性涂层：由于电工钢与表面涂层在热膨胀系数上的差异而在钢中造 成一定符号的弹性应力。通过能造成适当应力状态的表面涂层，就能有效地改善电 工钢的磁性能。 ( 2 ) 非金属夹杂物“效力”的转换：通常非金属夹杂相起着负的作用，这类非 金属夹杂相在与其临接的微体积中沿着易磁化方向引起压应力。这种具有“负效 力”的夹杂物，与相转变有关系的热胀系数或膨胀效应都小于基体。发现有些在接 近电工钢热处理的温度下倾向于相转变的夹杂物，有可能转变成具有“正效力”的 央杂物。这种夹杂物类型的转换，会改变由金属中的夹杂物所造成的应力符号，由 压应力转变为拉应力，不仅能够使夹杂物变得无害，还有可能通过引进适当的夹杂 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 物来改善某些磁性能。 ( 3 ) 连铸与热轧的配合：采取这种模式生产电工钢，具有很高的竞争性，在美 国的一些小钢厂中已采用此法生产各向同性低合金电工钢板。 ( 4 ) 铸造带材：在双辊式冷却铸造机上铸造电工钢带( 辊轴平行并沿水平面 配置，可浇铸带宽1 5 0 m m ，厚o 1 5 o 3 0 m m 的钢带) ，辊压为3 1 0 k n m m 2 并以 2 4 1 0 5 0 s 冷却时所得带材，其截面中心为等轴细晶( 粒径3 5 0 pm ) 而在近 表面区为柱状晶。用此法生产的含s i4 6 5 的高硅电工钢，其显微组织中的主 要成分是立方织构。通过调整浇铸和冷却制度，能够控制组织的均匀性程度、沿带 材长度和宽度的性能以及硅沿带材宽度和厚度的分稚。 ( 5 ) 逆流铸造法：这种工艺过程是将硅钢熔液“冻结”到在该熔液中移动的基 底带材上。用此法能制成在化学成分上有明显不同的复合带材，可以获得很高的磁 感应强度和低的磁致伸缩的良好结合。逆流铸造还适合用来制取“梯度”钢。在织 构钢带基底上进行的定向结晶工艺，有可能开发出新一类电工钢，具有立方织构和 条状织构的高硅各向异性钢，是电子工业和无噪声电动机用的优质材料。 ( 6 ) 气相合金化：1 9 9 4 年日本钢管公司开发的项制取6 5 s i 电工钢板的新技 术，在气相中由化合物热分解出的硅往基底带金属中扩散，进行硅合金化的过程。这种 方法能制取商硅电工钢并且能够获得晶粒度可以控制的各向异性和各向同性的材料。 l 。2 织构概述 由于工业生产对金属材料性能的要求日趋严格，以及织构研究方法的现代化，使人 们愈来愈深刻地认识到研究织构的必要性和织构对材料性能的重要影响。目前世界许多 国家都有不少专业人员在深入研究各种材料中的织构以及织构的形成机理。每3 年召开 一次有关织构的国际会议，新的研究成果不断涌现，并迅速被工业生产所吸收和应用。 同时人们也在继续探讨织构研究中许多悬而未决的问题【j 3 1 。现代工业对材料中织构的要 求远不只局限于有无而是根据不同产品要求特定的织构结构，因此研究实际生产中的织 构问题不仅是十分重要的，而且是非常必要的。 i 2 1 织构的概念 较现代的织构定义为：多晶体取向分布状态明显偏离随机分布的现象，而晶体取向 是指晶体的三个晶轴在给定参考坐标系( 如轧制样品坐标系) 内的相对方位，可以用具 有起始取向的晶体坐标系到达实际晶体坐标系时所转动的角度表达实际晶体的取向。织 7 内蒙古科技大学硕十学位论文 构常常产生于物理冶金的各种过程，如：铸造、形变( 冷变形和热变形) 、再结晶( 初 次爵结晶和= 二次再结晶) 、甚至粉末材料的烧结过程中。 1 2 2 材料中织构与性能的关系 对于一种多晶体材料，如果各个晶粒的空间取向分布状态明显偏离随机分布的话， 即称之为有织构【l “。金属的织构来源于许多方面：如铸造、轧制、再结晶和晶粒长大 等。金属中的织构对于材料的性能有很大影响f 1 3 j ，有时需要消除或减弱金属中的织构， 有时又需要在金属中形成很强的织构，如硅钢片。不同类型的织构对金属材料性能的影 响也不相同，因此需要对材料中的织构进行有效的控制，所以深入地研究材料中的织构 的形成、发展变化规律及对性能的影响具有很高的现实意义。 测定金属和合金中的织构方法有4 】：x 射线法、磁转矩法、中子衍射法、腐蚀坑法 等等。在这些测量方法中，x 衍射法较为准确。最近几十年间，利用计算机和自动衍射 仪联机澳4 量的方法发展迅速，自动化程度大大提高，各种织构分析软件也相应出现，这 些都为进行织构研究打下了很好的基础。 一个晶粒的取向具有三个自由度，而极图表达的是一个二维的信息，所以一个二维 极图无法完整地表达三维取向分布的概念，具有很大的局限性，容易对织构类型产生错 误判断。 最近2 0 年以来，取向分布函数o d f ( h 1 ( o r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 的方法得 到了很广泛的应用。 通常定义，f = f ( 口o j ，勃仇) ，卿，积伫的定义参见叫。 如果用g 来表述空间的某一取向，则可以用取向分布函数f ( g ) 表达空间取向g 的分 布情况，利用o d f ，可以更加准确地知道材料中晶体取向分布情况，为更好地定量化 研究织构提供了有力的工具。 在o d f 的实际计算和应用中，需要把o d f 展开成广义球函数，o d f 的广义球函 数的展开系数称为c 系数。如果我们知道了c 系数，实际上也就知道了整个o d f 函 数，在实际应用中，也经常使用c 系数来进行计算“。 对于单晶而言，测量它的物理或力学性质时，在不同的方向测量会得到不同的结 果。这种现象称为单晶性能的各向异性。由单晶性能的各向异性，会导致多晶性能的各 向异性。多晶呈现的宏观性能各向异性取决于两个因素：材料的织构和组成材料的单晶 的各向异性。在实际应用中，为了得到良好的性能，就需要从这两方面入手，即调节材 料的宏观织构和材料的单晶性质，协调搭配这两个因素，最后得到优异的材料性能。 一8 内蒙占科技大学硕士学位论文 实际生产中，织构对产品性能影响很大，对于一些材料而言，控制其织构成为控制 其性能的重要方面，例如深冲钢板、磁性材料、超导材料等。同时为了预测产品的性 能，常常需要建立一些数学模型，这就要求对材料的宏观性能和材料的织构之间的关系 作深入地研究，即从产品的宏观织构和单晶的性质出发，研究其宏观性能随这两个因素 的变化规律。 如果不考虑材料内部晶粒之间的相互作用，则材料的宏观性质实际上是组成这个材 料的各个单晶性质的加权迭加。为了计算材料的宏观性能，设想单晶体有某一性质m ， 它和晶体单晶的取向关系为m = m ( g ) ，将其展开成广义球函数： m 。村0 - 2 ) n l 为展开系数，r 为广义球函数。设此种材料的o d f 的广义球函数的展开系数为 c ，根据广义球函数性质，可以计算出材料在板平面内和轧向方向夹角为a 的宏观性能 为： _ ( 口) ：窆笠艺嘉m l m n c t r a n 。0 5 ( g i f t ) 。“( 2 ) “。1 “1 1 ( 1 3 1 即物质的性质由代表物质单晶性质的m 系数和物质织构的c 系数决定【1 3 l 。 1 2 3 磁性材料的各向异性 对于铁磁金属材料，取向对磁性有显著的影响。对此，一些著作已经做了专门的论 述( 1 6 】。 1 2 3 1 磁各向异性分类 实验表明，磁体被磁化时，沿磁体的某一些方向容易被磁化，而另一些方向不容易 被磁化。 d 铁单晶在 、 和 方向上的磁化曲线如图1 2 所示：在很小的磁场下 方向即达到磁饱和， 方向则较难达到磁饱和， 方向则更困难。为了表 征这种磁化的各向异性，称容易被磁化的方向为磁体的易磁化方向，对应的磁体单晶称 为易磁化轴；不容易被磁化的方向为磁体的难磁化方向，对应的磁体单晶称为难磁化 轴。在铁单晶中， 方向为铁单晶的易磁化轴， 方向为铁单晶的难磁化轴。 9 生茎点燮查兰堡主! 兰笪丝茎 1 d 0 0 3 1 1 z 节广r 罐缈 驴 ， 1 (u j l1 0 j 么，一 、i - 、 l ) u ，g b o1 5 h 帅2 3 9 4 u3 l * z u3 9 h u u 盛墉强度t a m 帙单晶不同晶向上的磁化性能 圉i 2 涨单晶在 1 0 ， 方向上的融化曲线 镍单晶的磁化方向和a 铁单晶相反， 方向为容易磁化的方向， 方向是难 磁化方向。 从能量观点来看，磁体从退磁状态磁化到磁饱和状态过程中，m h 曲线和h 轴之间 所包围的面积对应着磁化过程中外界对它所做的功。 w ：广h d m ( 1 - 4 ) 此磁化功就是磁体磁化过程中所需要的能量。从图1 2 可以看出，不同的方向达到 磁饱和需要不同的能量，这表明磁性体是磁各向异性的：易磁化方向是磁化能低的方 向，难磁化方向是磁化能高的方向。这种同磁化方向有关的能量称为磁晶各向异性能。 磁各向异性按照其起源的物理本质可以分成以下五种“：磁晶各向异性；感 生磁各向异性；形状磁各向异性：交换磁各向异性；应力磁各向异性。 上述五类磁各向异性，只有磁晶各向异性是磁性单晶体所据有的，其它类型在 广义上说，都是被感生出来的。 形状磁各向异性是反映沿磁体不同方向磁化与磁体形状有关的特性。在磁体内，当 磁矩取向一致时，就会在磁体表面产生磁极，形成退磁能。这种退磁能取决于磁体的几 何形状，例如由细长颗粒组成的磁体、磁性薄膜等都有很强的形状磁各向异性。 应力磁各向异性是反映磁体内的磁化强度矢量取向与应力方向有关的特性。 1 2 3 2 磁晶各向异性的唯象理论 立方晶体的磁晶各向异性能是取向角( 即磁化强度方向和易磁化方向的之间夹角) 的 函数。对于立方系单晶体，磁晶各向异性能表达式为： e = + k l ( q 2 口22 + 2 2 吗2 + q 2 吒2 ) + k 2 q 2 0 2 2 0 3 2 + ( 1 - 5 ) 1 0 扎 卜 o 0 、e，qq鼙骧剖鸶掇 内蒙古科技人学硕士学位论文 其中k o 、k 。、k ：称为磁各向异性常数。 ( f l 是和方向无关的常数，常常略去，、k 。 和温度及成份有关系，对一般材料，取到k ：项即可。常温下，不同硅含量硅钢中k 。值 为表1 2 1 。 表1 2 不同s i 含量硅钢的k 值 成份( 重量)，( 1 0 4 j m 3 ) 1 4 5 s i f e 3 0 6s i f e 4 4 8s i f e 5 3 8s i f e 6 3 7s i f e 4 6 4 2 5 3 6 5 3 0 0 2 4 0 2 2 0 1 2 4 织构的取向分布函数( o d f