（材料学专业论文）冷轧取向硅钢织构的演变规律及模拟分析.pdf

l 一 ，。、j ， ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l ss c i e n c e l i i illii l li i i i l li lliii y 1716 7 9 8 a n a l y s i s o fs i m u l a t i o na n de v o l u t i o no ft e x t u r e i nc o l dr o l l e dg r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l b yl uz h e n m i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i uy a n d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：! l 思。 学位论文作者签名：多撇 日 期：砌9 7 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：多极钦 签字日期：7 t , v 夕7 弓 新躲认：i 婚 签字日期：励夕夕； 东北大学硕士学位论文摘要 冷轧取向硅钢织构的演变规律及模拟分析 摘要 取向硅钢是电力、电子工业广泛应用的软磁材料，主要用于制造各类静态设备如变 压器等。取向硅钢的性能和其再结晶织构直接相关，而冷轧织构对再结晶织构有直接的 影响，因此本论文重点研究了不同应力应变状态对样品冷轧织构形成及演变规律的影 响，对有效控制与优化织构的发展具有重要的理论和实际意义。 本论文运用o d f 分析方式系统研究了同步和各种异步轧制条件下取向硅钢板主要 织构组分( q 纤维织构和丫纤维织构) 形成及转变机理，并结合e b s d 分析了微观织构和 特定织构组分的演变规律。应用有限元方法，定性地确定不同轧制工艺条件下的应变张 量沿层厚的分布，在其计算结果基础上用t a y l o r 模型对同步和异步轧制过程中的织构进 行模拟预测，从而进一步了解织构演变机理。 同步轧制和异步轧制方式下，取向硅钢薄板的冷轧织构均主要由强o c ( # r d ) 和相对较弱的丫( n d ) 纤维织构组成，其中a 织构以 0 0 1 卜一 1 1 2 组分为主， t 织构则包括 11 1 组分；就轧件整体而言，异步轧制削弱q 织构，此效应 随速比和变形量的增加而趋于加强，且对快辊侧厚度层和中间层的影响幅度相对较大； 异步轧制削弱丫织构沿层厚的分布梯度，此效应随变形量和速比的变化而变化。 通过对轧制过程的有限元模拟，可以看到同步轧制下应力应变关于中心层对称分 布，表层的剪切应变随变形量的增加趋于最大，而异步轧制产生复杂的应力应变沿层厚 分布不对称，靠近快辊侧的剪切变形最大；由基于有限元模拟结果的织构模拟预测可知： 剪切变形有利于减弱反高斯织构组分而提高 1 1 1 组分强度，因此，根据各层的原 始晶粒取向，合理控制剪切应变和轧制压缩应变的迭加，即在实际生产中有效结合同步 轧制和异步轧制方式，有助于最大化的提高有利的织构组分和抑制不利组分的产生，为 后序热处理得到单一晶粒取向提供必要条件。 关键词：取向硅钢；织构；异步轧制；同步s l n ：剪切应变；有限元 - i i - g r a i no r i e n t e ds i l i c o ns t e e li sa l li m p o r t a n ts o f tm a g n e t i cm a t e r i a li nt h ee l e c t r o n i ca n d e l e c t r i c a li n d u s t r i e s ，a n dc o m m o n l yu s e di ns t a t i ce q u i p m e n t s i t sp r o p e r t i e sa r ed i r e c t l y r e l a t e dt or e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r e ，w h i c hi si n f l u e n c e dd i r e c t l yb yp r i o rt e x t u r ed u r i n gc o l d r o l l i n g ，s o c o l d r o l l e dt e x t u r ea n de v o l u t i o nr u l eo fd i f f e r e n ts t r e s s - s t r a i n s t a t ew e r e i n v e s t i g a t e dp r i m a r i l yt oc o n t r o la n do p t i m i z et h et e x t u r ee v o l u t i o ne f f e c t i v e l y i nt h i st h e s i s ，t h ee v o l u t i o nr u l eo fm a i nt e x t u r ec o m p o n e n t si n c l u d i n gt - f i b e rt e x t u r ea n d 仅f i b e rt e x t u r ei ng r a i no r i e n t e ds i l i c o ns t e e ls h e e t ss y m m e t r i c a l l ya n da s y m m e t r i c a l l yc o l d r o l l e dw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fo d fa n a l y s i s ，a n dt h ee v o l u t i o nr u l eo fm i c r o t e x t u r e a n dc e r t a i nt e x t u r e c o m p o n e n t sw e r e r e s e a r c h e db yd i n to fe l e c t r o nb a c k s c a t t e r i n g d i f f r a c t i o n ( e b s d ) ；t h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i nt e n s o ra l o n gn d w e r ed e t e r m i n e dq u a l i t a t i v e l y b yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h e nt h et a y l o rm o d e lw a su s e df o rs i m u l a t i n ga n d f o r e c a s t i n gw h a tk i n d so ft e x t u r ec o m p o n e n tw i l la p p e a rd u r i n gs y m m e t r i ca n da s y m m e t r i c c o l dr o l l i n go nt h eb a s i so ft h er e s u l t t h er e s u l t so fc o l dr o l l i n gt e x t u r es h o wt h a t f o rb o t hs y m m e t r i cr o l l i n g ( s r ) a n d a s y m m e t r i cr o l l i n g ( a s r ) ，t h ec o l dr o l l i n g t e x t u r e sa r ec o n s i s t e do fs t r o n gi n c o m p l e t ea f i b e r ( r d ) r a n g e df r o m 0 0 1 t o 11 2 a n dc o m p l e t e 丫f i b e r ( n d ) ； a sf o rw h o l es a m p l e a s y m m e t r i cr o l l i n gi si n c l i n e dt od e c r e a s eaf i b e r ，a n dt h i se f f e c t ，w h i c h b e c o m e sm o r ep r o n o u n c e dd u et oi n c r e a s e dd e f o r m a t i o na n ds p e e dr a t i o ，h a sal a r g e ri m p a c t o nm i d d l el a y e ra n dl a y e r sa n e a r e df a s tr o l ls i d e ；a s y m m e t r i cr o l l i n gw e a k e n st h ed i s t r i b u t i o n g r a d i e n to fyf i b e ra l o n gn d ，t h ee f f e c tv a r i e sg o i n gw i t hv a r i a t i o no f d e f o r m a t i o na n ds p e e d r a t i o s t r e s s s t r a i ns t a t ed u r i n gs y m m e t r i cr o l l i n gi sc e n t r o s y m m e t r i c ，b u tc o m p l e xs t r e s s 。s t r a i n s t a t ed u r i n ga s y m m e t r i cr o l l i n gi sn o t ，c o n s e q u e n t l y ，m a x i m a ls h e a rd e f o r m a t i o nl i e si n s u r f a c el a y e rd u r i n gs y m m e t r i cr o l l i n ga n dl a y e r sa n e a r e df a s tr o l ls i d e ，a si sk n o w nb a s i n go n f e ms i m u l a t i o n ；t h er e s u l to ft e x t u r es i m u l a t i o no nt h eb a s i so fo nf e m s i m u l a t i o ns h o w s i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h a tc o n s i d e r i n go r i g i n a lg r a i no r i e n t a t i o ni na l ll a y e r s ，c o n t r o l l i n gt h er a t i oo fs h e a rs t r a i na n d c o m p r e s s i o ns t r a i ne f f e c t i v e l yi sp r o p i t i o u st oi m p r o v eb e n e f i c i a lt e x t u r ec o m p o n e n t sa n d i n h i b i tn e g a t i v et e x t u r ec o m p o n e n t s ，w h i c hp r o v i d e sn e c e s s a r yq u a l i f i c a t i o nf o rs u b s e q u e n t h e a tt r e a t m e n tt og a i ns i n g l eg r a i no r i e n t a t i o n k e y s o r d s ：g r a i n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l ；t e x t u r e ；a s y m m e t r i cr o l l i n g ；s y m m e t r i cr o l l i n g ；s h e a r s t r a i n ；f e m i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 取向硅钢发展概况1 1 1 1 国外取向硅钢发展状况l 1 1 2 国内取向硅钢发展状况2 1 2 取向硅钢生产工艺及最新发展3 1 2 1 取向硅钢生产工艺。3 1 2 2 取向硅钢生产技术的最新发展3 1 2 2 1 含锡、铜的h i b 钢3 1 2 2 2 低温铸坯加热技术4 1 2 2 3 薄板坯连铸连轧技术4 1 2 2 4 细化磁畴技术5 1 3 冷变形织构模拟5 1 4 有限元模拟7 1 4 1a n s y s 介绍8 1 4 2a n s y s l s d y n a 介绍9 1 5 异步轧制技术及应用1 l 1 5 1 异步轧制技术的发展1 1 1 5 2 异步轧制技术的特征1 2 1 6 本论文的研究目的、意义和内容1 3 第2 章实验材料与实验方法1 4 2 1 实验材料1 4 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 实验方案1 4 2 2 1 酸洗1 4 2 2 2 冷轧1 4 2 3 样品检测1 6 2 3 1 织构测量 2 3 2e b s d 检测。 2 3 3 宏观织构分析原理。 第3 章冷轧取向硅钢的织构分析 3 1 冷轧织构沿厚度方向的分布特征。 3 1 1 同步轧制样品织构沿厚度方向的分布特征 3 1 21 1 8 7 5 速比异步轧制样品织构沿厚度方向的分布特征 3 1 31 2 5 速比异步轧制样品织构沿厚度方向的分布特征 3 2 轧制方式对冷轧织构的影响 3 2 15 0 压下率下轧制工艺对冷轧织构的影响 3 2 27 0 压下率下轧制工艺对冷轧织构的影响 3 2 39 0 压下率下轧制工艺对冷轧织构的影响 3 3e b s d 测量分析 3 3 分析与讨论 3 4 本章小结。 第4 章冷轧过程中的织构模拟 4 1 应变和等效应力的概念 4 1 1 应变的概念介绍 4 1 2 等效应力的概念介绍 4 2 轧制过程中计算模型的建立 4 3 轧制过程中应变状态对织构的影响 4 3 1 不同工艺条件下应力应变的分布 4 3 2 不同应变状态下织构的模拟 4 4 分析与讨论 v i 东j v i i 第 参 致 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 晶粒取向硅钢( g r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l ，简称取向硅钢) 是一种硅含量为3 的电 工用钢，是电力、电子等行业不可或缺的软磁材料。取向硅钢主要用于制造各种型号的 变压器，是一种重要的节能功能材料【l 2 】。硅钢实质是高硅及低碳的铁素体钢，由硅钢和 有关元素配合，通过较复杂、要求严格的炼钢、热轧、冷轧、热处理工艺获得晶粒状取 向一致排列在易磁化方向的高斯织构 1 1 0 ，得到良好的、不同等级的电磁性能， 晶粒在易磁化方向取向程度越高，则磁导率越高，铁损越低，这样可大大减少铁损，降 低能耗，提高电器寿命【3 1 。 1 1 取向硅钢发展概况 1 1 1 国外取向硅钢发展状况 冷轧取向硅钢的研究工作始于上世纪3 0 年代。19 3 0 年美国学者g o s s l 4 1 通过冷轧和 退火工艺探索晶粒易磁化方向 平行于轧制方向排列的取向硅钢带卷制造工艺，并 于1 9 3 4 年采用两次冷轧和退火工艺制成 1 1 0 择优取向的f e 3 s i 钢，成为取向 硅钢生产技术史的重大突破。经过2 0 年不断发展，a r m c o 公司于5 0 年代中期完善了以 m n s 为抑制剂的二次冷轧法晶粒取向硅钢生产工艺，即a r m c o 工艺，产品命名为普通 取向硅钢( 简称g o 钢) 。1 9 5 7 年，前西德阿什姆斯( f a s s m u s ) 在实验室内生产出了双取 向硅钢片( 立方织构的硅钢) 沿轧向和横向都有很高的磁性1 5 】。1 9 5 9 年，利用a r m c o 工艺 可生产0 3 0 m m 厚的产品，逐步取代了热轧硅钢片的生产1 6 j 。 取向硅钢的发展以逐步降低铁损为目的。1 9 6 1 年新日铁公司在引进m r m c o 技术基 础上，首先试制以a 1 n + m n s 为综合抑制剂的高磁感取向硅钢( 简称h i b 钢) p ，8 】。此后经 过确定采用钢水真空处理微调成分、热轧带高温常化并急冷等工序以及改进m g o 隔离 剂配方和发展应力绝缘涂层等措施后，成功制造出h i b 钢并日臻完善，新日铁于1 9 6 8 年正式生产z 8 h 牌号h i b 钢。在7 0 年代中期美国开发了铁损极低的铁基合金并用它 代替取向硅钢开始制造配电变压器后，迸一步促进了日本冷轧电工钢的迅速发展。1 9 7 8 年日本东北大学荒井贤一等人开发了4 5 6 5 s i f e 快淬微晶薄带，但尚未正式生产一j 7 0 年代中后期，新日铁和川崎公司采用提高硅含量、减薄产品钢带厚度和细化磁畴技术， 从1 9 7 9 年陆续生产了0 3 0 r a m 厚z 8 、0 2 7 m m 厚z 7 和0 2 3 r a m 厚z 6 普通取向硅钢以及 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 0 3 m m 厚z 6 h 、0 2 3 m m 厚z 5 h ( 新日铁，1 9 8 2 年) 和r g 5 h ( 川崎，1 9 8 1 年) 。1 9 8 3 年新 日铁采用激光照射细化磁畴生产了0 2 3 m m 厚的z 5 h ，1 9 8 7 年川崎采用等离子喷射细化 磁畴法生产同样的r g h p j 产品。1 9 8 6 年日本钢管公司高田芳一等采用化学沉积渗硅法 ( c v d 法) 生产出了6 5 s i 硅钢【lo 】，并于1 9 8 7 年采用温轧法制造6 5 s i f e 合金，1 9 9 3 年实现工业化生产，产品命名为“s u p e r - ec o r e ”产品，主要用于高频电机和变压器以及 磁屏蔽。1 9 8 8 年新日铁采用齿状辊加工法制成耐热的细化磁畴z d m h 牌号产品。1 9 9 2 年川崎公司采用化学浸蚀形成沟槽法亦制成耐热的细化磁畴r g h h p d r 牌号l l 。近2 0 年来，为了高效节能和与非晶软磁材料相竞争，硅钢的发展速度比以前4 0 年更快。 1 1 2 国内取向硅钢发展状况 我国取向硅钢的研究工作起步于上世纪中叶【1 2 】。1 9 5 7 年，冶金部钢铁研究院开始 试制3 硅冷轧取向硅钢，确定了两次冷轧和退火的合适工艺以及慢升温的高温退火工 艺，制成了 11 0 取向硅钢，但由于对抑制剂和高温加热热轧的前工序认识不足， 磁性不稳定。1 9 5 9 年太原钢铁厂和鞍山钢铁公司先后开始试生产取向硅钢。1 9 6 4 年， 采用m n s 为抑制剂、连续炉脱碳退火、涂m g o 隔离剂、罩式炉高温退火和涂绝缘膜工 艺使取向硅钢磁性和磁稳定性明显提高。1 9 7 3 年，开始研究取向硅钢中锰、硫和碳的合 适含量以及残余铝含量的有利作用，特别是板坯加热温度和加热制度。1 9 7 7 年，在验证 和消化日本专利的基础上制成了h i b 钢。1 9 8 7 - 1 9 8 9 年，在h i b 钢中加入锡和铜，采 用两段式高温常化处理和冷轧时效工艺制成z 7 h 高牌号。 目前，武钢是我国硅钢产量最大且唯一能够生产冷轧取向硅钢的企业。1 9 7 4 年，武 汉钢铁公司从日本新日铁引进了冷轧硅钢制造设备和专利技术，并于1 9 7 8 年投产。对 有特殊要求的重要原材料，如高级硅铁、m g o 隔离剂和绝缘涂料，通过与有关单位合作 研制已完全立足于国内。武钢在掌握r 本专利技术后取得了很大进展。在制造工艺方面 全部采用钢水真空处理和连铸法，使用热轧板常化和一次大压下率冷轧法。截止到2 0 0 7 年年底，国内仅有武钢生产冷轧取向硅钢，2 0 0 6 年、2 0 0 7 年产量分别为2 0 7 9 9 万t 和 2 7 3 9 8 万t1 1 3 。预计武钢2 0 0 9 年的取向产量是3 5 万t ，其中h i b 钢达到5 万t 。三硅钢于 2 0 0 8 年年底投产，武钢硅钢总产能达到1 6 0 万t ，届时取向硅钢总产能将达到4 0 万t 。 比产量扩充更为重要的是其高磁感h i b 产量提升更多，预计h i b 钢将占取向硅钢总量的 4 0 ，将为国内大型变压器厂提供更多原材料。鞍钢取向硅钢项目设计规模为年产2 6 万吨，总投资5 7 亿元，分两期进行，一期1 0 万t 年，计划于2 0 0 8 年下半年投产；二期 1 6 万t 年，计划2 0 1 0 年竣工，该项目所用的设备从法国、德国进口，生产工艺方面， 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采用自主研发。宝钢2 0 0 8 年7 月取向硅钢将投产，已经从日本引进、安装了环形炉、 罩式炉，安装了一条退火和酸洗生产线、两条脱碳退火线和一条绝缘涂装生产线，2 0 0 9 年第一期工程达到1 0 万t 产能。太钢六轧厂硅钢扩建工程完成，计划取向硅钢产能为1 5 万t 。 1 。2 取向硅钢生产工艺及最新发展 1 2 1 取向硅钢生产工艺 取向硅钢按制造工艺特点和磁性高低分为g o 钢和h i b 钢两类。g o 钢的特点是以 m n s ( 或m n s e ) 为抑制剂和采用二次中等压下率冷轧法进行生产，g 9 以上高牌号加少量 铜。h i b 按采用的抑制剂和制造工艺上不同可分为3 种方案： ( 1 ) 日本新日铁发展的以a 1 n 为主，并以m n s 为辅的抑制剂和一次大压下率冷轧 法，其磁性高且稳定，是最通用的h i b 产品制造工艺。 ( 2 ) 日本川崎发展的以m n s e ( 或m n s ) + s b 为抑制剂和二次中等压下率冷轧，最终 退火经二次再结晶和高温净化二段式退火工艺，其磁性略低于( 1 ) 方案且较不稳定。 ( 3 ) 美国g e 和a l c 公司发展的以n + b + s 晶界偏聚元素为抑制剂和一次大压下率 冷轧法。下面是取向硅钢的通用生产工艺流程，见图1 1 所示【l 4 。 。 真空处理 惜姥l 一螺l 热连轧 l 铁水脱锰卜_ 叫冶炼 堡望l7 i 苎竺i h ( 微调成分)( 高温加热) + 连铸+ 电子搅拌 常化和酸洗 一次冷轧h 中间退火卜叫二次冷轧 l 高温退火卜 平整拉伸退火 和涂绝缘膜 一次冷轧 图1 1 取向硅钢的生产流程 f i 9 1 1f a b r i c a t i o np r o c e s so fg r a i no r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 1 2 2 取向硅钢生产技术的最新发展 热连轧 ( 高温加热) 1 2 2 1 含锡、铜的h i - b 钢 新日铁采用的化学成分含有0 0 6 0 1 4 锡、0 0 6 - - 0 1 5 铜，形成以a i n + c u x s 为 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 主要抑制剂，s n + m n s 为辅助抑制剂的h i b 钢【1 5 , 1 6 。从5 5 0 。c 开始，锡在取向硅钢中的 晶界偏聚浓度随温度的升高而下降，在二次再结晶起始温度9 5 0 。c ，锡在晶界仍有一定 偏聚量。锡通过晶界偏聚发挥了重要的抑制初次晶粒长大的作用，从而弥补了由于硅含 量的提高造成的a i n 质点粗化、弥散度降低、抑制剂强度下降之不足。作为一种辅助的 抑制剂，还可降二次再结晶温度。保证了h i b 钢在较高的硅含量下仍能得到完善的 11 0 二次再结晶组织。 由于在h i b 钢中加锡的同时加入了少量的铜，因而在热轧时形成的硫化物质点主 要为( m n ，c u ) s 和( m n ，c u ) 1 8 s ，后者较前者更加细小。并且随着质点尺寸的减小，质点中 铜的含量不断的提高。因此，加铜起到了细化硫化物质点，提高硫化物析出量的作用【l7 1 。 1 2 2 2 低温铸坯加热技术 概括起来，取向硅钢目前主要有以下两种低温铸坯加热生产工掣1 8 , 1 9 ： ( 1 ) 后期渗氮工艺( 日本新日铁八幡厂) ：在炼钢时只添加微量铝元素，主要用于生 产h i b 取向硅钢。其成分要求硫的质量分数 0 0 0 7 ，在脱碳退火后进行渗氮处理。该 工艺主要特点为在脱碳退火后钢带需经7 5 0 x 3 0 s 的渗氮处理。高温退火升温过程中形 成( a 1 ，s i ) n 质点，在二次再结晶发生前阻碍初次晶粒长大。脱碳退火后初次品粒的合适 尺寸为1 8 3 0 岬( 大于高温铸坯加热工艺的初次晶粒尺寸) 。该工艺可将铸坯加热温度降 低至1 1 5 0 1 2 0 0 ，是目前取向硅钢工业生产中铸坯加热采用的最低温度。 ( 2 ) c u 2 s 先天抑制剂工艺( 俄罗斯上依谢特及新利佩茨克厂、德国t h y s s e n 、韩国浦 项) ：生产g o 钢时以c u 2 s 作为主要抑制剂，c u 2 s 经1 2 5 0 - 1 3 0 0 * c j j h 热实现完全固溶。 热轧过程中析出的细小弥散c u 2 s 质点起到抑制剂作用，而热轧板中残存的粗大m n s 颗 粒不起抑制作用。初次晶粒尺寸介于高温铸坯加热工艺及低温铸坯加热工艺之间( 1 5 2 5 1 x m ) 。生产h i b 钢时以c u 2 s + a i n 作为抑制剂，热轧板经常化处理析出细小a 1 n 质点。 在脱碳退火后常采用渗氮处理，进一步加强抑制能力。该项技术可将铸坯加热温度降低 至1 2 5 0 , - - - 1 3 0 0 。 1 2 2 3 薄板坯连铸连轧技术 薄板坯连铸连轧生产取向硅钢的特征为2 0 2 1 】： ( 1 ) 第二相析出物细小，平均尺寸不大于6 0 n m ；板坯加热温度低、时间短。 ( 2 ) 传统工艺2 1 0 m m 厚铸坯，等轴晶约2 5 。薄板坯连铸冷却速度快，等轴晶与 柱状晶的比率在3 5 7 5 之间，等轴晶尺寸小于1 5 m m 。 ( 3 ) 切边量方面的比较：传统厚坯工艺单边切2 5 m m ，共切5 0 m m ；薄板坯工艺单边 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 切1 0 m m 共切2 0 r a m 。据交流介绍，采用c s p 工艺生产的普通取向硅钢和高磁感取向硅 钢，磁性分别达到新日铁z 8 和z 6 h 的典型值。 薄板坯连铸连轧工艺能生产取向硅钢。由于铸坯快速凝固，第二相析出物细小、均 匀，并可实现较低的铸坯加热温度。这是薄板坯连铸连轧工艺生产取向硅钢的最主要特 点。 1 2 2 4 细化磁畴技术 磁畴细化技术【2 2 ，2 3 】就是通过减小取向硅钢主畴宽度来降低其涡流损耗的物理处理 方法。磁畴细化技术可以使取向硅钢铁损降低1 0 - - - 2 0 。新日铁采用激光照射技术使 h i b 钢铁损降低1 5 左右，牌号为d 2 k h 的磁畴细化硅钢片于1 9 8 3 年投入市场。日本 j f e 公司开发了一种耐热型的磁畴细化技术，其0 2 3 m m 和0 2 7 r a m 的产品以j g s d 的 名称商品化。在欧洲和美国的专利中，也报道了通过局部热变形或轧辊形成沟槽的磁畴 细化方法。而在我国，该项技术研究尚处于起步阶段，仅东北大学、大连理工大学和航 空部五零一所有相关研究的报道。广泛研究国外细化磁畴的方法，深入研究细化磁畴的 理论，并以此为鉴，对于开发出适合我国硅钢生产实际情况的磁畴细化技术具有很大的 意义。 磁畴细化技术按照其是否能经受8 0 0 。c 以上消除应力退火处理分为耐热和非耐热两 种。非耐热磁畴细化技术主要有：机械加工法、激光照射法( 日本新日铁公司，z d k h ) 、 放电处理法( 美国a l c 公司) 、等离子流照射法( 日本川崎钢铁公司，g r h p j ) 、局部加热 法、超声波振动和喷射流体法。耐热磁畴细化技术主要有：局部应变+ 热处理法、局部 引入应变区和酸沈形成沟槽法、局部去除玻璃膜并电镀或涂充填物法、电解刻蚀法。 1 3 冷变形织构模拟 金属单晶体塑性变形时会发生晶体转动，多晶体塑性变形时各个晶粒同样会发生转 动。由于晶体转动是按一定的趋势进行的，故当塑性变形量增加时，多晶体中原来为任 意取向的各晶粒会逐渐调整其取向，使金属材料变为具有某种择优取向的多晶体织构。 这种因塑性变形而形成的择优取向的多晶体组织就叫做形变织构【2 4 。 影响形变织构类型的因素很多，其中包括变形条件( 变形方式、应力状态、变形温 度、变形速度、变形程度、润滑条件) 、材料的基本性质( 点阵类型、化学键性质、层错 能、原始织构、晶粒大小等) 以及合金化特点( 合金元素的性质、浓度、相状态等) 。滑移 是晶体塑性变形过程中起主要作用的形变机理。分析形变织构的形成，很重要的方面就 是分析形变过程中晶体中的有关滑移系开动后是如何引起晶体转动而变成某种择优取 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 向的。 硅钢板在冷轧和再结晶过程中形成的织构是决定其性能的主要因素。控制和发展有 利织构组份可以充分发挥材料性能的潜力。为此，需要建立合适的形变织构模拟模型， 以求尽可能地真实描述织构材料塑性变形行为，揭示织构导致材料塑性各向异性的微观 机制，这将利于新型织构板材的设计，并为保证产品质量实现生产现场对其性能的预估。 多晶体材料在变形过程中，其中某一晶体的变形在很大程度上要受到其周围晶粒的 限制，近邻晶粒的取向以及它们的变形状态都会影响晶粒本身的变形及其取向的变化。 由于晶粒间的取向关系有无穷多个，基于某些假设的模型被建立起来，对晶粒变形时其 周围的环境作出概括性的估计，以简化对变形过程的分析。目前，形变织构的模拟有两 种主要的模型：s a c h s 模型t 2 5 1 和t a y l o r 模型2 6 1 。传统 约t a y l o r 模型又被分成很多的枝节， 例如松弛约束t a y l o r 模型和应变率敏感模型【27 】最早用于形变织构模拟的模型是s a c h s 模 型，它是由s a c h s ，c o x 和s o p w i m 提出的。s a c h s 模型认为塑性变形的应变f ，通常可以用 应变张量： 嘛，韪鞋 应力( 盯， 0 ) 和板法向压应力( 田3 o ) 。应力张量町为： h 耋， 则表现为轧向的拉 ( 1 2 ) 由于晶粒取向不同，各晶粒变形时要产生的切变一般并不相同，晶粒间对切应变的 相互阻碍作用会使晶粒变形时实际承受的应力状态以不同方式偏离( 1 2 ) 式。s a c h s 模型认 为，多晶体轧制变形时，每个晶粒都承受式( 1 2 ) 所示外应力，并忽略应变的不连续性， 对晶粒切应变无任何限制，也称为应变无约束模型。在这个模型中多晶的张力屈服强度 值取其中晶体张力屈服强度的平均值，而且假设每个晶粒中只有一个滑移系开动。t a y l o r 指出这种假设不能很好地解释变形。事实上，多晶在变形时，其形状的变化跟相邻的多 个晶粒有关。显然，只有一个滑移系的开动是满足不了这种条件的。所以，s a c h s 模型 很少用于多晶体材料的织构模拟。 为了克) 艮s a c h s 模型的不足，t a y l o r 假设所有的晶粒作为一个总的多晶体来进行形状 的变化。这个思想满足所有多晶体材料的相容性要求。 - 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 t a y l o r 模型假设多晶体内晶粒的应变张量都是一样的，并对应变张量中每一个分量 都作了统一而具体的规定，比如只在轧向伸长并沿板法向变薄，其余应变分量都为零， 即为： 00 、 ( 8 口) = 10 00 l ( 1 3 ) l o0 j 所以也被称为应变全约束模型。 用上述两种模型计算得出的织构与实际织构有显著差异，考虑到变形时晶粒中切应 变丫l l 托3 及丫3 l 对织构具有影响，出现了泰勒模型的修正模型。设想多晶体内某一晶粒 可能的变形过程可以体会到，在外力作用下位错运动所要产生的切应变既不能完全实 现，也不能被阻止为零，应变部分约束模型估计出在( 1 2 ) 式所示应力状态下开动的滑移 系所要造成的切应变有多大部分可以实现，兼顾了应力和应变的连续性，模拟结果更符 合多晶体变形过程。 全约束模型要求必须有s 个滑移系开动以满足每个晶粒的相容性。但这被认为是太 严格的条件。为此，h o n n e f 、m e c k i n g 和v h o u t e 等提出了松弛约束t a y l o r 模型，在这个 模型里面，部分抛弃了变形的均匀一致性，一些特殊的剪切应变被松弛。在轧制变形中， 假定轧制方向为衲、轧面法线方向为x 3 时，将丫1 3 作为一个自由变量，这一剪切应变的大 小由满足其他条件下视滑移系的开动情况而定。无论是全约束还是放松t a y l o r 模型都遵 循最小功原理，即： 形= t ：k i 。l - 1 1 1 i n ( 1 4 ) z - 一厶ol i 、 上= l 近年来，发展起来一种新的理论，被称为应变速率敏感性模型，该理论假设，即使 分切应力很小，某一特定的滑移在一个应力条件下也可以在所有的滑移系上被激活，在 此模型中引入了应变速率敏感性指数聊，其值与形变的温度和材料的状态有关2 8 1 。 l s t o t h 通过迭代法解决了这一非线形方程组，并成功地模拟了大应变硬化曲线。 1 4 有限元模拟 近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程( c a e ) 技术以其高效率、低 成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。计算力学与数值模拟相结合， 大大改变了传统的轧制技术研究方法。采用数值模拟方法代替轧制物理模拟，实现 对各种轧制过程的三维解析，进而用于轧件尺寸形状预报、力能参数优化、工艺参数优 - 7 - ，- 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 化和设备设计，直至金属组织性能预报和控制。虚拟技术的发展和应用，将可使轧制试 验、轧机设计、工厂设计虚拟化，达到更加直观和可行。随着有限元分析理论的发展和 数值分析技术及计算机技术的进步，六十年代末、七十年代初出现的大型通用有限元分 析程序以其功能强大、用户使用方便、计算结果可靠、效率高而逐渐成为工程技术人员 和科研人员强有力的分析工具。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组 有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。 有限元分析计算的思路和方法可归纳如下： ( 1 ) 实体的离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，离散后单元之间利用单元的节 点相互连接起来，单元节点的设置、性质和数目等视问题的性质、描述问题的需要而定。 所以有限元法中分析的结构己不是原有的物体，而是具有同样或相近材料的众多单元以 一定方式连接成的离散体。 ( 2 ) 单元特性分析 1 ) 选择位移模式。在有限单元法中，较多应用位移法，即选择节点位移作为基本 未知量。物体或结构物离散化之后，单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点 位移来表示；2 ) 分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、 位置及含义等，应用弹性力学中的几何方程和物理方程建立节点力和节点位移的方程 式，从而导出单元刚度矩阵；3 ) 计算等效节点力。物体离散化后，假定力是通过节点 从一个单元传递到另一个单元，用等效的节点力替代所有作用在单元边界上的表面力、 体积力或集中力。 ( 3 ) 单元组集 利用结构离的平衡条件和边界条件把各个单元按 体的有限元方程：k q 书式中k 为整体结构的刚度矩 阵。 ( 4 ) 求解未知节点位移 解有限元方程得出位移。这里可以根据方程组的 可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合 ， 是为了对整体结构进行综合分析。 1 4 1a n s y s 介绍 a n s y s 软件是当今诸多有限元分析软件中的一 - 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元程序。它 是由j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建的a n s y s 有限公司的主要产品。a n s y s 软件主要 包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大 的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构 分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、 声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有 灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、 矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上 的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 1 4 2a n s y s l s d y n a 介绍 l s d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复 杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线 性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认 可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。 ( 1 ) d y n a 分析中的单元 在d y n a 分析中总共有7 种单元类型，与a n s y s 隐式单元( 女n b e a m 4 ，s h e l l l 8 1 ， s o l i d l 4 5 等) 相比能承受更大的变形，因此特别有利于大变形的模拟计算。同时，d y n a 单元支持所有非线性选项，每种单元可用于几乎所有材料模型。选择合适的单元类型后， 输入材料性能参数，如弹性模量、泊松比、密度、屈服强度等。 ( 2 ) 几何模型的简化和网格划分 d y n a 分析中的建模方法与其他a n s y s 分析中的建模方法相同，也可以有实体建模 ( 自顶向下) 和直接生成( 自底向上) 两种。为了使计算结果精确，避免网格形状奇异。 ( 3 ) d y n a