钢材组织性能的控制.ppt

钢材组织性能的控制7 1电磁性能的控制硅钢 Fe Si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 5mm1 0 2 5 Si变压器厚0 35mm3 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 30 40 体积减少30 40 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 0H 0 真空导磁率加铁芯后 B总 B0 B芯 B芯 r 0nI 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 叫矫顽力矫顽力的大小反映了磁性材料保存剩磁状态的能力 P1 fn Anfn 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 fn B h 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 P1 P2 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Fe Si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 SiO2 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 V K 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P2 fn B h 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 12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 B25B50B100P10P15P17500 55018 119 420 60 6251 8692 47650 70016 117 719 70 881 952 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P10 50B25B50 瓦 公斤 高斯 高斯 300 551800019100520 511900019800700 531815018850 总压下率一定 道次压下率增大时 磁性好轧制道次数B25 高斯 P10 瓦 公斤 26次173000 9016次181000 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 3 5 110 001 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 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 hR 1 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 R0 2R45 R90 4R0 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 s bd 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6 8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AlNAl 取0 02 0 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 1200 1300 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6 8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 8 1 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 300 350 合金钢 350 400 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 f44 45kg mm2900 400小时 f21 22kg mm2950 400小时 f12 15kg 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 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0 4级GH30合金 火焰筒以冷热疲劳为主 晶粒度为5 8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