【精品】钢中织构的控制方法设计.doc
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攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：
钢中织构的控制方法设计
学生姓名：
陈新学号：
200911102006
所在院（系）：
材料工程学院
专业：
材料科学与工程
班级：
2009级材料科学与工程专业1班
指导教师：
唐代明职称：
副教授
2013年1月6日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
钢中织构的控制方法设计
1、课程设计的目的
使学生融会贯通金属学及热处理、金属材料学、冶金概论等课程理论知识；培养学生检索科技文献的能力；培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
1、钢中织构的产生原因分析。
2、钢中织构的检测方法分析。
3、钢中织构对性能的影响分析。
4、冷轧硅钢片中织构的控制方法设计。
5、按学校及材料工程学院关于课程设计的相关要求提交设计说明书。
3、主要参考文献
1崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理.第2版.北京：
机械工业出版社，2007
2C.S.巴瑞特，T.B.马萨尔斯基.金属的结构.陶琨，王英华，潘金生，等译.北京：
机械工业出版社，1987
3余永宁，毛卫民.材料的结构.北京：
冶金工业出版社，2001
4余永宁.金属学原理.北京：
冶金工业出版社，2000
4、课程设计工作进度计划
第1～2天：
布置课程设计任务，下发本任务书，钢中织构的产生原因，检测方法分析。
第3～4天：
钢中织构对性能的影响分析。
第5～7天：
冷轧硅钢片中织构的控制方法设计，提交设计说明书的提纲或初稿。
第8～10天：
修改、完善设计说明书，并提交。
指导教师（签字）
日期
201年月日
教研室意见：
201年月日
学生（签字）：
接受任务时间：
201年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
钢中织构的控制方法设计
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
钢中织构的控制方法设计
1钢中织构的产生原因分析
1.1织构的定义
一般认为，许多晶粒取向集中分布在某一或某些取向位置附近时称为择优取向。
择优取向的多晶体取向结构称为织构。
然而，随着科技的不断进步以及人们对织构更精细的研究，上述织构已经不能精确表达织构现象。
因此更确切的织构概念应该是：
多晶体取向分布状态明显偏离随机分布的取向分布结构[1～2]。
1.1.1织构存在的普遍性
织构常常产生于多晶体材料物理冶金的各种过程之中，如铸造、变形、退火乃至相变过程都会引起织构的生成，由于织构对材料的研究有很大意义，因此对织构的研究也显得颇为重要[2]。
1.2织构的类型及产生原因
钢中织构按其形成原理可分为形变织构和再结晶织构，其产生原理如下。
1.2.1形变织构
经金属塑性加工的材料，如经拉拔、挤压的线材或经轧制的金属板材，在塑性变形过程中常沿原子最密集的晶面发生滑移。
滑移过程中，晶体连同其滑移面将发生转动，从而引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有序化。
这种由于冷变形而在变形金属中直接产生的晶粒择优取向称为形变织构。
1.2.2再结晶织构
具有形变织构的冷加工金属经过退火、发生再结晶以后，通常仍具有择优取向，称为退火织构或再结晶织构。
再结晶织构依赖于所牵涉的再结晶过程，分为初次再结晶和二次再结晶织构。
尤其是对硅钢片的织构曾进行过很多研究。
由于金属原有变形织构的漫散程度和延伸率、退火温度以及退火气氛等的差异，实际的再结晶织构的去向不同程度地偏离理论的再结晶织构取向。
再结晶织构的形成有两种理论，即定向成核学说与定向成长学说。
再结晶晶粒的择优取向由一些晶核的取向所决定，这种看法最早由伯格斯提出。
定向成长理论是贝克提出来的，他认为在形变基体内存在着各种取向的晶核，其中有些晶核因取向合适，晶界
移动本领最大，在退火过程中成长最快，最后形成再结晶织构[3]。
2钢中织构的检测方法分析
织构之所以获得广泛研究，是由于他对工业产品的性能有很大影响。
晶粒为无规则取向的细晶粒试样中，各个方向的性能都相同，而具有择优取向的试样，其性能呈现方向性，即具有各向异性。
这种方向性也许是人们想得到的；也许并不希望他出现；这取决于材料要实现哪种用途。
因此对于织构的检测就显得尤为重要。
2.1中子衍射测量
中子衍射测量织构的发展经历了一个漫长的过程，1945年以后核反应堆的出现使得中子衍射成为可能，直到1953年才将它第一次用作织构的测量。
中子衍射作为织构的分析方法具有较高的精确度，但对大量的材料进行定量织构的研究还有待于发展，对各种描述织构的变量进行理论上的分析和实验上的测量仍处于初级阶段，目前人们期望它能发展到从统计上完全的描述多相材料的晶粒状态，进而通过组成材料的晶粒以及描述织构变量的性质从理论上推导出材料的性质。
虽然中子衍射法的测量结果最佳，但设备昂贵，成本高。
应用不太广泛。
2.2X—射线衍射测量
X射线衍射法分为X射线衍射波谱法和X射线衍射能谱法。
两者的差别在于所用X射线及探测器类型不同。
由于X射线衍射能谱法测定织构比X射线衍射波谱法速度快、效率高。
因此在实际操作过程中我们主要采用X射线衍射能谱法。
其原理为：
X射线衍射能谱法是以连续波长的X射线作为射线源，不同波长的X射线对应的能量E以及X射线衍射的Bragg公式得到如下公式：
2Edsinθ=hc
由公式知在一定的入射角下，样品的不同晶面间距与入射X射线能量一一对应。
换言之，在某一特定入射角位置利用半导体能谱探测器能同时测定来自样品不同晶面的X射线衍射强度，而强度信息反映了晶体择优取向的严重程度，从而达到织构测定目的。
且成本相对较低，测量结果可靠，因此应用较广泛。
2.3超声波测量方法
超声波在多晶体金属材料中传播，波速受到织构的强烈影响。
利用超声波进行无损的织构系数测量也是织构研究人员的研究课题之一。
但超声波测量方法只能测量出与材料弹性性质相关的织构系数W420,W400,W440。
中国科学家则给出了立方晶粒各向异性集合的多晶体的超声波波速与织构系数之间的关系式。
这些理论研究表明，超声波测量材料的部分织构是可行的，此外，超声波方便快捷。
在使用电磁传感器时，还具有非接触的优点；在国外，已经开始将超声波用于材料生产加工过程的在线监测。
比较上述几种方法不难发现X射线衍射法和超声波测量法在钢材织构方面的测量具有较明显的优势。
随着科技的不断发展，研究的进一步深入。
织构的测量以及分析将会变得更加容易与精确[4]。
2.4取向成像电子显微术
取向成像电子显微术是一种以EBSD和SEM为基础发展起来的技术，它能够逐点测量材料的微结构，得到晶粒取向分布、晶粒尺寸、边界形式、取向差等信息。
由于它是逐点测量，得到的取向信息更加完整，是一种很好的测量方法。
由于该方法需要专门的试样，且设备昂贵，不适于高速连续的大规模工业生产的在线监测与监控要求。
3钢中织构对性能的影响分析
由于织构的产生，钢材料将表现出不同程度的各向异性，当单晶体结构的对称性较差而且多晶体的织构明显时,性能的各向异性表现得更加明显。
合金钢的线膨胀系数与多晶体试样所具有的织构有很大关系,因为线膨胀系数在多晶体的各轴方向上表现出明显的各向异性。
研究结果表明,织构取向与线膨胀系数有良好的对应关系。
作为用途极其广泛的钢材料,织构对力学性能（主要是屈服强度和蠕变性能）的影响尤为重要。
就屈服强度而言：
对不同的合金钢的研究发现,屈服强度比断裂强度表现出更大的各异性。
管材的纵向屈服强度值比横向值平均低70～80MPa。
按一定工艺轧制的钢板在轧制方向上具有高度集中的基极,其性能也是高度各向异性的,屈服强度在轧制方向上为364MPa，然而在与轧制方向成67.5°交角时为497MPa。
其次是蠕变性能：
在蠕变中起重要作用的是滑移平面相对于切应力方向的取向，滑移平面的取向取决于材料的织构,而切应力的方向取决于试验方式。
因此改变材料的织构就可以在所需要的方向上调节材料的抗蠕变性能[5]。
3.1织构对冷轧硅钢片的影响
3.1.1电工钢织构对磁感应强度的影响
织构是影响电工钢磁感应强度B25和B50的主要因素之一，理想的晶体织构为（100）[uvw]面织构，因为它难磁化方向[111]不在轧面上。
为改善电工钢的性能,在生产过程中,控制有利织构的形成是主要的技术手段之一。
在实际的生产过程中，（100）组分的织构强度只占约20%，基本属于混乱织构，也就是磁各向同性。
理论公司推导的结论为：
按[100]和[111]单晶体的B25值计算出的理想（100）和[uvw]面织构具有最高的B25值，比各向同性状态约高0.16T（10%）,而（111）[uvw]和（110）[uvw]织构的B25值比各向同性状态分别低0.11T（7%）和0.04T（2%）。
3.1.2电工钢织构对铁损的影响
影响Ph（铁损）的因素也就是阻碍畴壁移动的主要因素，就是晶体织构。
无取向电工钢（100）面织构高，Ph和P15降低，因为在（100）晶面上有两个易磁化的<001>轴；其次是（110）面织构，在此晶面上有一个<001>轴。
具有（111）面织构的P15较高，因为在此晶面上没有<001>轴，具有（112）面织构的P15值最高，因为在此晶面上有难磁化的<111>轴[6～8]。
4冷轧硅钢片中织构的控制方法设计
冷轧硅钢片的织构主要是受轧制工艺的控制，因此为了提高冷轧钢的性能须改善其轧制工艺。
通过分析总结出了最佳轧制工艺：
无取向电工钢的磁性主取决于它的织构。
为改善磁性，必须提高{100}或{110}织构的强度和降低{111}织构强度。
{100}或{110}钢平面上由易磁化{111}的<100>位向构成，而{111}由其平面附近的难磁化<111>位向构成。
就目前工业上一般采用高温长时间退后方法来形成有利的位向，从而形成稳定、完善的退火织构。
阻碍{111}面织构的形成。
4.1控制冷轧压下率对冷轧硅钢织构的影响
为降低工序成本，提高产量，大多数生产厂均采用一次冷轧法生产中、低牌号冷轧电工钢。
一次冷轧法要求大压下率（≥75％）来保证{100}<011>组分进一步增高，使磁性能提高。
在冷轧板微观结构分析中，压下率大于60％时，冷轧时微观带与轧向的偏离角逐渐减少，直到与轧向近似平行，其{211}<011>组分逐渐加强，压下率为90％时，冷轧时微观带的{211}<011>位向是冷轧织构中最强组分，但单纯的提高压下率又会引起铁损的增加，经仔细研究得到仅一次冷轧不能很好的提高电工钢的性能，本文采用二次冷轧工艺。
图1就是压下率对磁感及铁损的影响关系图。
由图1中不难看出随着第二次冷轧压下率的升高,磁感应强度B50和铁损发生不同的变化。
在第二次冷轧压下率低于70%时,压下率对铁损的影响较小,当压下率高于70%,随着压下率的增大,铁损开始大幅增加。
当第二次冷轧压下率低于55%时,随着压下率的增大,磁感应强度B50逐渐升高；压下率从55%增大到70%的过程中磁感应强度变化较小,B50的值稳定在1.67T以上；压下率继续升高的过程中,磁感应强度B50开始大幅下降,由此可知,如果采用二次冷轧工艺生产无取向硅钢,第二次冷轧压下率控制在55%～70%比较合理。
图1成品钢带磁性能随第二次冷轧压下率的变化情况
（a）二次冷轧压下率与磁感关系图（b）二次冷轧压下率与铁损关系图
4.2控制冷轧轧制形状参数对再结晶织构的影响
为确定冷轧过程中变形的不均匀性，在板材轧制时，采用轧制形状参数RSF：
RSF=2[R（h1-h0）]0.5／（h1+h0）
式中R为工作辊半径；h0和h1分别为每道次前、后的带钢厚度。
RSF大则表示由轧制过程引起的应变分布较均匀；RSF小则表示变形较不均匀。
由上述公式知，要取得较低的RSF值就必须改变其中的一些变量。
在工作辊半径一定时，需改变钢板的厚度。
由公式不难发现只需要增加每道次后的板厚就可以达到降低RSF值从而提高电工钢的磁感。
但板厚会影响铁损中涡流损失，板厚增加提高磁感的同时也提高了铁损，而在电工钢中铁损是一个必须考虑降低的量，故单纯的提高每道次后的板厚不能满足实际需求。
因此必须综合考虑铁损与板厚的关系和磁感与板厚的关系。
图2为铁损与板厚的关系图，图3为磁感与板厚的关系图。
图2B50A1000电工钢板厚与铁损的关系
由上图可知电工钢板厚增加时，铁损也在增加。
取实际生产中最大平均厚度是0.508mm，最小平均厚度是0.497mm,两者仅相差11µm，代入铁损的回归方程中。
图3B50A1000电工钢板厚与磁感的关系
4.3最终冷轧控制工艺
通过以上各种因素对无取向电工钢的性能分析，本文最终的冷轧工艺为：
采用二次冷轧代替一次冷轧，第二次冷轧压下率控制在55%～70%左右，而后板厚控制在505～510µm之间。
这样的无取向硅钢电工板才能达到一个较好的性能，能满足当代社会很多电工材料的性能要求。
尤其是对无取向电工钢的性能具有更加直接的影响[6～9]。
5结语
电工钢的织构形态是影响磁性能的主要因素,有利织构的形成与各工序的工艺条件密不可分,即产品的织构形成与原始织构之间存在着继承关系;电工钢良好组分的获得还在于微量合金元素的采用及与相应工艺的配制,以期望在组织回复的过程中阻碍{111}类组分的生长，冷轧时板厚增加，磁感与铁损也同时升高。
三者之间的合理选择以及冷轧工艺的确定是影响电工钢的主要因素。
因此，在实际生产中应注意上述问题。
参考文献
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冶金工业出版社，2001：
119-120.
[2]余永宁.金属学原理[M].北京：
冶金工业出版社，2000：
414.
[3]C.S.巴瑞特，T.B.马萨尔斯基.金属的结构[M].陶琨，王英华，潘金生，等译.北京：
机械工业出版社，1987：
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[4]杨敏.金属材料织构测量方法的探讨[D].南昌大学，2010：
1-3.
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1-3.
[6]金自立，徐向琪.轧制条件对冷轧无取向硅钢织构的影响[J].特殊钢，2005，26
（2）：
1-3.
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37.
[8]何忠治.电工钢的现状与展望[J].中国冶金，2001，22（4）：
1-3.
[9]董浩.高磁性能冷轧无取向硅钢薄带的研制[D].东北大学，2008：
71.
6
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