（材料加工工程专业论文）硅钢热轧过程的有限元模拟与显微组织分析.pdf

摘要 本文选用f e 一3 2 s i 钢作实验材料，通过改变轧制温度和压下量获得热轧硅 钢片；并对硅钢的轧制受力变形过程、热轧硅钢片的显微组织及织构分布进行了 研究分析。 应用d e f o r m 软件对硅钢轧制变形的应力应变分布进行了有限元数值模 拟，结果表明，从试样的表面层至中心层，应力应变逐渐变小。根据应力应变的 模拟结果，有针对性地选择试样的特殊部位进行显微组织与织构分析，从而大大 简化了整个分析过程。 通过对硅钢片显微组织的观察发现，热轧淬火后，试样内的晶粒均沿轧向被 拉长，并且随着压下量的增大，这种现象越明显，表明热轧后晶粒并没有发生再 结晶。根据带状组织形貌判断得出，7 8 0 c $ l f # 0 过程中，可能发生了d i f t 相变。 利用蚀坑法与e b s d 法对不同条件热轧后试样的织构分布进行了检测。通过 对检测结果的比较、分析，并结合热轧过程的受力变形分析结果，归纳总结出一 种有利于( 1 1 0 ) 取向晶粒形成的轧制条件。即，在7 8 0 。c 时，f e 一32 s i 钢在碳含 量合适的条件下，经过6 0 轧制后，次表层获得了相对较强的( 1 l o ) 取向。本文 的研究结果为立方织构硅钢片的织构形成与控制研究提供了有益的参考。 关键词：硅钢；有限元数值模拟；显微组织；织构 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f e 3 2 s is t e e lw a su s e dt ob et h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a la n dt o o b t a i nh o tr o l l e ds i s t e e ls h e e t su n d e rd i f f e r e n tr o l l i n gt e m p e r a t u r e sa n dr o l l i n g r e d u c t i o n s t h ep r o c e s so fr o l l i n gd e f o r m a t i o no fs i - s t e e l ，m i c r o s t r u c t u r ea n dt h e t e x t u r ed i s t r i b u t i o no f h o tr o l l e ds i - s t e e ls h e e t sa r ei n v e s t i g a t e d t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sa n ds t r a i nd u r i n gt h eh o tr o l l i n go fs i s t e e la r e d i s c r i b e db yv i r t u eo fd e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) s o f t w a r e sf i n i t e s i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es t r e s sa n ds t r a i nr e d u c e g r a d u a l l yf r o mt h es u r f a c el a y e rt ot h ec e n t r a ll a y e ro ft h es p e c i m e n s b a s e do n s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a r t i c u l a rp o s t i o n so ft h es p e c i m e n sa r ec h o s e na n dt h e i r m i c r o s t r u c t u r ea n dt e x t u r ea r e a n a l y s e d t h i ss i m u l a t i o ng r e a t l ys i m p l i f i e st h e a n a l y s i sp r o c e s s b yt h eo b s e r v a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e ，t h eg r a i n so ft h es p e c i m e n sq u e n c h e da f t e r h o tr o i l i n ga r ee l o n g a t e da n dw i mt h ei n c r e a s i n go fr e d u c t i o nt h i sp h e n o m e n o n b e c o m e sm o r eo b v i o u s ，w h i c hm e a n sn o n er e c r y s t a l l a t i o nh a p p e n e di nt h es p e c i m e n s a c c o r d i n gt ot h eb a n ds t r u c t u r e sm o r p h o l o g yo fs p e c i m e n sr o l l e da t7 8 0 c ，d i f t ( d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ) i st h o u g h tt oh a p p e n u s i n ge t c h - p i ta n de b s d ( e l e c t r o nb a c ks c a r e d n gd i f f r a c t i o n ) m e t h o d s ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e x t u r ei se x a m i n e di nt h eh o tr o l l e ds i s t e e ls h e e t so b t a i n e df r o m d i f f e r e n tr o l l i n gc o n d i t i o n s b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t o g e t h e rw i t ht h e d e f o r m a t i o ns i m u l a t i o no f t h eh o tr o l l i n gp r o c e s s ，ar o l l i n gc o n d i t i o ni sa r a i n e dw h i c h i si nf a v o ro f o b t a i n i n g ( 1 1 0 ) o r i e n t e dg r a i n s n a m e l y , a tr o l l i n gt e m p e r a t u r eo f 7 8 0 c a n dr o l l i n gr e d u c t i o no f6 0 ，d e v e l o p s ( 1 1 0 ) o r i e n t a t i o ni nt h es u b s u r f a c el a y e ro f f e - 3 2 s is t e e l sc o n t a i n i n gap r o p e rc a r b o nc o n t e n t t h i sr e s u l tw i l lo f f e rau s e f u l r e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft e x t u r ef o r m a t i o na n dc o n t r o lo fc u b et e x t u r e d s i s t e e ls h e e t s k e y w o r d s ：s i - s t e e l ；f i n i t es i m u l a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e ；t e x t u r e l j 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 电工用硅钢常轧制成标准尺寸的大张板或带材使用，俗称硅钢片，主要用于 制造电机及各种变压器的铁芯，是电机、电器和电讯工业上的重要软磁材料，也 是钢铁工业中产量非常大的一种特殊钢。和其他磁性材料相比，硅钢片有着自身 许多特殊优点：高磁导率、慢磁性老化及低涡流损失。自从1 9 0 0 年b a r r e t t 、b r o w n 和h a d f i e l d 公布铁硅合金的磁性及1 9 0 3 年在美国与德国首次生产硅钢片以来， 这种合金对于电力设备制造业的发展一直起着主导作用。 目前国家电力紧缺，新机组的建设投资逐渐加大，可以预见未来几年硅钢片 的需求将呈旺盛增长( 见图1 1 ) 。然而，相比于日、美等强国，我国硅钢片的生 产技术还较落后、工艺也较繁杂，而且许多型号的成品硅钢片需要从国外进口。 国产硅钢片无论从数量上还是质量上都难完全满足人们的要求，这就迫使着人们 不断去学习国外先进技术、改善并探索新技术，从而达到增加产量、提高产品质 量的目的。 2 0 0 罾1 5 0 r 罂伽 廿 5 0 o 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 年份 图1 1 近五年国内硅钢片年产量分布 工业上，硅钢片的生产需要经过一系列复杂的工艺，如热轧、冷轧和退火等。 每个工艺的使用都有不同的作用，如在热轧工艺中，热轧温度、压下量等轧制条 件的改变，都将导致硅钢片的显微组织与晶粒取向发生变化，并进一步对硅钢片 的各种性能产生一定影响。在硅钢片的生产中，可根据不同的需求选择不同的工 艺。 上海大学硕士学位论文 高质量硅钢片的使用，可以大大降低电能在铁芯中的损耗以及减小设备的体 积与重量，从而达到节约能源、提高使用效率的目的。那么如何通过改变工艺来 改变硅钢片的性能，应该是未来人们为提高硅钢片质量需要研究的重点课题之 一。本篇论文就是从这个目的出发，通过对热轧过程中硅钢片的受力变形分析， 研究在不同热轧条件下试样显微组织和晶粒取向的变化，并对受力分布与显微组 织、织构变化之间的相互关系进行分析，为硅钢片后续的冷轧和退火提供有意义 的参考。 1 2 硅钢片种类简介 硅钢片种类很多，按不同的轧制方法可分为热轧硅钢片和冷轧硅钢片，冷轧 硅钢片又可按晶粒取向分为取向与无取向硅钢片：取向硅钢片的晶粒取向特征为 ( h i d ) 晶面平行于轧面，u v w 方向平行于轧向，晶粒按一定规律和一定方向分 布；无取向硅钢片的晶粒分布无一定规律，也无定方向。通常提到的取向硅钢 片是指单取向硅钢片，也可称作高斯织构硅钢片，特点是( 1 1 0 ) 晶面轧面， 0 0 1 晶向轧向，即仅有轧向为易磁化方向：而( 1 0 0 ) 晶面轧面， 0 0 1 晶向轧向 的则称为立方织构硅钢片，这种硅钢片在轧向和横向上都是易磁化方向，较之高 斯织构硅钢片，立方织构硅钢片具有更好的导磁性能。 1 3 合金元素对硅钢片性能影响 硅钢片的性能主要由内部组织结构所控制，如织构、合金元素的偏析对硅 钢片的铁损和磁感应强度等性能产生重要影响，而组织结构的形成又与其内所含 合金元素密切相关。一般来讲，。硅钢片的基本组成元素主要包括三大类。 1 3 1 基本合金元素 ( 1 ) s i 元素。s i 是硅钢片中的主要合金元素，可以使硅钢片磁化变得容易， 磁阻减少：同时。能显著提高a f e 比电阻，减少硅钢内的涡流损失，从而使总 铁芯损失减少。硅还能减轻钢中其它元素带来的危害：与氧有强亲和力，起脱氧 作用；可减少碳、氧和氮在位f e 中脱溶引起的磁时效现象。硅的加入也有不利 的影响，如使钢变脆、导热性和韧性下降，对散热和机械加工不利等。且随着硅 含量增加，硅钢片不但硬度会升高，而且还容易氧化生锈，在其表面形成氧化膜， 结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。 2 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) c 元素。c 元素对软磁材料的磁性极为有害，因为硅钢片成品中如果残 留碳，会出现磁时效。而当磁时效在电机或其它电气设备中产生时，铁损值就可 增加到初始值的二倍，设备就会受到损坏。另外，c 元素会增大f e 的矫顽力， 加大磁滞损失，降低磁感应强度，所以高级优质硅钢片中碳含量一般控制在 o 0 2 左右，有时甚至低于o 0 1 吼但是，c 元素的存在也有其优点。如碳可以 影响硅钢片中固溶体的固溶温度，并且碳含量的升高可以增强固溶体分解的驱动 力。碳元素的存在有它的不足之处，但也有优点，总而言之，可根据对硅钢片性 能要求的不同来控制碳的含量【3 1 。 ( 3 ) m n 元素。m n 是奥氏体稳定化元素，它在临界退火区会向奥氏体中扩散， 使得m n 和c 同时在奥氏体中富集和均匀化，从而改变了奥氏体在随后冷却过程 中的稳定性及珠光体的形成。另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含量应控 制在0 1 以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大y 相区，与碳化合成渗碳体， 不过，过多的锰会对硅钢片的磁性产生有害的影响，这是因为它可能使织构变坏 【4 j ，故锰的含量不宣过高，一般不超过1 5 。 1 3 2 杂质元素 杂质元素主要包括：p 、a i 、c u 、s 、n 等。其中，p 元素主要用来提高硅钢 片的冲片性，但磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化。 a l 元素的存在可减少硅钢片的铁芯损失，但会降低磁感应强度，且铝含量高时 会使硅钢片变脆。c u 元素可显著提高硅钢片的防锈能力。n 、s 两元素通过形成 相应的a l n 、m n s 沉淀，会降低硅钢片的导磁率、提高铁损。但适量的a l n 、 m n s 的存在对取向硅钢片的织构形成有特殊的作用。 1 3 3 其它特殊用途合金元素 其它特殊用途的合金元素主要为s b 、s n 等。锡和锑均是表面活性元素，因 此有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界发生偏聚，加强对晶粒正常长大的抑 制能力，减小初次晶粒尺寸，从而起到辅助抑制剂的作用。因此，硅钢片在最终 退火时，这种元素会阻碍( 1 1 1 ) 位向晶粒在晶界附近的形核，使得( 1 1 1 ) 组分减少， 相应地( 1 0 0 ) 组分和( 1 1 0 ) 组分增加，从而降低硅钢片的铁损，提高其磁感应强度。 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) c 元素。c 元素对软磁材料的磁性极为有害，因为硅钢片成品中如果残 留碳，会出现磁时效。丽当磁时效在电机或其它电气设备中产生时，铁损值就可 增加到初始值的二倍，设备就会受到损坏。另外，c 元素会增大f e 的矫顽力， 加大磁滞损失，降低磁感应强度，所阻高级优质硅钢片中碳含量一般控制在 00 2 左右，有时甚至低于o0 1 口j 。但是，( 1 元素的存在也有其优点。如碳可以 影响硅钢片中固溶体的周溶温度，并且碳含量的升高可以增强回溶体分解的驱动 力。碳元素的存在有它的不足之处，但也有优点，总而言之，可根据对硅钢片性 能要求的不同来控制碳的含量”j 。 ( 3 ) m n 元素。m n 是奥氏体稳定化元素，它在临界退火区会向奥氏体中扩散， 使得m n 和c 同时在舆氏体中富集和均匀化，从而改变了奥氏体在随后冷却过程 中的稳定性及珠光体的形成，另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含量应控 制在0 1 以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大y 相区，与碳化合成渗碳体， 不过，过多的锰会对硅钢片的磁性产生有害的影响，这是因为它可能使织构变坏 ，故锰的含量不宣过高，般不超过1 5 。 1 3 2 杂质元素 杂质元素主要包括：p 、a l 、c u 、s 、n 等。其中，p 元素主要用来提高硅锅 片的冲片性，但磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化。 a l 元素的存在可减少硅钢片韵铁芯损失，但会降低磁感应强度，且铝含量高时 会使硅钢片变脆。c u 元素可显著提高硅钢片的防锈能力。n 、s 两元素通过形成 相应的a i n 、m n s 沉淀，会降低硅钢片的导磁率、提高铁损。但适量的a i n 、 m n s 的存在对取向硅钢片的织构形成有特殊的作用。 1 3 3 其它特殊用途合金元素 其它特殊用途的含金元素主要为s b 、s n 等。锡和锑均是表面话性元素，因 此有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界发生偏聚，加强对晶粒正常长大的抑 制能力，减小初次晶粒尺寸，从而起到辅助抑制剂的作用。因此，硅钢片在最终 退火时，这种元素会阻碍( 1 1 1 ) 位向晶粒在晶界附近的形核。使得( 1 1 1 ) 组分减少， 相应地( 1 0 0 ) 组分和( 1 1 0 ) 组分增加，从而降低硅钢片的铁损，提高其磁感应强度。 相应地( i 0 0 ) 组分和( 1 1 0 ) 组分增加，从而降低硅钢片的铁损，提高其磁感应强度。 上海大学硕士学位论文 1 4 取向与立方织构硅钢片的研究 1 。4 1 取向硅钢片的研究简史 取向( 高斯织构) 硅钢片的开发进程【5 ，如图1 2 所示。首先，在1 9 3 3 年， 由美国g o s s 研制成冷轧取向硅钢片。后来，经过美国a r l t i c o 公司2 0 年的生产 实践，冷轧取向硅钢片的生产工艺趋于成熟，并先后将有关专利提供给美国a l c 公司和联合公司及国外企业，当时世界上8 0 的取向硅钢片都采用a l m c o 的生 产工艺。到了2 0 世纪6 0 、7 0 年代，日本新日铁和川崎制铁公司先后生产出高磁 感取向硅钢片( 9 0h i b 钢) 和r g h 高磁感取向硅钢片，这些高磁感取向硅钢片的 铁损更低、磁感强度更高。 j 2 擘 品 诺 x - j 囊 蟮 0 年代 图1 2 取向硅钢片开发进程 到了2 0 世纪8 0 年代以后，人们通过刻痕、激光扫描法等细化磁畴技术进一 步降低硅钢片的铁损，如h i - b 钢的最低铁损能降到0 7 w k g 以下，最高磁感 b 8 可达到1 9 4 t 以上。虽然硅钢带减薄能一定程度地降低铁损，但由于薄规格 产品变压器制造过程中叠片成本高，且磁感低时，变压器尺寸的减小有限，因此 进一步减薄板厚已不再具有优势。而在原有最薄厚度硅钢片的基础上，通过先进 的细化磁畴技术来降低铁损将是主要的发展方向。从图中也可以清楚地看出，随 着取向硅钢片开发时间的渐进，人们不断地开发和生产铁损更低、磁感更高、表 面质量更好的取向硅钢片，这同时也是未来取向硅钢片的发展趋势。 4 上海大学硕士学位论文 1 4 2 立方织构硅钢片的工艺研究 立方织构硅钢片在轧向和横向都是易磁化方向，具有更低的铁损、更高的磁 导率。由于它独特的优点，人们不断致力于如何获得取向集中的立方织构硅钢片 的研究。以下就近年来出现的一些特殊工艺作些简单介绍。 ( 1 ) 激冷甩带法。1 9 8 3 年，a r a i 6 j 采用激冷甩带技术，得到0 3 m m 厚的f e 一3 s i 薄带，其组织为柱状晶。这种柱状晶组织中，具有立方取向的晶粒数或者 有利于最终获得立方织构的晶粒占有较大比例。 ( 2 ) 添加一定量其他合金元素。金子辉雄等人【7 】在2 0 3 5 硅钢中同时加入 大于1 0 m n 和a 1 ，从而在硅钢中形成a 1 n ，m n s 等化合物，它们对退火过程 中晶粒的长大起抑制剂的作用。在它们共存的条件下，热轧板退火后可以获得比 较理想的晶粒尺寸，从而对( 1 0 0 ) 织构形成有利。 ( 3 ) 利用交叉轧制法。原势二郎、清水亮【8 1 在研究f e - - 3 s i 时，先沿热轧方 向以4 0 压下量冷轧，再以4 0 压下量沿横向冷轧( 也就是交叉轧制) ，经脱碳 退火和二次再结晶退火得到强的( 1 0 0 ) 0 0 1 织构。 ( 4 ) 1 9 9 3 年，t o m i d a 等人【明采用成分为o 1 c 1 ，0 m n - 2 - 3 s i 钢板在9 0 0 1 0 0 0 。c 的叭两相区或y 单相区进行真空脱锰退火，使钢板在表层形成一层单一 的n 相。此时旺相 1 0 0 ) 表面能小于 1 l o 表面能，因此表层旺晶粒具有强的 1 0 0 取向。然后将该钢板置入2 0 h 2 与8 0 a r 的混和气氛中，进行8 5 0 3 0 m i n 脱 碳退火。退火后的钢板在两表层形成了较大的柱状晶粒，并具有强的f l o o 织构。 在随后的几年内 1 0 j 1 ，他们又采用成分为0 0 5 6 c 一3 0 1 s i 1 0 7 m n - 0 0 3 n i 0 0 0 1 7 s 一0 0 0 0 6 a 1 的硅钢进行轧制退火，并在试样晟终退火时，在各叠 片层之间加入比重为1 ：1 的高纯度s i 0 2 ( 9 9 ) 和t i 0 2 ( 9 8 ) 粉末。其实验 过程如下： 原材料! ! ! + 3 o 。 竺兰竺兰，o 7 5 。m ! ! ：! 堡竺：! ! 里堡兰o 3 5 。 i 强立方织构硅钢片+ 5 。c r a i n 1 0 7 7 c 一切剪、叠放 加热至退火 在退火过程中，由于s i 0 2 、t i 0 2 都会与c 元素发生反应，这种脱碳作用导 致试样内部晟后的含碳量仅为0 0 0 1 左右。这样，由于脱碳脱锰引发试样从表 上海大学硕士学位论文 面层至内深层的y a 相交，使得y 晶粒逐渐减少直至几乎消失。与此同时，随 着退火时间的延长，从表层至中心层，d 晶粒数量逐渐增多并不断长大，最后形 成两层柱状晶，见图1 3 。在柱状o 【晶粒中， 1 0 0 表面能小于 1 1 0 表面能， ( 1 0 0 f r 向晶粒优先生长，最后试样内 1 0 0 取向晶粒覆盖面积可达 9 8 ，其中包括取向与 轴偏角在1 0 0 以内的晶粒。 图1 3 脱碳相变在不同退火时间的组织状态 相比于传统的多次冷轧、多次中间退火获得立方织构硅钢片的复杂工艺，以 上工艺有一定改进，但总体来讲，由于硅钢具有体心立方晶体结构，较难获得立 方织构，所以至今并未出现付诸于大量生产立方织构硅钢片的成熟工艺1 1 2 】。但是， 随着社会发展，人们对硅钢片的质量要求会越来越高，因此迫切需要研究出一种 能够获得强立方织构硅钢片的工艺，该工艺不但要效果显著并且还需简单、经济。 1 5 硅钢片生产过程中的热轧工艺 1 5 1 热轧工艺对硅钢片织构的影响 一般来说，热轧指在再结晶温度以上进行的轧制变形，目的是使得组织形态 发生一定的改变，包括显微组织、晶粒取向分布等变化。1 9 8 4 年，p a s h c h c n k o 等人【1 3 】以f c 3 s i 合金为实验材料，通过改变热轧温度、变形参数及初始织构分 布研究了多次热轧变形对热轧后试样中织构分布的影响。紧接着，s h i m i z u 等人 采用相同的实验材料，研究了热轧条件( 如压下量、轧制温度、轧制速度、润 滑剂及初始晶粒取向) 对近表层高斯取向形成的影响。研究结果表明，采用多道 次( 即每次轧制的压下量较小) ，轧制速度为6 5 0 m r a i n 进行热轧，当压下量超 过8 5 后，不论晶粒初始取向如何，( 1 l o ) 0 0 1 取向都可以在轧后试样的近表层 形成，并且解释这种( 1 1 0 ) 0 0 1 取向形成的原因是轧辊与试样间的强摩擦力作用。 上海大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，m a g e r 等人【15 采用不同含碳量的f e i s i 合金为实验材料进行轧制， 通过改变热轧条件进而改变显微组织，而冷轧与最终退火处理条件始终保持不 变，这样最终在试样中能够获得三种重要的织构 1 1 0 、 1 0 0 与 1 1 1 ) 纤维织构。日本川崎钢铁公司钢铁实验室在1 9 9 9 年研究了热轧后硅钢片沿厚度 方向的再结晶及晶体生长情况。结果发现 1 ，在距硅钢片表面1 1 2 0 厚度处，晶 粒沿轧制方向被拉长，形成一种类似于片状的细长晶粒，同时，( 1 1 0 ) 面发生了一 定的转动。这些细长的晶粒构成了横穿晶体的横向变形带。很多再结晶晶粒在晶 界处及变形带内呈无规则取向，晶粒的平均大小为1 3 6 “m 。在距硅钢片表面1 1 0 厚度处，被拉长的晶粒大小很不均匀，具有高斯取向的晶粒相对比较宽大。在距 硅钢片表面3 2 0 厚度处，沿轧制方向被拉长的晶粒、在横向出现得最多的小晶 粒和具有高斯取向的晶粒均很少。再结晶晶粒主要在晶界处形成，但晶粒比较小， 而且相对也较少。在距硅钢片表面1 1 0 厚度处( 也就是出现高斯取向晶粒的地 方1 ，晶粒的平均尺寸最大，这些晶粒的尺寸按与表面相距为厚度的3 2 0 、1 2 0 的次序逐渐减小。与热轧硅钢片表面相距越远，再结晶晶粒出现得越少，而且尺 寸也比较小。 以上开展的有关热轧工艺对硅钢片组织形态影响的研究表明，热轧工艺对硅 钢片的显微组织及一些重要织构的形成有重要的影响。这些研究所取得的进展对 硅钢片的进一步深入研究有着积极的指导意义。 1 5 2 热轧过程中的d i f t 相变 热轧过程中，由于轧制变形作用可能会发生形变诱导铁素体相变 ( d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，以下简称d i f t 相变) 。d i f t 相变 是动态相变，它是由形变产生储存能提高相变驱动力诱导的相变。它既与脱碳退 火引发的相变不同，也与t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a l c o n t r o l l e d p r o c e s s i n g ) b 变不 同，1 m c p 相变主要发生于轧制后的冷却过程中。 1 5 2 1d i f t 相变特征 ( 1 ) 金相显微组织。由于d i f t 相变，这个过程中形成的铁素体晶粒其形貌 不同于轧后自然冷却过程中形成的铁素体晶粒。前者为等轴柱状晶，而后者却为 非等轴状，这是两者组织形貌上最大的差别；其次，d i f t 相变产生的铁素体晶 粒会连接成一串，并且相邻晶粒间有清楚的界限，而冷却过程由奥氏体转变而来 上海大学硕士学位论文 的铁索体晶粒间界限模糊( ”1 ，见图1 4 中a 与b 。 ( 2 ) 晶粒取向变化。整个d i f t 相变过程有其特殊的晶体学取向变化规律， 因为热轧变形时，奥氏体的变形会产生形变带、切变带等晶体缺陷，这些区域的 晶粒取向可能是择优分布的，使得其相变后产生的铁素体取向可能择优分布，从 而产生相变织构，不同的轧制条件产生不同的相变织构，可根据需要控制轧制工 艺来获得你所需要的取向晶粒。一般情况下，d i f t 相变对应以( 1 1 1 1 织构为主， 明显强于( 1 0 0 ) 织构，这与单纯形变织构有明显差异，后者能得到( 11 1 ) 与( 1 0 0 ) 强度相当的两种织构【”】。 a ，e = 0 7 6b - = 1 1 4 图1 4x 6 5 钢经不同应变量轧制淬水后的微观组织 1 5 2 2d i f t 相变发生的条件 ( 1 ) 微观组织。只有在变形过程中有形交奥氏体存在，并且具有形变储能才 可能进一步发生d i f t 相变。因此形变奥氏体的存在是d i f t 相变发生的前提。 ( 2 ) 形变温度。d i f t 相变是在较低的温度下进行的，一般来说，形变诱导铁 素体相变的变形温度区间是在相变温度a t 3 附近1 1 8 - 2 1 ，同时需要大变形或者累计 大变形( 5 0 ) 才能发生。 1 5 2 3 影响d i f t 相变的因素 形变诱导铁素体相变受多种因素的影响【1 7 】，其中主要反映在变形温度和化学 成分方面。 ( 1 ) 变形温度。高温下奥氏体变形会导致位错密度升高，变形储能增加。而 变形储能可通过以下两种途径释放：动态再结晶和形变诱导铁索体相变。根据以 往h i c k s o n 和h o d g s o n 等a t 矧的研究结果可知，随变形温度降低，变形储能的释 放途径由动态再结晶逐步向d i f t 过渡，先后经历完全动态再结晶、部分动态再 结晶、未再结晶以及d i f t 。 上海大学硕士学位论文 图1 5 示意了高温变形中奥氏体的组织变化与温度和变形量的关系。图中上 方曲线表示了奥氏体动态再结晶完成所需变形量与温度的关系，而中间曲线为动 态再结晶开始所需临界变形量与温度的关系。它们均与z e n e r - h o l l o m o n 参数有 关，见式1 1 ： 占。= a d09 ( 占e x p ( q r t ) ) 4 1 - l 式中，s 。为临界变形量；do 为奥氏体晶粒尺寸；为应变速率；t 为变形温度； q 为变形激活能；a 、p 、q 为常数。由上式可见，随变形温度的降低，一定应变 速率下动态再结晶开始或完成的临界变形量升高。图中下方曲线为d i f t 临界变 形量与变形温度的关系：随温度的降低，d i f t 临界变形量减小。 虐蔓量 图1 5 奥氏体组织变化与变形温度和 变形量的关系示意图 随变形温度的降低，一定应变量下形变诱导相变铁素体转变量增加，转变 速度加快，而晶粒尺寸减小。温度降低，意味着相变驱动力的增加，同时位错回 复程度降低，变形储能也增加，从而导致铁素体形核率的升高。 ( 2 ) 化学成分。以上提到，硅钢片中含有多种元素，这里主要讲述c 与m n 含量对d i f t 的影响。根据杨平等 2 3 , 2 4 1 的研究表明，c 与m n 含量增加都不利于 d i f t 的进行，但对晶粒细化有利。在热力学上，降碳和降锰可提高钢的a e 3 温 度，从而使相变的实际过冷度增大，相变驱动力增大。图1 6 中a 、b 分别示出 了利用t h e r m oc a l c 热力学软件计算出的碳含量和锰含量对相变化学驱动力的影 响。可以看到，在相同的温度下，碳含量和锰含量越低，相变驱动力就越大。驱 动力越大，意味着形核率就越高。 9 上海火学硕士学位论文 a 碳含量对化学驱动力的影响b 锰含量对化学驱动力的影响 图1 6 不同元素与化学驱动力的关系曲线【3 0 l 1 6 有限元数值模拟的运用 随着计算机软硬件技术的迅猛发展以及计算机技术图形学与力学、工艺学的 相互结合，有限元数值模拟的计算机辅助技术在塑性成形领域得到了广泛的应 用。自从1 9 7 3 年美国的l e e 和k o b a y s h i 提出刚塑性有限元以来，在分析模拟材 料的塑性变形过程方面己经有了许多成功的先例，y a n g 和k i m 也对板料拉延过 程进行较为准确的刚塑性有限元模拟【2 5 1 。 目前，材料塑性成形的计算机模拟技术已开始进入应用阶段，国外已形成了 一些通用或专用的软件，并相继进入商品化、实用化阶段，其中专用的主要有 d y n a f o r m 、d e f o r m 3 d 等；通用的主要有a n s y s 、p r o 府讧e c h a n i c a 等。 这些软件绝大部分具有完整直观的前、后置处理功能，可以直观地在计算机屏幕 上观察到材料变形和流动的详细过程，了解材料的应力应变分布、厚度变化、破 裂及皱曲的形成经过，获得成形所需要载荷及材料成形后的回弹和残余应力分 布。这种用可视化技术虚拟的现实制造环境不仅模拟了材料的变形过程，更重要 的是形象地揭示了材料的变形机理，因而可以使设计人员根据已有的经验实施调 整相关参数及成形工艺、修改毛料形状和尺寸，大大缩短获得有用信息的时间， 有效地提高产品质量和生产效率【2 “。 ，飞。毒葛 ，10t毒 上海大学硕士学位论文 1 7 课题的提出及研究内容和目的 有关文献u 4 , 1 9 1 报道，在热轧硅钢片次表层能获得高斯织构( 11 0 ) o o i ( 见图 1 7 ) ，并解释这一现象形成原因是轧辊与轧件之间强的剪切变形所致。事实上， 根据文献 5 , 2 7 - 2 8 】报道的有关硅钢片中立方织构形成工艺，如果在热轧过程中能获 得一定数量的高斯取向晶粒，那么获得立方织构的工艺就可以大大简化。其简化 工艺如下： 板坯垫盐三三二! 竺( 1 1 0 ) 0 0 1 晶粒_ 二型塑里苎壹i 堕! ! 2 1 0 ) 【0 0 1 或( 3 1 0 ) 0 0 l 】取向 这一工艺与以往通过多次冷轧和多次中间退火才能获得立方织构的工艺口明 相比，更简单。问题就是如何才能通过热轧便可以在硅钢片内获得一定数量取向 为( 1 1 0 ) 0 0 1 的晶粒。 辩 ；侄 f 。龠i 憋 筐攀0j “莎 一“j 图1 7 热轧后的硅钢片在表面下0 1 m m 处 通过x f a y 衍射所拍的( 1 0 0 ) 极图 d 本课题主要研究内容为：通过有限元数值模拟对热轧变形过程进行分析，得 n s l 件变形时应力、应变分布及变形载荷的变化信息。对不同热轧工艺g l n 后的 硅钢片显微组织进行观察，并检测轧制试样在厚度方向上不同厚度范围内的织构 分布。 上海大学硕士学位论文 研究目的：摸索出一种热轧条件，通过该种热轧工艺轧制后，在试样内便可 以获得一定数量的( 1 1 0 ) 0 0 1 取向晶粒，为最终进一步优化立方织构硅钢片的生 产工艺提供有益的参考。 上海大学硕士学位论文 第二章实验技术方案和路线 目前，硅钢片的轧制工艺一般都包括热轧与冷轧，然后将轧制好的硅钢片经 过高温退火得到所需产品。而通过在高于再结晶温度( 双相区或单相区) 条件下 进行热轧，可以使硅钢片获得重要的再结晶织构、变形织构或者相变织构。因此， 热轧工艺的选择对最终获得的硅钢片织构及其性能有着重要影响。 本文选择从硅钢铸锭上切割下来的坯块作为热轧材料。将大小规格相同的硅 钢坯块在不同温度下经过一定时间的退火处理后，进行轧制并立即淬火。为了探 索不同热轧工艺对硅钢片显微组织与织构分布的影响，借鉴前人的研究结果，选 用以下轧制方案： 1 、压下量、含碳量不变，改变轧制温度 a ：7 8 0 2 5 m i n + 6 0 + 0 0 5 c b ：8 2 0 2 5 r a i n + 6 0 + 0 0 5 c c ：8 6 0 2 5 m i n + 6 0 + 0 0 5 c 2 、温度、含碳量不变，改变压下量 d ：7 8 0 2 5 r a i n + 2 4 + 0 0 5 c e ：7 8 0 2 5 m i n + 4 0 + 0 0 5 c f ：7 8 0 2 5 m i n + 6 0 + 0 0 5 c 3 、压下量不变，改变含碳量与温度 g ：0 0 1 + ( 7 8 0 、8 2 0 、8 6 0 ) 2 5 m i n + 4 0 c h ：0 0 2 + ( 7 8 0 、8 2 0 、8 6 0 ) 2 5 r a i n + 4 0 c i ：0 0 5 + ( 7 8 0 、8 2 0 、8 6 0 ) 2 5 r a i n + 4 0 c 上海大学硕士学位论文 图2 1 是本课题的技术路线方框图 图2 1 本课题研究的技术路线图 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章硅钢热轧过程的有限元模拟 3 1 前言 硅钢在热轧时，它的内部所受应力应变与热轧硅钢片的金相显微组织和织构 分布有着紧密的联系：热变形过程中，不同的温度、应力、应变和应变速率导致 不同的组织变化，同时不同的组织变化又通过影响变形抗力而影响变形过程。另 外，轧制过程中，硅钢不同厚度层所受应力应变不一样，各厚度层所发生的畸变 程度不均匀，而这会导致轧后试样不同部位的微观组织发生不相同的变化。首先 是各厚度层的金相显微组织( 如晶粒形貌、晶粒沿轧向的变形程度) 将会不一样； 与此同时，硅钢受轧制力作用导致其晶体内部部分滑移系的开动，使得晶粒可能 会产生与轧前不相同的取向。由于各厚度层发生不均匀的应力应变，所以轧后晶 粒择优取向形成的织构将沿试样的厚度层呈不同的分布。总而言之，弄清热轧硅 钢片的显微组织及织构分布对下一步轧制工艺的选择将会起着重要的指导作用， 所以分析热轧过程中应力应变等变形参数在轧件中的分布就显得尤为必要。 本章通过借助体积成形软件d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 对 热轧变形过程中硅钢坯块所受应力、应变及扭矩等变形参数的模拟，来分析归纳 轧制过程中轧件发生变形的规律。 3 2 硅钢热轧变形分析 轧制过程中，硅钢在轧辊间受轧制压力的作用会发生塑性变形。由于金属塑 性变形时体积不变，因此在不考虑宽展的情况下，金属沿垂直方向压缩，沿轧制 方向延伸。许多实验结果证明，由于变形区中的金属受接触表面摩擦力的影响， 整个变形区内部各点的应力状态分布通常是不均匀的，其情况比较复杂。变形物 体内变形分布不均匀的外部原因主要是由于接触弧上单位压力和外摩擦、变形区 的几何形状和尺寸、变形工具和变形物体轮廓的不规则，变形物体温度不均匀等 的影响。其内部原因主要为金属组织分布不均匀、化学成分及性质不均匀等。 图3 1 是热轧时轧辊与硅钢的放置示意图。图中箭头表示轧辊对硅钢的轧制力t ， 是引起硅钢在轧制时其厚度方向上产生变形的作用力：另外，从图中可以看出， 热轧时，在硅钢与轧辊接触处将会产生较大的摩擦力，这种摩擦力作用会造成轧 上海大学硕士学位论文 件表面具有较大的切应力，从而使得试样在表面与中心部位的变形程度很不均 匀。图中阴影部分所示为瞬间轧制变形区，长度为z ，这区域内也就是轧辊与 轧件接触最紧密的部位。 图3 1 轧件在轧制时的放置示意图 3 3d e f o r m 软件简介 d e f o r m 软件是由美国b a t t l e l ec o l u m b u s 实验室在八十年代早期着手开发 的一套有限元分析软件。最初的d e f o r m - 2 d 软件只能局限于分析变形的平面 问题或者轴对称问题，随着有限元技术的日益成熟，d e f o r m 软件也在不断发 展完善，目前，该软件已经能够成功用于分析考虑三维变形( d e f o r m 3 d ) 。 d e f o r m 是一套基于有限元的工艺仿真系统，专为金属成形而设计的，用于分 析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，它不同于一般的有限元 程序，可帮助用户很方便地进行变形过程的分析。 近年来，有关对金属轧制变形过程进行有限元数值模拟的报道 3 0 , 3 1 l 虽然不 少，而且这些模拟在二维问题解决方面的应用较为成熟，但这些报道在三维变形 的有限元模拟方面就显得极为不足。相比于以往局限于二维空间上的有限元模 拟，d e f o r m 软件在三维空间上的模拟有了很大进步，它具有分析考虑三维变 形功能( 即d e f o r m 3 d ) ，这是用该软件进行轧制变形模拟的优点之一；优点 二，d e f o r m 3 d 软件可以将模拟结果可视化，借助云图、等值线等图文使得模 拟结果一目了然。由于金属轧制过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，既有 材料非线性、几何非线性，又有边界接触条件非线性变化，因此其变形机理非常 6 上海大学硕士学位论文 复杂，难以用准确的数学关系式来描述，所以软件d e f o r m 3 d 的模拟可以替 代以往单纯地用抽象的数学关系式来显示模拟结果，从而使得模拟结果更加形象 具体。目前，该软件在塑性变形加工领域已被广泛使用 3 2 - 3 4 】，其强大实用的模拟 功能在工业上已得到检验。 3 4 模拟过程及结果分析 3 4 1 模拟过程中的基本假设和基本方程 3 4 1 1 刚塑性基本假设 对于一些复杂的工艺过程进行模拟时，模拟过程的计算量会很大，可达几个 星期甚至几个月，有时这种模拟是很不经济的，为此，可根据实际需要对模拟过 程做适当的简化，以期在较短的时间内获取所需的有用信息。基于硅钢这种金属 材料，在用刚塑性有限元法分析其轧制变形问题时，给出了以下基本假设脚i ： 1 ) 忽略材料的弹性变形，即：艿i 幽，= 0 ： 2 ) 材料的体积不可压缩； 3 ) 忽略成形过程中的b a u s c h i n g e r 效应； 4 ) 材料具有均质特征； 5 ) 材料厚度层方向无温差； 6 ) 不计体积力( 重力和惯性力等) 的影响。 3 4 1 2 刚塑性基本方程 刚塑性材料在变形时应满足的基本方程有： 1 ) 平衡方程： 盯f ，= 0 3 - 1 2 ) 本构方程( 应力一应变率关系) ： 。一三生； 3 2 o 。l2 - su “ 3 占 ：厅_ _ 式中：s 2 、亏8 f s f 为等效应变率，i 为流动应力。 3 ) 几何协调方程( 应变率一位移关系) ： 上海大学硕士学位论文 4 1 体积不变条件 5 ) 边界条件 毛：托，一- u j , i ) 占v = i j 点，= 0 a 力学边界条件： b 速度边界条件 在力面s 。上 oq n i = t ? 在速度面j 。上 v = 1 , o f， 3 3 3 4 3 5 3 4 2 数值模拟及结果分析 3 4 2 1 模拟初始条件设置 变形材料：硅钢( f e 3 2 s i 0 0 5 c 其他)