退火工艺对无取向电工钢性能的影响

退火工艺对无取向电工钢性能的影响

退火温度是对冷轧无取向电工钢性能影响较大,由于退火温度的变化对成品冷轧无取向电工钢组织状态、晶粒尺寸和织构含量起决定性的作用,因此对退火温度的控制显得非常重要。

1.实验过程

采用不同退火温度和退火时间对W600无取向硅钢板进行退火,然后进行力学性能测试和微观组织的分析。将试样升温至600～850℃,分别保温60s、180s、300s。然后自然冷却到室温,退火后的样品在GALDABINISUN10拉伸机进行拉伸性能测试,拉伸速度为2mm/min。金相组织在OLYMPUSGX71型金相显微镜上进行。 退火工艺方案的制定：

2.实验结果与分析

2.1力学性能与退火温度的关系

2.11退火温度与屈服强度的关系

屈服强度是指材材料开始产生宏观塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，屈服强度就屈服点的应力—屈服值；对于屈服现象不明显的材料，通常将应力-应变曲线上以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2。

金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下几点：

①屈服变形是位错增殖和运动的结果；

②实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果；

③各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。

以下我们将从内、外两方面因素来进行分析。

影响屈服强度的内在因素有：

（1）金属本性及晶格类型——纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受的阻力决定。这些阻力有晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力之分。其中晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而两者又与晶体结构有关。位错间交互产生的阻力包括平行位错间交互产生的阻力和运动位错与林位错交互产生的阻力。

（2）晶粒大小和亚结构——晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，将使屈服强度提高。许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔佩奇公式σs=σ

-1/2,式中，σj是位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，它决定于j+kyd

晶体结构和位错密度；ky是度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带

端部的应力集中系数；d为晶粒平均尺寸。亚晶界的作用和晶界类似，也阻碍位错的运动。

（3）溶质元素——纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著提高屈服强度，此即为固溶强化。这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。

（4）第二相——工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的。第二相对屈服强度的影响与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可变形和可变形的两类。

根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点，为此，必须克服弯曲位错的线张力。不可变形第二相质点的金属材料，其屈服强度与流变应力就决定于第二相质点之间的间距。对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由此也能提高屈服强度。

第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性相应硬化特性、两相间的晶体学配合和界面能等因素有关。在第二相体积比相同的情况下，长形质点显著影响位错运动，因而具有此种组织的金属材料，其屈服强度就比球状的高。

影响屈服强度的外在因素有：

（1）温度。一般，升高温度，金属材料的屈服强度降低．伺是，金属晶体结构不同，其变化趋势并不一样。在bcc金属中，τp-n值较fcc金属高很多，τp-n在屈服强度中占有较大比例，而τp-n属短程力，对温度十分敏感。因此，bcc金属的屈服强度具有强烈的温度效应可能是τp-n起主要用。

（2）应变速率。应变速率增大，金属材料的强度增加，屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要剧烈得多。这种因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为应变速率硬化现象。

（3）应力状态。应力状态也影响屈服强度，切应力分量愈大，愈有利于塑性变形，屈服强度则愈低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，但三向不等拉伸下的屈服强度量最高。要注意，不同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已。

综上所述，表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极其敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺可使屈服强度产生明显变化

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Yield strength (Mpa)Temperature to anneal (℃)

图（1）

图1为实验用钢的屈服强度与退火温度的关系曲线图。本次实验研究的对象是w600无取向硅钢，实验材料本身固定，实验在国标指定下完成拉伸试验，排除实验误差外，影响试样屈服强度的只有退火温度和时间，这里暂时先不考虑退火时间的影响。由图（1）可以看出在退火时间一定的情况下，试样的屈服强度随着退火温度的提高而降低，说明温度是影响金属屈服强度的重要因素。

钢带在不同的退火温度下退火具有不同的微观组织,表现出不同的力学性能,这与变形基体的回复和再结晶行为有关。相同形变量的钢带退火相同的时间,退火温度是影响再结晶行为的重要因素之一。在不同温度下退火,相同形变量的形变基体经历回复、再结晶和晶粒长大三个不同的过程。

从图（1）可以看出在低于750℃时。试样屈服强度随着退火温度的提高迅速下降。这是因为在低温阶段形变基体只经历回复过程。经范性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时,金属或合金的显微组织几乎没有变化,然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值，这一现象称为回复。由于加热温度比较低，回复时原子或点缺陷只在微小的距离内发生迁移。回复后的光学显微组织中，晶粒仍保持冷变形后的形状，但电子显微镜显示其精细结构已有变化；由范性形变所造成的形变亚结构中,位错密度有所降低,同时，胞状组织逐渐消失，出现清晰的亚晶界和较完整的亚晶。回复时形成亚结构主要借助于点缺陷间彼此复合或抵销，点缺陷在位错或晶界处的湮没，位错偶极子湮没和位错攀移运动，使位错排列成稳定组态，如排列成位错墙而构成小角度亚晶界此即所谓“多边形化”。回复过程的驱动力来自变形时留于金属或合金中的贮能。回复后宏观性能的变化决定于退火温度和时间。退火时间一定时，材料的宏观力学性能如屈服强度下降。

从图（1）可以看出在高于750℃时。试样屈服强度随着退火温度的提高有所下降，但是屈服强度趋于稳定。这是因为在在较高温度下退火,钢带将经历回复和再结晶两过程。其中,再结晶过程包括再结晶形核和长大,直到形变组织完全消失,再结晶过程结束。过程的驱动力也是来自残存的形变贮能。与金属中的固态相变 类似，再结晶也有转变孕育期，但再结晶前后，金属的点阵类型无变化。

再结晶核心一般通过两种形式产生。其一是原晶界的某一段突然弓出，深入至畸变大的相邻晶粒，在推进的这部分中形变贮能完全消失，形成新晶核。其二是通过晶界或亚晶界合并，生成一无应变的小区──再结晶核心。四周则由大角度边界将它与形变且已回复了的基体分开。大角度边界迁移时，核心长大。核心朝取向差大的形变晶粒长大，故再结晶过程具有方向性特征。再结晶后的显微组织呈等轴状晶粒，以保持较低的界面能。从图（2）金相照片可以看出,在600℃退火180s只有部分再结晶,而750℃再结晶已完成。再结晶过程伴随着形变储能的进一步释放,位错密度进一步降低。表现为屈服强度降低。随着温度的升高,再结晶越完全,强度降低,从图（1）可以看出,在600℃～750℃范围内,屈服强度随温度升高而降低的幅度最大。分析认为,此温度范围对应的是再结晶的形核和长大过程,在此过程中,位错密度降低幅度相比回复过程大,应力集中消除越发明显,屈服强度降低幅度越大。

2.12退火温度与抗拉强度的关系

抗拉强度指材料在拉断前承受最大应力值。当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极

限或抗拉强度。抗拉强度作为带钢是否合格的重要指标，是生产带钢工艺过程中的重要加工目标之一。

抗拉强度的实际意义如下：

（1）抗拉强度σb标志韧性材料的实际承载能力，代表实际机件在静拉伸条件下的最大承载能力，切抗拉强度σb易于测定，重现性好，故σb是工程上金属材料的重要力学性能指标之一，广泛用作产品产品规格说明或质量控制指标。

（2）对脆性金属材料而言，一旦拉伸力达到最大值，材料便迅速断裂，所以σb就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便是以σb为判据。

（3）σb的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。在屈服强度一定时，应变硬化指数越大，σb也越高。所以，如果知道σs和σb的值，就可以间接的知道应变硬化的情况。屈强比对材料成型加工极为重要，较小的屈强比几乎对所有冲压成型都是有利的，很多用于冲压的板材标准对σs/σb值都有一定的要求。

（4）σb与布氏硬度HBW、疲劳极限σ-1之间有一定的经验关系，尤其是黑色金属。

影响金属抗拉强度的因素：

（1）温度。一般，升高温度，金属材料的抗拉强度降低。温度主要通过影响再结晶行为进而影响材料的抗拉强度等。钢铁材料在不同的加热温度下会形成不同的钢铁组织，比如珠光体、马氏体和奥氏体等等。它们的晶粒大小、形状、结构及成分均匀性等都不同，而这些都会影响到材料的各种性能，抗拉强度便是其中的一项。

（2）合金元素。纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著

提高屈服强度，此即为固溶强化。这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高抗拉强度。 （3）晶粒大小。晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，将使抗拉强度提高。加工硬化的时，晶粒破碎，一方面晶粒细化，从Hall-Petch公式可知，晶粒越细，强度越大另；一方面，加工时位错增殖与位错之间的緾结，使强度提高。

Tensile strength (Mpa)Temperature to anneal (℃)

图（3）

从图（3）可以看出在低于750℃时。试样抗拉强度随着退火温度的提高迅速下降。这是因为在低温阶段形变基体只经历回复过程。回复过程主要包括位错偶极子对消,同一滑移面上的异号位错对消,位错重新排列成稳定组态,但其微观组织仍为形变组织。回复过程形变基体的位错密度具有一定程度的降低,位错密度的降低伴随着形变储能的释放。退火温度越高,位错密度越低,形变储能降低越快,试样在拉伸过程中应力集中程度越小,塑性变形越容易,表现为抗拉强度的降低以及延伸率的提高。

从图（3）还可以看出在高于750℃时。试样抗拉强度随着退火温度的提高有所下降，但是抗拉强度趋于稳定。在较高温度下退火,钢带将经历回复和再结晶两过程。其中,再结晶过程包括再结晶形核和长大,直到形变组织完全消失,再结晶过程结束。形变基体经过一段孕育期后形成局部的晶核,晶核的长大是通过大角晶界的迁动来实现的,再结晶的驱动力为回复后剩余的形变储能。再结晶过程伴随着形变储能的进一步释放,位错密度进一步降低。表现为抗拉强度度的降低和延伸率的提高。随着温度的升高,再结晶越完全,抗拉强度降低,延伸率升高。 随着退火温度进一步升高,形变基体的恢复和再结晶过程在很短的时间内完成,随着时间的延长,晶粒将继续长大。晶粒长大的驱动力为晶界减少而降低的自由能。而且,随着温度的升高,晶粒尺寸越大。根据Hall-Petch关系,强度与晶粒直径的平方根倒数成线性关系,晶粒尺寸越大,强度越低,即强度随退火温度的升高而降低。然而,此过程无变形组织,强度随退火温度升高而降低的幅度较小。表