冷轧无取向电工钢再结晶织构形成机制探讨

J.ofWuhanUni.ofSci.&Tech.(NaturalScienceEdition)Vol.31,No.2

Apr.2008

冷轧无取向电工钢再结晶织构形成机制探讨

李长一,张新仁,谢晓心,周顺兵,王志奋

(武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉,430080)

摘要:利用X2射线衍射技术测定无取向电工钢冷轧基体中各晶体学方向的点阵畸变储能和亚晶块尺寸,研究其微结构对再结晶织构的影响,并探讨了无取向电工钢中再结晶织构的形成机制。结果表明,形变储能和亚晶尺寸对再结晶织构的影响显著“,定向成核”再结晶织构形成机制是存在的。关键词:X2射线衍射;无取向电工钢;再结晶;织构;点阵畸变储能;微结构中图分类号:TG14　　文献标志码:A　　文章编号:167223090(2008)0220147204

　　以往研究表明,电磁性能较好的无取向电工钢一般以{410},{310},{210}等统称为{hk0}的面织构为主要织构,其良好的性能得益于在该系列晶面上均有最易磁化方向〈100〉而无最难磁化方向〈111〉,所以获得较强的{hk0}面织构以得到较好的磁性是人们追求的目标。无疑,弄清其形成机制进而优化其工艺是人们努力的正确方向。然而,过去人们并没有弄清其形成机制及其形成的工艺条件。早期的研究者们倾向于定向成核理论,后期有一些研究者转而倾向于定向成长理论[1]。问题的症结在于各种报道的结果相矛盾甚至相左,焦点集中在〈100〉〈,112〉〈,111〉〈,110〉四个位向的点阵畸变储能孰大孰小的问题上[2～4]。由于受仪器的功率、试验方法(二级反射2斜率法)和思想方法的限制,以往所得数据误差很大,导致错误的结论,以致认为定向成核的理论基础不足。最新研究表明[5,6],在中等以上的冷轧压下率下,{110}点阵畸变储能一般是最高的。

笔者利用大功率旋转阳极X2射线衍射仪和无需二级反射的Viogt近似函数法测定两种无取向电工钢冷轧板铁素体基体13个位向,并利用织构分析技术测定形变织构和再结晶织构,研究微结构对再结晶织构的影响,并探讨它的形成机制。

它们的织构与微结构之间的关系。

(2)比较再结晶退火前后{hk0}和{hhl}取向密度的变化,并研究它们与冷变形后的点阵畸变储能和亚晶尺寸等微结构之间的关系。1.2　试验参数(1)点阵畸变储能参数:

)=(γTp(γ310+γ210+γ110)/

(γ433+γ111+γ332)

(1)

2

γε(2)Ehklhkl=1.5

式中:εhkl,Ehkl为(hkl)晶面的点阵畸变和弹性模

量。

(2)亚晶尺寸参数:

Tp(D)=(D310+D210+D110)/

(D334+D332+D111)Dhkl=

(3)(4)

λ1.075βθccoshkl

θ式中:λ,β2射线波长、试样某晶面的物理c,hkl为X

线形形状因子的克西分量和布拉格角;式(4)为谢乐公式,其推导从略。

(3)再结晶织构退火前后{hk0}的轴密度差:

Δp∑

hk0

=

∑(p

rhk0

-pdhk0)(5)

式中:prhk0,pdhk0为{hk0}晶面再结晶织构的轴密度和形变织构的轴密度。1.3　试验条件

1　试验

1.1　试验方法

(1)将{310},{210}和{110}定义为{hk0},而

试验选择不同成分的A,B两个系列的无取向电工钢作为研究对象。系列A的5个试样是中硅添加晶界偏析Sn元素的无取向电工钢;系列B的3个试样是中硅添加铬的无取向电工钢。各试样的冷轧压下率,A系列均为77%,B系列

将{111},{332}和{334}三者定义为{hhl},并考察

　　收稿日期:2007203214

　　作者简介:李长一(19492),男,武汉钢铁(集团)公司教授级高级工程师.E2mail:lichangyizxb@yahoo.com.cn

148武汉科技大学学报(自然科学版)2008年第2期

的B1,B2,B3的冷轧压下率分别为74%,77%和85%,其他条件相同。

试验在日本RigakuD/max22500PC型旋转

α采集数据。阳极X2射线衍射仪上进行,用MoK

反极图试验在广角测角台上进行。实验条

α,电压/电流为40kV/250mA,接收狭件:MoK

缝为0.3mm,扫描速度为2°/min。

2　结果

2.1　织构

2.1.1　ODF的结果

图1为A系列的5个试样和B系列的3个试样的PHI2=0°和PHI2=45°ODF截面图。由图1可见:A系列每个试样在PHI2=0°的ODF截面图上均不同程度地存在着两个明显的强区,其中心分别是(014)[1,-4,0]和(041)[401],它们周围分布着{012}-{013}〈uvw〉等再结晶织构。而在PHI2=45°的ODF截面图上,分布着{100}〈uvw〉,{113}〈uvw〉,{112}〈uvw〉和{111}

(即γ纤维〈uvw〉〈111〉//ND)织构的6个强区;B系列的3个试样在PHI2=0°的ODF截面图上,

也不同程度地存在着织构从{012}〈uvw〉到{014}〈uvw〉的两个区,但属于次强区。该系列各试样的主要织构在PHI2=45°ODF图上,为{113}〈uvw〉织构。在此图上还有一个次强区,是γ纤

(111〉维〈//ND)织构。从图1还可看到,与A系列不同,B系列所属各试样的织构强区呈带状,取向不集中。另外B1,B2,B3的γ纤维织构的强度依此递增,而{113}〈uvw〉和{013}〈uvw〉等织构依此递减,与冷轧压下率有很强的对应关系。2.1.2　反极图的结果通过反极图测定而得到的再结晶退火前后各{hkl}晶面的轴密度变化如表1所示。由表1可

表1　再结晶退火前后各{hkl}晶面

的轴密度变化ΔP(a.u.)

A1

200211220310222321411420332431521433442

-1.33-0.620.450.85-3.260.30-0.220.85-0.720.460.75-0.54-0.19

A2

A3

A4-2.4-0.940.290.66-2.590.25-0.320.52-0.730.260.15-0.14-0.59

A5

B1

B2

B3

-0.51-2.03-0.03-0.560.020.660.060.130.440.090.68-0.590.41

0.300.780.550.921.000.531.030.230.77

-3.96-2.074-1.019-2.589-0.42-0.816-0.271-0.9110.750.720.330.770.110.210.320.7

0.6380.8820.5310.7970.5950.827-0.05

0.4290.2870.1410.3710.4680.2410.2810.664

0.3920.7320.3960.0660.5740.3880.5020.6620.5440.159

图1　各试样的再结晶织构的PHI2=0°

和45°取向分布图(ODF)

见,各试样几乎呈一个相同的规律,即再结晶退火

后各{hkl}晶面的轴密度变化(200),(211),(222),(332),(433)的轴密度变化均为负值;其

-3.36-1.13-0.74-6.779-2.565-5.602-0.890.181

次,不同试样轴密度变化量不同,本文的目的正是要探讨其原因,看其是否与冷变形基体的微结构有关。2.2　微结构

A,B两个系列所属各冷轧板试样内的点阵

-0.71-0.54-0.0180.243

畸变的总储能差别不大(见表2),它们的微结构之间的主要差异在于亚晶尺寸:A系列的亚晶较小,并且晶向间的此项差异也小,而B系列的亚

-0.69-0.0780.151

2008年第2期李长一,等:冷轧无取向电工钢再结晶织构形成机制探讨

149

晶较大,晶向间的差异也大,其{hk0}晶粒小得多(见表3)。A系列所属各冷轧板试样内各晶面的点阵畸变的总储能差异较亚晶的差异小,而B系列晶向间的亚晶差异大。含晶界偏析元素的无取向电工钢的亚晶尺寸较含扩大奥氏体区的元素的取向电工钢的亚晶尺寸小。

表2　各试样主要{hkl}的γcm-3)hkl(J・

A1

220310420222332433411

1.552.052.270.680.920.851.31

A21.332.131.560.771.011.101.78

A31.931.821.440.790.740.981.19

A41.411.840.850.740.891.251.91

A52.012.530.890.940.861.121.70

B11.411.580.720.690.630.680.98

B21.431.510.560.730.690.681.07

B31.711.821.980.790.910.750.97

ΔPhk0之间存在着很强的负相关关系。这说明,∑

A系列试样的再结晶织构主要受点阵畸变储能的影响,B系列试样的再结晶织构主要由亚晶尺寸参数支配。

仔细分析还可发现,与A系列不同,B系列的主要织构是{113}〈uvw〉。由表3可见,B1,B2和B3试样{111}的点阵畸变储能顺序增加,分别为0.69,0.73,0.79,而{114}的点阵畸变储能的差别不明显,相应地,它们的{111}〈uvw〉也顺序增加,{114}〈uvw〉差别也不明显。这表明,B钢种的再结晶织构与点阵畸变储能之间也呈正相关关系。这些进一步证明了点阵畸变储能在无取向电工钢再结晶织构形成中的作用。

再结晶织构与冷变形金属的微结构之间存在着密切关系的原因是,形变储能实际上主要是位错储能,而位错储能又与位错密度有关,并且

1/2

ρ=(ρρ(6)p・s)

2221/22ρε其中:ρ〈〉/b]〈;ε〉为点阵畸p=3/D,s=k[

变均方差,常数k=6π,而b为布氏矢量[7]。

表3　各试样主要{hkl}的Dhkl(nm)

A1

220310420222332433

5867-565140

A2499561515056

A3505155523549

A4545549483860

A5718616653446

B1150902810950-B28110426101195510

B31149067108195-

3.2　再结晶织构与冷轧压下率和形变储能之间3　分析与讨论的关系从图1可以清楚地看到,B系列试样中的γ

3.1　微结构对再结晶织构的影响纤维织构的强度按试样排列顺序递增,而{hk0}

利用上述数据计算的各种参数如表4所示。〈uvw〉的强度按试样排列顺序递减。从表2可而它们的回归曲线如图2所示。由此可见,ODF见,B1,B2和B3试样{111}的点阵畸变储能顺序和反极图织构测定的结果一致表明:A系列的储增加,分别为0.69,0.73,0.79,而这几个试样的

)与再结晶退火前后{hk0}的织构能参数∑Tp(γ冷轧压下率分别为74%,77%和85%,也是顺序

ΔPhk0和织构参数Tp(T)之间均存在着差∑递增。由此可见,三者之间的因果关系为冷轧压正相关关系;B系列的亚晶尺寸参数∑Tp(D)与

表4　A,B两系列试样的各种参数

A1

A2

A3

A4

A5

B1

B2

B31.72.450

γ∑cm-3hk0/J・∑△Phk0/a.u.γ∑cm-3hhl/J・

)/a.u.∑Tp(γ∑Tp(D)/a.u.∑Tp(T)/a.u.

5.875.025.194.115.433.713.525.512.151.122.081.472.242.321.182.452.882.512.882.92-1.311.151.081.21

20

2.10.26

2.391.742.071.421.861.861.682.250.970.570.650.571.030.860.310.38

下率(外因)2弹性模量(内因)2点阵畸变储能(结果和内因)2再结晶织构的差异(结果)。冷轧压下率通过弹性模量而影响着形变时金属中各位向的点阵畸变储能的相对大小[6]:当压下率比较小(如74%以下)时,倾向于弹性模量小的位向的点阵畸变储能高;而当压下率较大(77%～88%)时,倾向于弹性模量大些的位向的点阵畸变储能高。在α2Fe中〈,100〉方向的弹性模量最小,为165GPa,〈310〉方向的弹性模量较小为181GPa〈,110〉的中等,为220GPa〈,111〉的弹性模量最大,为248GPa,如图3所示。

从表2和表4还可以看出,点阵畸变储能随冷轧压下率增大而增加,这是在意料之中的。关于冷轧压下率对再结晶织构的影响机制,可以解释为:由于铁素体基体各晶体学方向的弹性模量不同,当压下率小时,具有大的弹性模量的晶粒未变形或变形量小,而具有较小弹性模量的晶粒由于变形量大而储存了较多的能量。这些能量在形

　　注:由于A1试样{210}峰比较明锐,亚晶尺寸大于仪器的可测定范围,所以此表及其他表中的各相关项均为空白。

　　　(a)储能参数

(b)亚晶尺寸参数

图2　A系列试样中微结构参数对

{hk0}轴密度变化的影响

150武汉科技大学学报(自然科学版)2008年第2期

的大小呈负相关关系,即再结晶织构的形成与其退火前的位错密度有关。

(2)无取向电工钢的再结晶织构的强度取决于冷变形基体的微结构,而冷变形基体的微结构又在较大程度上取决于冷轧工艺。

(3)在本研究中,两个钢种的再结晶织构的形成机制是:冷轧工艺通过各个位向的弹性模量的差异使电工钢基体产生不同的形变储能;在随后的脱碳退火过程中,电工钢基体经历了定向成核、择优长大的过程,最终形成不同程度的再结晶织

α图3　2Fe各主要位向的弹性模量(单位:GPa)

构。

参考

文

献

变基体经受再结晶退火初期,将作为回复与再结

晶的驱动力而优先回复或形核,此时它们的能态反而比周围的晶粒低。根据热力学原理,在一个封闭系统中,低能组元最稳定,从而具有较小弹性模量晶向的晶粒有条件吃掉周围的晶粒而发展成织构。3.3　再结晶织构形成机制在冷变形基体中,那些具有较高储存能的晶粒,在经受再结晶退火期间将作为回复与再结晶的驱动力而优先回复或形核,此时它们的能态反而比周围的晶粒低。这正是“定向成核”再结晶织构形成机制的精髓。关于“定向成核”再结晶织构形成机制的深入研究,文献[4]已给了启迪,但那是关于IF(无间隙原子钢)的研究。对无取向电工钢还要做大量的工作。不过,无间隙原子钢也好,电工钢也好,应该遵循大体上相同的规律。

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[7]　藤凤恩,王煜明.X2射线结构分析与材料性能表征

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4　结论

(1)再结晶织构的强度与冷变形铁素体基体

的点阵畸变储能呈正相关关系,而与亚晶块尺寸

Growthmechanicsofrecrystallizedtextureincold2rolled

non2orientedelectricalsteel

LiChangyi,ZhangXinren,XieXiaoxin,ZhouShunbing,WangZhifen

(ResearchandDevelopmentCentre,WuhanIronandSteelGroupCorporation,Wuhan430080,China)

Abstract:Thelatticedeformationstoredenergyandsubgrainsizeincold2rollednon2orientedelectricalsteelareinvestigatedbyX2raydiffraction.Theinfluenceofthesteelmicrostructureonrecrystallizedtextureisstudied.Itisfoundthatthemicrostructureofcold2rollednon2orientedelectricalsteelhasagreateffectontheintensityofrecrystallizedtextureinthesteel,andtheresultshavealsotestifiedthedirectednucleationgrowthmechanics.

Keywords:X2raydiffraction;non2orientedelectricalsteel;recrystallization;texture;latticedeforma2tionstoredenergy;microstructure

[责任编辑　徐前进]