冷軋壓下率對高強無取向電工鋼變形組織和磁性能的影響

吳 碩，賈 涓，宋新莉，程朝陽，吳 雋，劉 靜

（武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢 430081）

近年來，我國密集發布了有關“碳達峰、碳中和”的相關政策，提出加大新能源電動汽車的推廣應用力度，電動汽車將成為汽車行業的發展趨勢。高強無取向電工鋼因在圓周方向具有高的磁感應強度、低的鐵損值以及較好的力學性能，被廣泛應用在電動汽車電機的鐵芯上［1-3］。冷軋壓下率對高強無取向電工鋼的磁性能有明顯的影響。李長一等［4］研究發現，冷軋壓下率會影響金屬各位向儲存能的大小，從而影響再結晶織構的類型與強度。儲雙杰等［5］研究表明，冷軋壓下率的增大會使α，γ 形變織構和λ 再結晶織構增強，η再結晶織構先增強后減弱。林媛等［6］發現，隨冷軋壓下率增大，γ 纖維織構增強，α 纖維織構減弱并逐漸轉變為α*纖維織構，對磁性能有利的織構強度降低，不利的織構強度增大。再結晶晶粒率先在冷軋變形組織中的剪切帶處形核，剪切帶是銜接再結晶與冷軋組織的重要橋梁。金自力等［7］研究表明，當冷軋壓下率達到30%時，剪切帶開始產生，并逐漸增多。劉濤［8］發現，γ 取向冷軋織構中更易產生剪切帶，退火時為η取向和Goss 取向的再結晶晶粒提供形核場所。陳思昊［9］研究發現，3% 硅鋼冷軋后剪切帶角度分布在17°~32°，隨冷軋壓下率增大，角度逐漸減小，數量增多，剪切帶間距先增大后減小再增大。

因此，冷軋壓下率顯著影響冷軋變形組織，退火時率先形核的晶粒取向與變形組織織構密切相關，進而影響再結晶織構與磁性能。目前針對變形組織的研究主要集中在剪切帶的宏觀數量及傾斜角度等方面。本工作對不同冷軋壓下率高強無取向電工鋼的變形組織進行表征，研究其微觀取向、形態特征和形變儲存能，分析其對再結晶織構和磁性能的影響，以期指導高強無取向電工鋼變形組織的調控。

1 實驗材料與方法

本工作所用實驗材料為高強無取向電工鋼熱軋板，厚度為2.3 mm，其化學成分如表1 所示。將熱軋板在920 ℃常化處理90 s，常化酸洗后經多道次冷軋至0.30，0.27 mm 和0.25 mm，冷軋壓下率分別為86.95%，88.26%和89.13%。對三種壓下率的冷軋板進行再結晶退火處理：利用RTP1200 型快速升溫管式爐，以30 ℃/s 速率升溫到700 ℃，再以5 ℃/s 速率升溫到960 ℃，保溫25 s 后隨爐冷卻，加熱和冷卻過程中采用氮氣保護。利用MPG-100D 型交流磁性能測量儀對退火樣品進行磁性能測試。

表1 實驗鋼的化學成分（質量分數/%）Table1 Chemical compositions of test steel （mass fraction/%）

將不同冷軋壓下率的冷軋板與退火板裁剪鑲樣，拋光后使用體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕，觀察平行軋向方向縱截面的顯微組織形貌，同時借助配有電子背散射衍射系統的Apreo S HiVac 型場發射SEM進行EBSD 測試，放大倍數900 倍，步長0.5 μm。利用AZtecCrystal 軟件對截取不同冷軋壓下率下變形組織及剪切帶進行匯總，使用Channel 5 軟件獲取IPF 圖、ODF 截面圖，計算平均晶粒尺寸、大小角度晶界分布、織構組分的百分含量及取向差。

2 實驗結果

圖1 為不同冷軋壓下率冷軋板的顯微組織和取向成像圖。可以看出，冷軋后的晶粒沿軋向被拉長，形成水平方向長條狀的形變條帶。根據形變條帶被腐蝕程度的深淺，發現主要有兩種類型，一種是腐蝕程度較大、顏色較深且取向成像圖主要呈藍色的形變條帶，稱為粗糙條帶；另一種是腐蝕程度較小、顏色較淺且取向成像圖主要呈偏紫色和紅色的形變條帶，稱為光滑條帶。當正常的位錯滑移不能實現外載荷所強制推動的瞬時大應變量時，會以瞬時塌陷的方式進行塑性變形，形成變形剪切帶［10］。隨冷軋壓下率增大，粗糙條帶逐漸變寬，其中存在大量破碎的晶粒和亞結構，形成與軋向呈20°~35°夾角的剪切帶（圖1 中紅色虛線所示），剪切帶逐漸清晰且數量增多。光滑條帶中基本觀察不到剪切帶，隨冷軋壓下率增大，光滑條帶中的亞結構增多，但未形成明顯的剪切帶形貌。

圖1 不同冷軋壓下率冷軋板的顯微組織（1）和取向成像圖（2）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%Fig.1 Microstructures（1） and orientation imaging maps（2） of cold-rolled sheet with different cold rolling reduction rates（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%

圖2 為不同冷軋壓下率冷軋板粗糙條帶和光滑條帶的取向成像圖及對應的取向分布函數（orientation distribution function，ODF）截面圖（φ2=45°，極密度等高線強度：1，10，30，50）。可以看出，剪切帶所在的粗糙條帶呈｛111｝〈110〉為主的γ 取向。隨冷軋壓下率增大（分別為86.95%，88.26%，89.13%），強度逐漸向｛111｝〈110〉聚集；發散角為15°時，｛111｝〈110〉含量逐漸增多，依次為25.8%，27.7%，29.25%。光滑條帶呈紫色的｛112｝取向和紅色的｛001｝取向，其具體的晶體取向為｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉。發散角為15°時，｛112｝〈110〉含量逐漸減少，依次為37.2%，32.1%，29.8%；｛001｝〈110〉含量逐漸增多，依次為16%，22.6%，23.6%，｛112｝〈110〉取向逐漸轉向｛001｝〈110〉取向。

圖2 不同冷軋壓下率冷軋板中粗糙條帶和光滑條帶的取向成像圖（1）及對應的φ2=45° ODF 截面圖（2）（a），（d）86.95%；（b），（e）88.26%；（c），（f）89.13%Fig.2 Orientation imaging maps of rough strips and smooth strips in cold-rolled sheet with different cold rolling reduction rates（1） and corresponding φ2=45° ODF cross-section maps（2）（a），（d）86.95%；（b），（e）88.26%；（c），（f）89.13%

圖3 為不同冷軋壓下率粗糙條帶和光滑條帶內晶界取向差的分布情況。可以看出，兩種條帶中均以0°~10°的小角度晶界為主，光滑條帶中小角度晶界占比高于粗糙條帶。隨冷軋壓下率增大，變形條帶中的小角度晶界占比均減少，粗糙條帶中出現少量大角度晶界。

圖3 不同冷軋壓下率粗糙條帶（1）和光滑條帶（2）內晶界取向差分布（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%Fig.3 Distributions of grain boundary misorientation in rough strips（1） and smooth strips（2） with different cold rolling reduction rates（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%

圖4 為不同冷軋壓下率樣品中剪切帶的平均微取向差（kernel average misorientation，KAM）分布圖和取向差分布情況。可以看出，剪切帶處的KAM 值比基體更高，主要在3.55~4.25 之間。KAM 反映樣品的變形水平，剪切帶比基體變形程度更大，其形變儲存能更高；隨冷軋壓下率增大（分別為86.95%，88.26%，89.13%），KAM 值在3.55~4.25 范圍內的占比依次為2.93%，8.08%和15.8%，剪切帶數量隨壓下率增大逐漸增多。與此同時，垂直經過剪切帶時（AB，CD，EF），取向差分布圖中出現明顯的雙峰，兩個峰之間的距離約為2~3 μm。剪切帶邊界與剪切帶內外均存在取向差，約為10°~20°；剪切帶內和基體中的取向差均在5°以下。隨冷軋壓下率增大，剪切帶邊界處的取向差逐漸增大到15°以上，這與圖3中粗糙條帶晶界取向差的變化規律吻合。剪切帶是一組具有高形變儲存能并且與變形基體具有一定取向差的條狀亞結構。

分別在每種樣品中截取6 條剪切帶，統計計算得到剪切帶的晶體取向。圖5 為不同冷軋壓下率冷軋板中剪切帶的取向分布函數截面圖（φ2=45°，極密度等高線強度：1，10，20，40）。可以看出，極密度等高線主要在γ取向線上分布，含有｛223｝〈110〉和｛111｝〈110〉取向。隨冷軋壓下率增大，取向強點逐漸上移，｛111｝〈110〉強度減弱，｛223｝〈110〉強度增強。發散角為5°時，｛223｝〈110〉含量逐漸增多，依次為6.88%，7.54%，9.74%；｛111｝〈110〉含量逐漸降低，依次為4.9%，4.09%，1.83%，｛111｝〈110〉取向逐漸轉向｛223｝〈110〉取向。

圖5 不同冷軋壓下率冷軋板中剪切帶的ODF 截面圖（φ2=45°）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%；（d）φ2=45°標準截面圖Fig.5 ODF cross-section maps of cold-rolled sheet shear bands with different cold rolling reduction rates（φ2=45°）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%；（d）φ2=45° standard cross-section map

圖6為不同冷軋壓下率退火板的取向成像圖。可以看出，隨冷軋壓下率增大，紅色的｛001｝晶粒數量減少，綠色的｛110｝晶粒數量增多。隨冷軋壓下率增大（分別為86.95%，88.26%，89.13%），退火樣品的晶粒尺寸依次為128.52，120.08，109.15 μm，平均晶粒尺寸減小。

圖6 不同冷軋壓下率退火板的取向成像圖（a），（b）86.95%；（c），（d）88.26%；（e），（f）89.13%Fig.6 Orientation imaging maps of annealed sheet with different cold rolling reduction rates（a），（b）86.95%；（c），（d）88.26%；（e），（f）89.13%

表2 為不同冷軋壓下率退火板中織構組分含量的統計結果。隨壓下率增大，｛001｝面織構減少，｛111｝和｛110｝面織構增多；｛001｝〈100〉立方織構減少，Goss織構增多。

表2 不同冷軋壓下率退火板中織構組分Table2 Texture components in annealed sheet with different cold rolling reduction rates

表3 為不同冷軋壓下率冷軋板退火后的磁性能。隨壓下率增大，橫向（TD）的磁感應強度B5000呈明顯下降趨勢，而軋向（RD）的磁感應強度略微上升，磁各向異性逐漸顯著。工頻鐵損P1.5/50和高頻鐵損P1.0/400均呈降低趨勢，其中高頻鐵損下降更明顯。

表3 不同冷軋壓下率冷軋板退火后橫向與軋向的磁感應強度及鐵損Table3 Magnetic induction intensity and iron loss in transverse and rolling direction of cold-rolled sheet after annealing with different cold rolling reduction rates

3 分析與討論

大壓下率下高強無取向電工鋼中產生兩種形變條帶，粗糙條帶以｛111｝〈110〉等γ 取向為主，光滑條帶以｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉取向為主。研究表明［10］，冷軋后晶粒腐蝕強度的差異性與形變儲存能有關。計算可知，｛111｝〈110〉等γ 取向晶粒變形時具有較大的取向因子，形變儲存能高，變形后其內部出現大量小角度晶界等亞結構，因此腐蝕后形貌粗糙。｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉等α 取向晶粒變形后破碎晶粒和亞結構少，形變儲存能低，因此腐蝕后形貌光滑。

在實驗鋼的粗糙條帶中觀察到大量剪切帶，寬度約為2~3 μm，與軋向呈20°~35°夾角，與基體間具有較大取向差，且隨壓下率增大數量逐漸增多，取向差逐漸增大。研究表明［11］，電工鋼中的剪切帶多出現在｛111｝〈121〉和｛111｝〈110〉形變基體中，剪切帶的形成趨勢與形變基體Taylor 因子的大小、是否為冷軋主要織構及其生長過程密切相關［12］。當優先產生的變形帶具有生長較快的冷軋主要織構和較高Taylor 因子時，更易形成剪切帶。本工作的壓下率下，｛111｝〈110〉逐漸增多，成為冷軋主要織構且其具有較大的Taylor 因子，隨冷軋壓下率增大，｛111｝〈110〉變形帶生長更快，因此在粗糙的｛111｝〈110〉條帶中觀察到大量剪切帶。在較大壓下率下，局部切變使得平行于軋向的變形帶發生彎折形成剪切帶，實驗鋼中基體條帶內部局部切變產生的剪切帶主要具有｛223｝〈110〉和｛111｝〈110〉取向，計算可知二者的取向差約為12°，故剪切帶與基體存在取向差。隨冷軋壓下率增大，變形不均勻程度增加，剪切帶增多，同時剪切帶的晶體取向逐漸轉向｛223｝〈110〉，使其與基體間取向差不斷增大。

隨冷軋壓下率增大，實驗鋼中剪切帶的KAM 值逐漸增大，形變儲存能增高。研究表明，退火過程中γ再結晶晶粒主要形核在γ 形變條帶的晶界和條帶上［13-14］，通過消耗γ 形變基體或吞并相鄰基體長大；而Goss 再結晶晶粒主要形核于γ 形變基體內的剪切帶處［15-17］，通過消耗γ 形變基體長大［18］。計算可知，Goss與剪切帶間具有45°左右的大取向差角，同時剪切帶具有更高的形變儲存能，進一步證明Goss 再結晶晶粒在剪切帶處形核長大。故隨冷軋壓下率增大，剪切帶的增多導致Goss 晶粒的形核點增加，率先形核的Goss晶核具有尺寸優勢，并借助大角度晶界遷移長大，從而使退火樣品中Goss 織構含量增多。高強無取向電工鋼的磁性能受再結晶織構影響顯著［19-20］。隨壓下率增大（分別為86.95%，88.26%，89.13%），實驗鋼中立方織構減少，Goss 織構增多；軋向〈100〉晶向占比逐漸增多，依次為6.97%，10.51%，13.41%；橫向〈100〉晶向占比逐漸減少，依次為6.67%，4.84%，4.32%。因此隨壓下率增大，實驗鋼軋向磁感升高，橫向磁感降低，磁各向異性明顯。

4 結論

（1）冷軋后，高強無取向電工鋼中形成兩種變形條帶：含有大量破碎晶粒和亞結構的粗糙條帶和變形量較小的光滑條帶。粗糙條帶具有｛111｝〈110〉等γ取向，光滑條帶具有｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉取向。

（2）粗糙條帶中觀察到大量剪切帶，寬度約為2~3 μm，與軋向呈20°~35°夾角，與基體間存在取向差。隨壓下率增大，從｛111｝〈110〉取向逐漸轉向｛223｝〈110〉取向，與基體間取向差逐漸增大。

（3）隨冷軋壓下率增大，剪切帶的增多為Goss 晶核提供更多的再結晶形核位置。｛001｝面織構減少，Goss 和｛111｝面織構增多。軋向磁感應強度增大，橫向磁感應強度減小，磁各向異性顯著，鐵損下降。