取向电工钢是现代工业发展极为重要的软磁材料，尤其在进入智能时代的今天，更凸显出其在满足机电和信息技术领域创新发展方面的特质。《取向电工钢的金属学原理》在介绍了取向电工钢的基本软磁技术要求、成分设计原理、工艺设计原理及其在金属学原理上主要尚存困扰的基础上，系统介绍了取向电工钢生产全过程中呈现出的金属学行为与微观组织演变，尤其是取向电工钢*关键的Goss织构演变的全过程。以*新的理论发展为背景，细致阐述了Goss织构在取向电工钢每一个加工环节中产生、演变、持续遗传，*终占据统治地位的金属学原理。揭示了取向电工钢中抑制剂与铁素体之间的摩尔体积效应以及铁素体的弹性各向异性对*终形成强Goss织构的关键作用，克服了尚存困扰，并提出了适应社会变革而发展出创新技术的思路。

目录
前言
第1章 取向电工钢及其技术发展 1
1.1 电工钢的基本软磁技术要求 1
1.1.1 铁的磁化特性与磁滞损耗 1
1.1.2 铁基软磁材料的涡流损耗与铁芯损耗 3
1.1.3 铁基软磁材料磁感应强度的作用 3
1.1.4 铁基软磁材料的磁各向异性 4
1.1.5 取向电工钢板的织构 5
1.1.6 取向电工钢板的软磁性能 7
1.2 成分设计原理 11
1.2.1 铁与硅 11
1.2.2 抑制剂形成元素 14
1.2.3 碳 15
1.2.4 第二相粒子对磁性能的损害 17
1.3 工艺设计原理 18
1.3.1 高温加热与轧制、退火加工 18
1.3.2 脱碳及二次再结晶退火 19
1.3.3 工艺流程与改进 20
1.4 Goss织构形成原理方面的探索及其困扰 22
1.4.1 金属多晶体传统的异常长大行为 22
1.4.2 重合点阵晶界快速迁移理论 24
1.4.3 高能晶界快速迁移理论 25
1.4.4 固态晶界浸润理论 26
1.4.5 晶界迁移理论的困扰 26
1.4.6 Goss晶粒长大的困扰 28
参考文献 29
第2章 取向电工钢生产过程中的金属学行为与微观组织演变 33
2.1 连铸坯的组织与织构 33
2.1.1 连铸坯的组织 33
2.1.2 柱状晶区的形成与织构 34
2.1.3 柱状晶织构对热轧织构的影响 35
2.2 热轧板的组织与织构 36
2.2.1 热轧组织的特征 37
2.2.2 热轧板的织构 39
2.2.3 热轧板表层Goss织构的遗传作用 40
2.2.4 热轧过程中抑制剂粒子的析出行为 42
2.2.5 热轧板的常化 44
2.3 冷轧板的组织演变 46
2.3.1 冷轧织构演变的一般规律 46
2.3.2 冷轧变形的脆性行为 47
2.3.3 冷轧晶粒组织与冷轧织构 50
2.3.4 冷轧过程中碳化物粒子的回溶行为 51
2.3.5 冷轧过程中MnS粒子的碎化行为 52
2.3.6 抑制剂粒子对冷轧过程取向演变的抑制作用 54
2.4 再结晶退火组织与织构 56
2.4.1 普通取向电工钢两次冷轧的中间退火组织 56
2.4.2 普通取向电工钢再结晶退火的动力学过程 57
2.4.3 脱碳板晶粒组织与取向特征 59
2.5 取向电工钢再结晶晶粒的正常长大 60
2.5.1 取向电工钢的晶粒正常长大现象 60
2.5.2 晶粒正常长大的传统理论 61
2.5.3 晶粒正常长大的拓扑学分析 63
2.5.4 棱边和角隅密度的演变与相应的晶粒长大规律 64
2.5.5 抑制剂粒子作用下以角隅迁移为主的晶粒正常长大 65
2.5.6 取向电工钢晶粒长大过程的解析描述 67
2.5.7 取向电工钢晶粒正常长大的速率 69
2.6 取向电工钢二次再结晶过程中晶粒的异常长大 70
2.6.1 电工钢晶粒传统长大行为的极限范围 70
2.6.2 二次再结晶退火加热过程概述 71
2.6.3 Goss晶粒的异常长大过程 73
参考文献 75
第3章 取向电工钢强Goss织构生成的金属学原理 78
3.1 取向电工钢塑性变形晶体学 78
3.1.1 金属塑性变形晶体学概述 78
3.1.2 取向电工钢塑性变形开动的滑移系 79
3.1.3 加工硬化对滑移系开动的影响 81
3.2 金属多晶体塑性变形的反应应力理论简介 82
3.2.1 塑性变形过程中反应应力的发生和作用 82
3.2.2 反应应力的上限及其特征范围 85
3.2.3 反应应力理论中的织构及随机取向分布的产生 87
3.2.4 不同类型滑移系在临界分切应力及加工硬化率方面的差异 88
3.2.5 大道次压下率导致外应力张量的转动 89
3.3 取向电工钢变形织构的形成与Goss取向的演变 91
3.3.1 模拟计算钢板织构所需确定的参数 91
3.3.2 钢板的冷轧织构 92
3.3.3 取向电工钢热轧与冷轧在变形条件上的本质区别 94
3.3.4 取向电工钢热轧板表层Goss织构的形成 96
3.3.5 取向电工钢Goss取向在冷轧过程中的演变 97
3.4 取向电工钢再结晶过程中Goss取向的恢复及其欠缺的尺寸优势 100
3.4.1 Goss亚结构的回复 100
3.4.2 再结晶形核 101
3.4.3 再结晶晶粒的生长 103
3.5 取向电工钢抑制剂粒子的特性 104
3.5.1 MnS和AlN粒子析出的摩尔体积效应 104
3.5.2 抑制剂粒子的析出及后续粗化或熟化的阻力 106
3.5.3 抑制剂粒子的宏观分布特征 109
3.6 取向电工钢二次再结晶过程中Goss晶粒的异常长大 111
3.6.1 铁素体的弹性各向异性特征 111
3.6.2 表层Goss晶粒与非Goss晶粒内抑制剂粒子的差异化粗化 113
3.6.3 表层Goss晶粒的异常长大过程 115
参考文献 117
第4章 铜粒子单一抑制剂高强取向电工钢简介 120
4.1 铜单一元素合金化高强韧钢 120
4.1.1 铜用于合金化铁素体时的相结构与弥散析出行为 120
4.1.2 铜对铁基合金的强化作用 122
4.1.3 铜单一合金化钢的力学性能特征 124
4.2 铜粒子单一抑制剂取向电工钢的基本特性与初步尝试 125
4.2.1 取向电工钢以铜粒子为单一抑制剂时的成分体系与相结构 125
4.2.2 铜粒子同时用作抑制剂时所面临的挑战 126
4.2.3 铜粒子单一抑制剂高强取向电工钢的特色 129
4.2.4 铜粒子单一抑制剂高强取向电工钢的简单尝试 131
参考文献 132

第1章 取向电工钢及其技术发展
　　电力是现代社会生活，尤其是现代工业生产不可或缺的能量来源。确保电能的生成、传输、转换、消耗，需要极为庞大和复杂的电力系统，其中包括大量的发动机、变压器、电动机等各种电力设备或电器。这些电力设备均需要软磁材料作为电能生成、转换、输出的媒介，电工钢板就是在工业生产和社会生活中广泛且大量使用的这类软磁材料。这些电力设备使用的软磁电工钢板主要划分成取向电工钢和无取向电工钢两大类，前者主要用于在钢板特定方向上有优良软磁性能要求的变压器类电力设备，后者则主要用于在钢板所有方向都有一定软磁性能要求的电机电力设备。通常，取向电工钢和无取向电工钢均以硅为主要的合金元素，因此也称取向硅钢和无取向硅钢。以简单的方式描述，取向电工钢板主要适用于变压器、镇流器、放大器、稳压器、继电器、整流器等定向磁场环境，无取向电工钢板则主要适用于各类发动机、电动机等旋转磁场环境[1]。
　　1.1 电工钢的基本软磁技术要求
　　1.1.1 铁的磁化特性与磁滞损耗
　　当磁场强度为H的外磁场作用于某介质时，会在该介质内造成一定的磁感应强度，磁感应强度B=?0?rH，其中?0=4π×10?7T? ?m/A(特斯拉? ?米/安培)为真空磁导率，是一个常数，?r为相对磁导率，对于真空有?r=1。由此可见，介质的相对磁导率?r越高，所产生的磁感应强度B越高。?r值远大于1的介质称为铁磁性物质。以铁为基础的铁素体就属于铁磁性物质，其中工业纯铁的*大?r值可达5000，高硅电工钢的*大?r值可达8000，取向电工钢经特殊处理后的*大?r值可超过10000，甚至达到50000[2]。
　　当外磁场作用于铁磁性物质时，物质内产生磁感应强度的现象称为磁化过程。如图1.1所示，随着施加于工业纯铁的磁场强度不断提高，磁感应强度也迅速升高，然后其增长幅度不断变缓，在高磁场强度处逐渐接近一个平稳值。当磁感应强度不再随磁场强度增加而提高时所获得的磁感应强度值称为饱和磁感应强度Bs。将工业纯铁磁化后，若逐步降低外磁场强度H直至切断外磁场，则磁感应强度也会随之降低，这称为退磁过程。但完全切断外磁场，即H=0时磁感应强度并不为0，而是仍保留一定值Br，称为剩磁。要使磁感应强度降为0，则需要施加一个反向磁场；使磁感应强度降至0的反向磁场为?Hc，Hc称为矫顽力。继续增加反向磁场强度可使铁磁合金反向磁化至反向饱和磁感应强度?Bs。降低并切断反向磁场会残留反向剩磁?Br，施加正向磁场至矫顽力Hc可再次消除剩磁?Br。这种磁感应强度变化落后于磁场强度变化的现象称为磁滞现象。工业纯铁的饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力分别约为Bs=2.14T、Br=0.77T、Hc=80A/m[2]；由此可以大略地勾勒出磁化后工业纯铁在磁场强度的上升或下降过程中磁感应强度变化规律的示意图，如图1.1所示。磁感应强度随磁场强度上升和下降而变化的磁化轨迹形成了一个闭合的*线，称为磁滞回线。
　　(1.1)
　　即以磁滞回线为路径的环路积分值[3]。由积分定义可知积分值就是磁滞回线所包围的面积A，如图1.1所示的灰色区域，即有ΔW=A。磁场强度量纲为Wb/m2(韦伯/平方米)，1Wb/m2=1T(特斯拉)，磁感应强度量纲为A/m(安培/米)。因此，一个磁化周期的能耗ΔW=A的量纲应为Wb/m2×A/m=J/m3(焦耳/立方米)。
　　外磁场在磁化过程中所做的功消耗于铁磁材料内，因转变成热能或其他形式的能量而不可逆地散失，此损耗可称为回线磁滞功耗或磁滞损耗Ph。矫顽力低、磁滞回线面积小的铁磁材料在磁化过程中会呈现很低的磁滞损耗，这类材料称为软磁材料。由此可见，工业纯铁及以铁为基础的铁素体就属于磁滞损耗较低的软磁材料。
　　1.1.2 铁基软磁材料的涡流损耗与铁芯损耗
　　如图1.2所示，将一个线圈缠绕在一组互相绝缘、厚度为d的电工钢板上，如果在线圈内通入交流电，则根据电磁感应原理会产生一个作用于这组电工钢板的外部磁场。在外部交变磁场的作用下电工钢板内不仅会激发出磁感应强度B，而且还会产生感应电动势，进而引起电工钢板内产生感应电流，这种电流称为涡流。涡流所引起的电能损耗会转变成热能，使软磁介质发热，这种损耗称为涡流损耗Pe。电工钢板之间的绝缘层阻碍了涡流的增强和大范围流动，且涡流损耗Pe与钢板厚度d的平方成正比；因此降低钢板的厚度可以显著减少涡流损耗[1]。
　　如图1.1和图1.2所示，电工钢板在服役过程中会产生涡流损耗Pe和磁滞损耗Ph；这些损耗主要以热能的形式散失。在服役过程中电工钢板内还会出现一些其他的能耗，但这些能耗往往很低，可以忽略。电工钢使用过程中产生的直接能耗总称为铁芯损耗或铁损，主要包括涡流损耗和磁滞损耗，这种电能的损耗属于无效损失。
　　1.1.3 铁基软磁材料磁感应强度的作用
　　参照图1.2，设铁芯服役时的磁感应强度B为Bm，则有[1]
　　(1.2)
　　其中，kB为修正系数；UA为工作电压；f为交流频率；N为线圈匝数；S为线圈包围的面积。
　　另外，当铁芯服役于电机类设备时，则电机内转子的转矩T又与磁感应强度Bm的平方成正比，即有[4]
　　(1.3)
　　综上可见，软磁材料的磁感应强度B对其作为电力设备的铁芯服役时所能呈现出的工程性能有极为重要的影响。铁芯服役时的磁感应强度Bm与铁芯所需的截面积，即线圈包围面积S、相关线圈匝数N、电机转子的转矩T等紧密相关，因此磁感应强度是制造电力设备时非常重要的设计参数。
　　1.1.4 铁基软磁材料的磁各向异性
　　以铁为基础的铁素体具备非常明显的磁各向异性特征，对铁素体单晶体的不同晶体学方向施加外磁场则可以得出非常不同的磁化*线。图1.3为在直流磁场条件下沿铁素体单晶体的[100]、[110]和[111]三个不同方向磁化时所获得的磁化*线[5]。对比可见，各磁化*线存在明显的差异。把铁素体磁化到特定磁感应强度时，磁感应强度水平线、磁化*线与纵坐标轴所围成的面积与该磁化过程所造成的磁滞回线面积，即磁滞损耗成正比。另外，对铁素体施加同样的外磁场强度时，不同晶体学方向所能获得的磁感应强度也有明显差异。其中，磁化[100]方向时*容易实现较高的磁感应强度，且磁化到特定磁感应强度时的磁滞损耗*低，因此[100]方向称为*易磁化方向；而磁化[111]方向时所能实现的磁感应强度*低，且相应的磁滞损耗*高，即[111]方向为*难磁化方向。
　　如图1.4所示，设铁基铁素体晶体坐标系中任一[uvw]方向与[100]、[010]、[001]三个基本晶向的夹角分别为?、β、?，则这三个角的方向余弦可以表达为?1=cos?、?2=cosβ、?3=cos?。
　　设沿铁基铁素体单晶体任一[uvw]方向磁化至磁饱和状态所消耗的能量，即磁晶各向异性能为Wuvw，则根据一级近似的唯象理论有[6]
　　(1.4)
　　据此，经大致的计算可以判断出各晶体学方向的易磁化程度。由图1.3可知，[100]方向的W100*低，[111]方向的W111*高；参照式(1.4)的计算，所有其余[uvw]的磁晶各向异性能Wuvw均介于W100与W111之间。
　　1.1.5 取向电工钢板的织构
　　在由钢板的轧向、横向、法向组成的轧制钢板坐标系中，取向电工钢板多晶体内每一个晶粒都有自己的取向。可以用米勒指数{hkl}〈uvw〉或取向的欧拉角{φ1，Φ，φ2}精确表达晶粒的取向。借助取向分布函数f(φ1，Φ，φ2)可以表达所有晶粒取向在空间中的分布。多晶体取向呈现随机分布，即取向分布函数值在各取向{φ1，Φ，φ2}或{hkl}〈uvw〉的分布密度基本相同时，多晶体内不存在织构。多晶体取向分布往往会明显偏离随机分布的状态，如在某{φ1，Φ，φ2}或{hkl}〈uvw〉取向附近可能会呈现出很高的分布密度。这种明显偏离随机分布的状态称为择优取向分布，择优分布的多晶体取向结构称为织构[7]。在{φ1，Φ，φ2}或{hkl}〈uvw〉取向附近呈高取向密度分布所形成的织构称为{φ1，Φ，φ2}织构或{hkl}〈uvw〉织构。
　　{hkl}〈uvw〉织构表达的是多晶体内许多晶粒的{hkl}晶面倾向平行于钢板的轧面，即轧向和横向所决定的面，而它们的〈uvw〉晶向同时倾向平行于轧向。以轧制钢板坐标系为起点，*先令晶体的[001]、[010]、[100]方向分别平行于轧板的法向、横向、轧向，再参照图1.5依次做φ1、Φ、φ2旋转后，即可获得取向{φ1，Φ，φ2}。可借助式(1.5)计算出与取向{φ1，Φ，φ2}相应的{hkl}〈uvw〉值[7]：
　　(1.5)
　　综上所述，以电工钢为代表的铁基铁素体的〈100〉方向是*易磁化方向，因此所采用的电工钢板生产流程应尽量能使多晶体钢板*终产品中各晶粒的〈100〉方向大多排列在铁芯磁场的方向上。由此，要求电工钢板具备特定的有利织构，即各晶粒〈100〉方向的排列应与所制作铁芯磁场的方向尽可能一致；而且这种有利织构越多、越锋锐，相应产品的技术质量越高。
　　图?1.6(a)示意性地展示了许多在定向磁场下服役的变压器类铁芯的形状，长条状铁芯钢板的长尺寸方向通常是电工钢板的轧向，与之垂直的方向则是钢板横向。在这种定向磁场下，希望用作电工钢板铁芯的竖直方向和水平方向都是易磁化的〈100〉方向。很容易想象，如果钢板具有很强的{100}〈001〉织构，就可以确保铁芯的竖直方向和水平方向都是易磁化的〈100〉方向，这种织构称为立方织构，取向电工钢板含有立方织构时的轧向为*易磁化的[001]方向，横向同样为*易磁化的[010]方向，因而这种取向电工钢板称为双取向电工钢。
　　可惜的是，世界各国的研究者和工程技术人员经过了长期的研究和尝试，至今都无法以具有实际经济意义的方法低成本、大规模、工业化地生产出具有立方织构的双取向电工钢板。迄今为止，往往也只能在实验室或以非常复杂的工艺流程制备出实验性立方织构双取向电工钢[1]。