Магнитные свойства электротехнической стали - Влияние кремния на плотность и механические свойства электротехнической стали

1-5. ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЯ НА ПЛОТНОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Сплав железа с кремнием представляет собой твердый раствор замещения. Эффективный диаметр атомов кремния меньше диаметра атомов железа, поэтому постоянная решетки уменьшается с увеличением содержания кремния. На рис. 1-26 показана зависимость параметра решетки от содержания кремния [Л. 1-31]. При содержании кремния 5% на кривой наблюдается излом, связываемый с началом упорядочения сплава.

Рис. 1-26. Зависимость параметра решетки железокремнистых сплавов от содержания кремния.
Плотность листовой кремнистой стали, свободной от окалины, кг/м³, при комнатной температуре зависит от содержания кремния (до 5%) по данным американского стандарта ASTM следующим образом:
γ = 7 865—65% Si.
В [Л. 1-32] приводится следующая зависимость плотности железокремнистых сплавов от содержания кремния, алюминия и меди:

При наличии марганца в электротехнической стали до 0,5% плотность ее практически не изменяется. Для листов, на поверхности которых имеется окалина, средняя плотность металла и окалины будет меньше на 30— 70 кг/м³ в зависимости от толщины и состава окалины. В ГОСТ 802-58 плотность стали с окалиной принята на 50 кг/м³ меньше плотности стали без окалины и округляется до нуля или пяти в третьем знаке плотности (табл. 1-2).
Таблица 1-2
Плотность электротехнической стали

Механические свойства чистого железокремнистого сплава исследованы в [Л. 1-33]. С увеличением содержания кремния до 4,5% предел текучести στ увеличивается почти в 5 раз, а предел прочности σв возрастает в 2,5 раза. При дальнейшем увеличении содержания кремния до 7% στ и σв резко снижаются. Относительное удлинение стали с 2,5% Si значительно падает (рис. 1-27). Эти данные по механическим свойствам относятся к нетекстурованному металлу, свободному от внутренних напряжений. По [Л. 1-34] предел прочности железокремнистого сплава даже после горячей прокатки при t= 1 000 °C значительно повышается, что видно из следующих данных:

Предел прочности и предел текучести после холодной прокатки повышаются еще в большей степени.
В [Л. 1-35] приводятся следующие значения σв и στ (вдоль прокатки) для стали с Si=3,0% после различного обжатия ε в холодном состоянии:

В тонколистовой горячекатаной электротехнической стали (0,35—0,50 мм) имеется некоторая анизотропия механических свойств. 

Рис. 1-27. Зависимость механических характеристик железокремнистых сплавов от содержания кремния.
1 — относительное уменьшение площади поперечного сечения; 2 — относительное удлинение; 3 — предел прочности при растяжении; 4 — предел текучести.

Таблица 1-3
Анизотропия механических свойств горячекатаной стали

Анизотропия механических свойств холоднокатаной текстурованной стали (Si=3,2 %)

нес

Рис. 1-28. Температурная зависимость пределов прочности и текучести железокремнистого сплава.
В частности, пределы прочности и текучести вдоль прокатки несколько меньше, чем поперек. По данным [Л. 1-36] в табл. 1-3 приведены значения предела прочности σв и предела текучести στ для стали с различным содержанием кремния.
Анизотропия механических характеристик в горячекатаной стали, по-видимому, связана с наличием слабовыраженной кристаллической текстуры. На образцах холоднокатаной текстурованной стали анизотропия механических свойств проявляется более резко (табл. 1-4).
Значения параметров по разным литературным источникам несколько отличаются между собой. В табл. 1-4 для каждой характеристики указаны наименьшие и наибольшие значения, наблюдавшиеся разными авторами.
В [Л. 1-37] на образцах из чистого железокремнистого сплава были изучены механические свойства при температурах —200 — +200°C (рис. 1-28). При повышении температуры в указанных интервалах для стали c Si=(3-5)% предел прочности увеличивается, а предел текучести уменьшается.
Наиболее резкое изменение с температурой обнаруживает относительное удлинение (рис. 1-29).

Рис. 1-29. Температурная зависимость относительного удлинения ό железокремнистого сплава.

Рис. 1-30. Температурная зависимость предела текучести трансформаторной стали (Si=4,0%).

При более высоких температурах (200—700°C) механические свойства изменяются еще значительнее. Если для высококремнистой стали при повышении температуры до 200 °C предел прочности несколько повышался, то при дальнейшем повышении температуры он снижается. По данным [Л. 1-38] в стали с Si =4 % изменение предела текучести с температурой показано на рис. 1-30.
С повышением содержания кремния резко возрастает хрупкость стали, которая объясняется высоким сопротивлением сплава малым пластическим деформациям и низкой хрупкой прочностью [Л. 1-39]. Оценкой хрупкости является количество перегибов пластинки под углом 90° на губках радиусом 5 мм и обратное ее выпрямление в первоначальное положение. Количество перегибов уменьшается с увеличением содержания кремния и толщины листа. Наряду с анизотропией механических свойств стали имеет место анизотропия хрупкости. В табл. 1-5 приведена анизотропия хрупкости в монокристальных образцах холоднокатаной стали Si=3,2 % [Л. 1-40].

Таблица 1-5
Анизотропия хрупкости в монокристальных образцах холоднокатаной стали

Рис. 1-31. Влияние температуры испытания образца на количество перегибов в кремнистой стали.
В полосках, вырезанных вдоль оси [001], число перегибов в 2—3 раза больше, чем вдоль оси [110]. В образцах слаболегированной горячекатаной стали, где кристаллическая текстура выражена в большей степени, чем в высоколегированной горячекатаной стали, анизотропия хрупкости является заметной: количество перегибов для продольных образцов в 1,5 раза больше, чем для поперечных. С повышением температуры образцов [Л. 1-41] количество перегибов значительно увеличивается (рис. 1-31).
Вибрационная прочность стали, определяемая числом циклов вибрации с определенной амплитудой колебания до разрушения образца, возрастает с повышением содержания кремния [Л. 1-42]. Эти данные приведены в табл. 1-6.
Теплоемкость ср электротехнической стали с изменением содержания кремния от 0 до 5% остается практически постоянной, составляя 0,11 кал/[г/°C) при комнатной температуре. Температурный коэффициент линейного расширения, а в интервале температур 0—100 °C мало зависит от содержания кремния, а при более высоких температурах по данным [Л. 1-43] некоторая зависимость имеется (табл. 1-7).

Вибрационная прочность горячекатаной электротехнической стали

Изменение плотности кремнистой стали, кг/м³, от температуры по тем же исследованиям представлено в табл. 1-8.
Таблица 1-7
Температурная зависимость коэффициента линейного расширения электротехнической стали, 10-8 °C-1

Температурная зависимость коэффициентов теплопроводности λ, кал/(см·сек·°C), и теплоемкости cv>кал/(г/°С), по данным [Л. 1-43] представлена в табл. 1-9.
Таблица 1-8
Значения плотности кремнистой стали при разных температурах

Температурная зависимость коэффициентов теплопроводности и теплоемкости