循環(huán)應(yīng)力對高牌號無取向電工鋼磁性能的影響

杜麗影，周桂峰，劉 靜，薛 歡，劉 冬

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵(集團)公司研究院，湖北 武漢，430080)

?

循環(huán)應(yīng)力對高牌號無取向電工鋼磁性能的影響

杜麗影，周桂峰，劉 靜，薛 歡，劉 冬

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵(集團)公司研究院，湖北 武漢，430080)

以30WGP1600無取向電工鋼為研究對象，采用磁性測量儀檢測循環(huán)拉應(yīng)力對試驗鋼磁性能的影響規(guī)律，利用Bitter粉紋法、EBSD和TEM等分析手段，分別觀察了不同循環(huán)應(yīng)力下試樣的磁疇、織構(gòu)和位錯結(jié)構(gòu)的變化特征。結(jié)果表明，最大循環(huán)應(yīng)力Smax小于材料的彈性極限強度(300 MPa)時，去除應(yīng)力后試驗鋼的磁性能基本恢復；Smax≥300 MPa時，試驗鋼的磁疇結(jié)構(gòu)和織構(gòu)發(fā)生變化，磁性能開始惡化，其鐵損P1.0/50、矯頑力和飽和磁致伸縮系數(shù)均隨著Smax的增大而增加，而磁感應(yīng)強度B50則隨之降低，并且變化速率均越來越快。

無取向電工鋼；循環(huán)應(yīng)力；磁性能；磁疇；織構(gòu)；位錯

電機轉(zhuǎn)子用鐵芯材料工作時承受隨速度循環(huán)變化的離心力作用，這種循環(huán)應(yīng)力對轉(zhuǎn)子用無取向電工鋼磁性能的影響已成為電機設(shè)計的重要考量因素。應(yīng)力對電工鋼磁性能的影響已被廣泛研究，并取得很多有意義的成果。Poulnikov等[1]研究了拉伸應(yīng)力的殘余作用對無取向電工鋼磁性能的影響，并指出彈性應(yīng)力應(yīng)變和塑性應(yīng)力應(yīng)變對磁性能的影響結(jié)果不同。LoBue等[2]對比分析了-50～75 MPa范圍內(nèi)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對無取向電工鋼磁性能和鐵損的影響，結(jié)果表明拉應(yīng)力下鐵損只有微小波動，壓應(yīng)力下鐵損大幅增加。Astie等[3]認為材料的矯頑力與位錯密度的平方根成正比。Makar等[4]研究了塑性變形對珠光體鋼磁性能的影響，得出矯頑力與應(yīng)力的平方成正比。Landgraf和Sablik等[5-6]認為塑性變形后電工鋼的磁性能與應(yīng)變硬化指數(shù)有關(guān)，應(yīng)變硬化指數(shù)越大，鐵損惡化程度越大。然而目前關(guān)于無取向電工鋼經(jīng)循環(huán)應(yīng)力加載后磁性能變化規(guī)律的研究還鮮有報道。

材料磁性能的最大變化發(fā)生在循環(huán)應(yīng)力加載初期[7]，為此本文以無取向電工鋼為研究對象，在外加拉-拉應(yīng)力下循環(huán)104次后移除外應(yīng)力，利用磁性測量儀分析電工鋼磁性能的變化規(guī)律，并對材料磁疇結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的變化特征進一步描述。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為30WGP1600高牌號無取向電工鋼，厚度為0.3 mm, 平均晶粒尺寸為110～130 μm，其主要化學成分見表1，常規(guī)力學性能見表2。試驗鋼的靜態(tài)拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1%應(yīng)變范圍內(nèi))如圖1所示。從圖1中可知，試驗鋼的彈性極限強度(Re)約為300 MPa，是其屈服強度(400 MPa)的75%。

為避免循環(huán)加載過程中額外夾持力對電工鋼磁性能測試結(jié)果的影響，本試驗采用線切割加工方式，將試樣加工成30mm×400mm的板條樣，長度方向平行于軋制方向，試樣兩側(cè)表面用180#～1200#砂紙研磨，上下表面用酒精清洗干凈。

表1 30WGP1600電工鋼的化學成分(wB/%)

Table 1 Chemical compositions of 30WGP1600 electrical steel

CSiMnPSAlN0．00263．00．210．0620．0020．830．002

表2 30WGP1600電工鋼的力學性能

Table 2 Mechanical properties of 30WGP1600 electrical steel

屈服強度/MPa抗拉強度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%硬度(HV5)40055018922188

圖1 30WGP1600電工鋼的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1%應(yīng)變范圍內(nèi))

Fig.1 True stress-strain curve of 30WGP1600 electrical steel (1% strain range)

1.2 試驗與檢測方法

循環(huán)加載試驗在室溫下于島津5 kN電磁力疲勞試驗機上完成，加載比r(即最小加載應(yīng)力/最大加載應(yīng)力)為0.1，加載頻率f為50 Hz，采用正弦波形，最大加載應(yīng)力Smax分別為160、220、280、300、320、340、360、400 MPa，每級應(yīng)力下循環(huán)104次停止試驗。

將加載完成的試樣剪去兩端夾持部位，按照Epstein方圈取樣方法加工成30 mm×300 mm的標準試樣。用4%酒精溶液清洗試樣表面，采用德國MPG-100D磁性測量儀檢測單片試樣在50 Hz下的鐵損P1.0/50、磁感應(yīng)強度B50和矯頑力Hc。采用硅鋼磁性材料自動測量系統(tǒng)MST-400C磁滯回線測量裝置和動態(tài)應(yīng)變儀SDY2012測量試樣在50 Hz下的飽和磁滯伸縮。

將加載后試樣的中間部位進行切割、打磨和拋光等金相處理后，采用Bitter粉紋法觀察其磁疇結(jié)構(gòu)。利用EBSD技術(shù)研究應(yīng)力對材料表面織構(gòu)的影響。為了全面分析加載后試樣的位錯特征，分別取單片試樣的3個不同部位制成薄膜樣，采用JEM-2100F型透射電鏡觀察其位錯結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果

2.1 循環(huán)應(yīng)力對試驗鋼磁性能的影響

在50 Hz下最大循環(huán)加載應(yīng)力Smax不同時，去除應(yīng)力后試樣的鐵損P1.0/50和磁感應(yīng)強度B50如圖2所示。由圖2可見，Smax小于材料的彈性極限強度300 MPa時，試樣的鐵損和磁感應(yīng)強度只發(fā)生微小變化，電工鋼的初始磁性能被保留，因此試樣在彈性變形階段內(nèi)磁性能的變化是可逆的，文獻[1]中也有類似研究結(jié)果。當Smax≥300 MPa時，試樣鐵損隨著加載應(yīng)力的增大而增加，且增加速率越來越快。當Smax從300 MPa增至340MPa時，鐵損P1.0/50從0.871W/kg增至1.035 W/kg，增加速率為0.004 W/(kg·MPa)；而當Smax從340 MPa增至400 MPa時，P1.0/50從1.035W/kg增至2.318W/kg，增加速率為0.021 W/(kg·MPa)。當Smax≥300 MPa時，試樣的磁感應(yīng)強度B50隨著循環(huán)加載應(yīng)力的增大而降低。綜上，在彈性變形范圍內(nèi)施加拉-拉循環(huán)應(yīng)力對試驗鋼的磁性能幾乎沒有影響；最大應(yīng)力值在材料的彈性極限到屈服強度之間時，所施加的拉-拉循環(huán)應(yīng)力對試驗鋼的磁性能有較大影響。

圖2 P1.0/50和B50隨最大循環(huán)應(yīng)力Smax的變化

Fig.2 Variations ofP1.0/50andB50with the maximal cyclic stressSmax

外應(yīng)力對材料磁滯損耗的影響大小主要取決于矯頑力Hc，矯頑力越大，磁滯損耗越大。圖3所示為試樣的矯頑力隨最大循環(huán)加載應(yīng)力Smax的變化規(guī)律。Smax<300 MPa時，矯頑力只有微小變化；Smax≥300MPa時，矯頑力隨應(yīng)力的增大而增加，且增加速率越來越快。Smax從300 MPa增至400 MPa時，Hc增加了1.31倍。

圖3 矯頑力Hc隨最大循環(huán)應(yīng)力Smax的變化

Fig.3 Variation of coercive forceHcwith the maximal cyclic stressSmax

相關(guān)研究[8]表明，電工鋼的磁致伸縮效應(yīng)對外加應(yīng)力很敏感。圖4為試驗鋼的飽和磁致伸縮系數(shù)λs隨最大循環(huán)應(yīng)力Smax的變化情況。當Smax<300 MPa時，λs變化微??；當Smax≥300 MPa時，材料開始發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，λs從300 MPa下的3.602×10-6增至400 MPa下的9.798×10-6，約增加了1.72倍，且增加速率越來越快。

圖4 飽和磁致伸縮系數(shù)λs隨最大循環(huán)應(yīng)力Smax的變化

Fig.4 Variation of saturation magnetostriction coefficientλswith the maximal cyclic stressSmax

2.2 位錯結(jié)構(gòu)

圖5為不同外加應(yīng)力下試樣的位錯結(jié)構(gòu)特征。由圖5可見，Smax=300 MPa時，材料產(chǎn)生微塑性變形，晶粒內(nèi)位錯結(jié)構(gòu)以孤立的位錯線為主，位錯密度較低，部分位錯在晶界和駐留滑移帶處聚集；Smax=400 MPa時，材料發(fā)生宏觀變形，位錯萌生并增值，以致纏結(jié)形成位錯束和位錯胞。

(a)Smax=300 MPa

(b)Smax=400 MPa

Fig.5 Dislocation structures in the samples under different loading stresses(×5000)

2.3 磁疇結(jié)構(gòu)

未加載以及Smax分別為300、400 MPa條件下試樣的表面磁疇結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可以看出，試樣未受循環(huán)應(yīng)力時，磁疇結(jié)構(gòu)以180°與90°片狀疇為主，磁疇寬度均勻，疇壁較長，且平行有序排列，不同晶粒內(nèi)排列方向不同，但同一晶粒內(nèi)排列方向相同。Smax=300 MPa循環(huán)加載后，試樣僅發(fā)生微小塑性變形，部分磁疇發(fā)生了轉(zhuǎn)向，彎曲疇增多(見圖6(b)中方框內(nèi))，疇壁間距略有增大。Smax=400 MPa時，試樣的塑性變形量相對增大，大量疇壁發(fā)生了轉(zhuǎn)向，磁疇結(jié)構(gòu)以迷宮疇為主，疇壁厚度和疇壁間距都略有增大。

(a) 未加載

(b)Smax=300 MPa

Fig.6 Magnetic domain patterns of the samples under different loading conditions

2.4 織構(gòu)

電工鋼的磁感應(yīng)強度主要與其織構(gòu)有關(guān)，圖7給出了最大循環(huán)應(yīng)力分別為300 MPa和400 MPa時試樣表層織構(gòu)強度沿α取向線、γ取向線和λ取向線的變化情況。從圖7中可見，以{111}〈112〉組分為主的γ織構(gòu)最強，其次是以{100}〈140〉組分為主的λ織構(gòu)，α織構(gòu)較弱，主要以(0°，30°, 45°)和{111}〈110〉取向為主，其中(0°，30°, 45°)取向與{112}〈110〉取向相差5°。隨著循環(huán)應(yīng)力的增大，γ取向線強度增加，λ取向線強度降低，α取向線強度變化不明顯。

(a)α取向線 (b)γ取向線 (c)λ取向線

圖7 試樣表層織構(gòu)取向線分析

Fig.7 Orientation line analysis of the samples’ surface textures

3 討論

電工鋼鐵損包括磁滯損耗Ph、渦流損耗Pel和反常損耗Pexc三部分。在拉應(yīng)力作用下，電工鋼鐵損主要取決于磁滯損耗，渦流損耗和反常損耗占的比例較小[9]。磁滯損耗又取決于矯頑力的大小。材料變形對矯頑力的影響歸因于位錯對疇壁的釘扎作用。矯頑力正比于位錯密度的平方根，位錯密度與塑性變形量線性正相關(guān)[10]。因此，外加應(yīng)力越大，試樣塑性變形越大，矯頑力也隨之增加。

材料在循環(huán)應(yīng)力與單軸應(yīng)力作用下的變形機制不同，特別是其細觀組織和微觀組織有很大差異。循環(huán)應(yīng)力作用下電工鋼的細觀組織為駐留滑移帶，微觀組織為位錯束和位錯胞。電工鋼經(jīng)循環(huán)加載變形后，位錯聚集在駐留滑移帶處阻礙磁疇運動并使其彎曲，且位錯束和位錯胞的阻力大于孤立位錯線的阻力[11]。同時晶粒內(nèi)位錯減小了疇壁移動空間，磁疇逆向運動受阻。另一方面，塑性變形產(chǎn)生的長程內(nèi)應(yīng)力也增加了磁疇運動阻力，變形量越大，長程內(nèi)應(yīng)力就越大，對磁疇運動的阻力也越大。

循環(huán)應(yīng)力作用使系統(tǒng)能量增加，試樣磁疇結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變。試樣加載前的磁疇結(jié)構(gòu)以180°和90°片狀疇為主。180°片狀疇易磁化，因為沿磁場方向磁化過程中180°疇壁移動不增加磁晶各向異性能，在很低的磁場下即達到飽和狀態(tài)[12]；90°片狀疇也較易磁化。隨著外加應(yīng)力的增加，較難磁化的彎曲疇增加，磁滯損耗變大，且彎曲疇壁移動可產(chǎn)生更大的渦流損耗和反常損耗。另外，疇壁間距和疇壁厚度增加也使反常損耗增大。

電工鋼的磁性能也與其織構(gòu)有關(guān)。無取向電工鋼的理想織構(gòu)為{100}〈uvw〉織構(gòu)，即λ纖維織構(gòu)(〈001〉∥ND，ND為軋面法線方向)，因為它在軋面內(nèi)含有兩個易磁化的〈001〉方向，難磁化〈111〉方向不在軋面上，且各向同性。難磁化織構(gòu){111}〈uvw〉，即γ纖維織構(gòu)(〈111〉∥ND)在軋面內(nèi)不含有任何易磁化方向，會惡化電工鋼的磁性能。最大循環(huán)應(yīng)力由300MPa增至400MPa時，試樣中不利的γ纖維織構(gòu)強度增加，而有利的λ纖維織構(gòu)強度減小，所以試樣的磁感應(yīng)強度B50降低，鐵損增加。另外，雖然400MPa下較有益的α織構(gòu)(0°，30°, 45°)組分有所增加，但其強度較低，對提高試驗鋼磁性能的作用不大。

4 結(jié)論

(1)最大循環(huán)應(yīng)力Smax小于材料的彈性極限強度300MPa時，去除應(yīng)力后30WGP1600電工鋼的磁性能基本恢復。Smax≥300MPa時，電工鋼發(fā)生塑性變形，磁性能開始惡化；隨著Smax的增大，30WGP1600電工鋼的鐵損、矯頑力和飽和磁致伸縮系數(shù)均在增加，且增加速率越來越快，而磁感應(yīng)強度B50則隨之降低。

(2)Smax≥300MPa時，30WGP1600電工鋼磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從180°和90°片狀疇向彎曲疇和迷宮疇轉(zhuǎn)變，疇壁厚度和疇壁間距略有增加。

(3)Smax≥300MPa時，30WGP1600電工鋼的織構(gòu)也發(fā)生了改變，難磁化的{111}〈uvw〉γ纖維織構(gòu)強度增加，易磁化的{100}〈uvw〉λ纖維織構(gòu)強度減小。

[1]PoulnikovA,PermiakovV,DeWulfM,etal.Investigationofresidualeffectsoftensilestressonmagneticpropertiesofnonorientedelectricalsteel[J].IEEETransactionsonMagnetics, 2002, 38(5):3204-3206.

[2]LoBueM,SassoC,BassoV,etal.PowerlossesandmagnetizationprocessinFe-Sinon-orientedsteelsundertensileandcompressivestress[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials, 2000, 215-216:124-126.

[3]AstieB,DegauqueJ,PorteseilJ,etal.Influenceofthedislocationstructuresonthemagneticandmagnetomechanicalpropertiesofhigh-purityiron[J].IEEETransactionsonMagnetics, 1981, 17(6):2929-2931.

[4]MakarJM,TannerBK.Theinsitumeasurementoftheeffectofplasticdeformationonthemagneticpropertiesofsteel:PartI—hysteresisloopsandmagnetostriction[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials, 1998,184(2):193-208.

[5]LandgrafFJG,EmuraM,ItoK,etal.Effectofplasticdeformationonthemagneticpropertiesofnon-orientedelectricalsteels[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials, 2000, 215-216:94-96.

[6]SablikMJ,RiosS,LandgrafFJG，etal.Modelingofsharpchangeinmagnetichysteresisbehaviorofelectricalsteelatsmallplasticdeformation[J].JournalofAppliedPhysics, 2005, 97:10E518.

[7]VandenbosscheL,DupréL,MelkebeekJ.Monitoringthefatiguestateofsteelbyevaluatingthequasistaticanddynamicmagneticbehavior[J].JournalofAppliedPhysics, 2005,97:10R307.

[8]PitmanKC.Theinfluenceofstressonferromagnetichysteresis[J].IEEETransactionsonMagnetics, 1990, 26(5): 1978-1980.

[9]PermiakovV,DupréL,MakaveevD,etal.DependenceofpowerlossesontensilestressforFe-Sinonorientedsteeluptodestruction[J].JournalofAppliedPhysics, 2002, 91:7854-7856.

[10]SwartzendruberLJ,HichoGE,ChopraHD,etal.Effectofplasticstrainonmagneticandmechanicalpropertiesofultralowcarbonsheetsteel[J].JournalofAppliedPhysics, 1997, 81(8):4263-4265.

[11]HugE,HubertO,VanHoutteJJ.Effectofinternalstressesonthemagneticpropertiesofnon-orientedFe-3wt.%Siand(Fe,Co)-2wt.%Valloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA, 2002, 332:193-202.

[12]李高起，鄒宇超.高牌號冷軋無取向硅鋼片磁疇、晶粒尺寸對鐵損的影響[J].功能材料，1991，22(6):329-333.

[13]何忠治.電工鋼[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2012:43.

[責任編輯 尚 晶]

Effect of cyclic stress on magnetic properties of high grade non-oriented electrical steel

DuLiying1,2,ZhouGuifeng1,2,LiuJing1,XueHuan2,LiuDong2

(1. State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Research and Development Center, Wuhan Iron and Steel Corporation, Wuhan 430080, China)

Effect of cyclic tensile stress on the magnetic properties of 30WGP1600 non-oriented electrical steel was studied using magnetism measuring instrument. The magnetic domain, texture and dislocation structures of the samples were observed by Bitter method, EBSD and TEM. The results show that magnetic properties of the tested steel have changed very little after cyclic loading with the maximal stress (Smax) less than the elastic limit of 30WGP1600 steel(300 MPa). WhenSmax≥300 MPa, magnetic domain and texture of the tested steel alter, and its magnetic properties begin to deteriorate, i.e. its iron lossP1.0/50, coercive force and saturation magnetostriction coefficient increase and magnetic induction intensityB50decreases, and the changes speed up with the increase ofSmax.

non-oriented electrical steel; cyclic stress; magnetic property; magnetic domain; texture; dislocation

2016-08-02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011AA11A238).

杜麗影(1982-)，女，武漢科技大學博士生，武漢鋼鐵(集團)公司工程師.E-mail:duliying_821012@163.com

劉 靜(1964-)，女，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:wkdliu@126.com

TM275

A

1674-3644(2016)06-0401-05