循环应力加载中电工钢磁性能变化规律

　　电机转子用铁芯材料工作时承受随速度循环变化的离心力作用,这种循环应力对转子用无取向电工钢磁性能的影响已成为电机设计的重要考量因素。应力对电工钢磁性能的影响已被广泛研究,并取得很多有意义的成果。

　　Poulnikov等[1]研究了拉伸应力的残余作用对无取向电工钢磁性能的影响,并指出弹性应力应变和塑性应力应变对磁性能的影响结果不同。LoBue等[2]对比分析了-50~75MPa范围内拉应力和压应力对无取向电工钢磁性能和铁损的影响,结果表明拉应力下铁损只 有 微小波动,压应力下铁损大幅增加。Astie等[3]认为材料的矫顽力与位错密度的平方根成正比。Makar等[4]研究了塑性变形对珠光体钢磁性能的影响,得出矫顽力与应力的平方成正比。Landgraf和Sablik等[5-6]认为塑性变形后电工钢的磁性能与应变硬化指数有关,应变硬化指数越大,铁损恶化程度越大。然而目前关于无取向电工钢经循环应力加载后磁性能变化规律的研究还鲜有报道。

　　材料磁性能的最大变化发生在循环应力加载初期[7],为此本文以无取向电工钢为研究对象,在外加拉-拉应力下循环104次后移除外应力,利用磁性测量仪分析电工钢磁性能的变化规律,并对材料磁畴结构和织构的变化特征进一步描述。

　　1、试验

　　1.1、试验材料

　　试验材料为30WGP1600高牌号无取向电工钢,厚度为0.3mm,平均晶粒尺寸为110~130μm,其主要化学成分见表1,常规力学性能见表2。试验钢的静态拉伸真应力-应变曲线(1%应变范围内)如图1所示。从图1中可知,试验钢的弹性极限强度(Re)约为300 MPa,是其屈服强度(400MPa)的75%。

　　为避免循环加载过程中额外夹持力对电工钢磁性能测试结果的影响,本试验采用线切割加工方式,将试样加工成30mm×400mm的板条样,长度方向平行于轧制方向,试样两侧表面用180#~1200#砂纸研磨,上下表面用酒精清洗干净。

表1 30WGP1600电工钢的化学成分(wB/%)

表2 30WGP1600电工钢的力学性能

图1 30WGP1600电工钢的真应力-应变曲线(1%应变范围内)

　　1.2、试验与检测方法

　　循环加载试验在室温下于岛津5kN电磁力疲劳试验机上完成,加载比r(即最小加载应力/最大加载应力)为0.1,加载频率f为50Hz,采用正弦波形,最大加载应力Smax分别为160、220、280、300、320、340、360、400 MPa,每级应力下循环104次停止试验。

　　将加载完成的试样剪去两端夹持部位,按照Epstein方圈取样方法加工成30mm×300mm的标准试样。用4%酒精溶液清洗试样表面,采用德国MPG-100D磁性测量仪检测单片试样在50Hz下的铁损P1.0/50、磁感应强度B50和矫顽力Hc。采用 硅 钢 磁 性 材 料 自 动 测 量 系 统MST-400C磁滞回线测量装置和动态应变仪SDY2012测量试样在50Hz下的饱和磁滞伸缩。

　　将加载后试样的中间部位进行切割、打磨和抛光等金相处理后,采用Bitter粉纹法观察其磁畴结构。利用EBSD技术研究应力对材料表面织构的影响。为了全面分析加载后试样的位错特征,分别取单片试样的3个不同部位制成薄膜样,采用JEM-2100F型透射电镜观察其位错结构。

　　2、试验结果

　　2.1、循环应力对试验钢磁性能的影响

　　在50Hz下最大循环加载应力Smax不同时,去除应力后试样的铁损P1.0/50和磁感应强度B50如图2所示。由图2可见,Smax小于材料的弹性极限强度300MPa时,试样的铁损和磁感应强度只发生微小变化,电工钢的初始磁性能被保留,因此试样在弹性变形阶段内磁性能的变化是可逆的,文献[1]中也有类似研究结果。当Smax≥300MPa时,试样铁损随着加载应力的增大而增加,且增加速率越来越快。当Smax从300 MPa增至3 40MPa时,铁损P1.0/50从0.871W/kg增至1.035W/kg,增加速率为0.004 W/(kg·MPa);而当Smax从340MPa增至400MPa时,P1.0/50从1.035W/kg增至2.318W/kg,增加速率为0.021 W/(kg·MPa)。当Smax≥300MPa时,试样的磁感应强度B50随着循环加载应力的增大而降低。综上,在弹性变形范围内施加拉-拉循环应力对试验钢的磁性能几乎没有影响;最大应力值在材料的弹性极限到屈服强度之间时,所施加的拉-拉循环应力对试验钢的磁性能有较大影响。

图2 P1.0/50和B50随最大循环应力Smax的变化

　　外应力对材料磁滞损耗的影响大小主要取决于矫顽力Hc,矫顽力越大,磁滞损耗越大。图3所示为试样的矫顽力随最大循环加载应力Smax的变化规律。Smax<300 MPa时,矫顽力只有微小变化;Smax≥300MPa时,矫顽力随应力的增大而增加,且增加速率越来越快。Smax从300 MPa增至400MPa时,Hc增加了1.31倍。

图3 矫顽力Hc随最大循环应力Smax的变化

　　相关研究[8]表明,电工钢的磁致伸缩效应对外加应力很敏感。图4为试验钢的饱和磁致伸缩系数λs随最 大 循 环 应 力Smax的 变 化 情 况。当Smax<300 MPa时,λs变化微小;当Smax≥300MPa时,材料开始发生塑性变形并产生残余内应力,λs从300 MPa下 的3.602×10-6增至400MPa下的9.798×10-6,约增加了1.72倍,且增加速率越来越快。

图4 饱和磁致伸缩系数λs随最大循环应力Smax的变化

　　2.2、位错结构