循环应力加载中电工钢磁性能变化规律(2)

　　图5为不同外加应力下试样的位错结构特征。由图5可见,Smax=300MPa时,材料产生微塑性变形,晶粒内位错结构以孤立的位错线为主,位错密度较低,部分位错在晶界和驻留滑移带处聚集;Smax=400 MPa时,材料发生宏观变形,位错萌生并增值,以致缠结形成位错束和位错胞。

图5 不同外加应力下试样内部的位错结构(×5000)

　　2.3、磁畴结构

　　未加载以及Smax分别为300、400 MPa条件下试样的表面磁畴结构如图6所示。由图6可以看出,试样未受循环应力时,磁畴结构以180°与90°片状畴为主,磁畴宽度均匀,畴壁较长,且平行有序排列,不同晶粒内排列方向不同,但同一晶粒内排列方向相同。Smax=300 MPa循环加载后,试样仅发生微小塑性变形,部分磁畴发生了转向,弯曲畴增多(见图6(b)中方框内),畴壁间距略有增大。Smax=400 MPa时,试样的塑性变形量相对增大,大量畴壁发生了转向,磁畴结构以迷宫畴为主,畴壁厚度和畴壁间距都略有增大。

图6 不同加载条件下试样的磁畴形貌

　　2.4、织构

　　电工钢的磁感应强度主要与其织构有关,图7给出了最大循环应力分别为300 MPa和400MPa时试样表层织构强度沿α取向线、γ取向线和λ取向线的变化情况。从图7中可见,以{111}〈112〉组分为主的γ织构最强,其次是以{100}〈140〉组分为主的λ织构,α织构较弱,主要以(0°,30°,45°)和{111}〈110〉取向为主,其中(0°,30°,45°)取向与{112}〈110〉取向相差5°。随着循环应力的增大,γ取向线强度增加,λ取向线强度降低,α取向线强度变化不明显。

图7 试样表层织构取向线分析

　　3、讨论

　　电工钢铁损包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pel和反常损耗Pexc三部分。在拉应力作用下,电工钢铁损主要取决于磁滞损耗,涡流损耗和反常损耗占的比例较小[9]。磁滞损耗又取决于矫顽力的大小。材料变形对矫顽力的影响归因于位错对畴壁的钉扎作用。矫顽力正比于位错密度的平方根,位错密度与塑性变形量线性正相关[10]。因此,外加应力越大,试样塑性变形越大,矫顽力也随之增加。

　　材料在循环应力与单轴应力作用下的变形机制不同,特别是其细观组织和微观组织有很大差异。循环应力作用下电工钢的细观组织为驻留滑移带,微观组织为位错束和位错胞。电工钢经循环加载变形后,位错聚集在驻留滑移带处阻碍磁畴运动并使其弯曲,且位错束和位错胞的阻力大于孤立位错线的阻力[11]。同时晶粒内位错减小了畴壁移动空间,磁畴逆向运动受阻。另一方面,塑性变形产生的长程内应力也增加了磁畴运动阻力,变形量越大,长程内应力就越大,对磁畴运动的阻力也越大。

　　循环应力作用使系统能量增加,试样磁畴结构也发生改变。试样加载前的磁畴结构以180°和90°片状畴为主。180°片状畴易磁化,因为沿磁场方向磁化过程中180°畴壁移动不增加磁晶各向异性能,在很低的磁场下即达到饱和状态[12];90°片状畴也较易磁化。随着外加应力的增加,较难磁化的弯曲畴增加,磁滞损耗变大,且弯曲畴壁移动可产生更大的涡流损耗和反常损耗。另外,畴壁间距和畴壁厚度增加也使反常损耗增大。

　　由于磁畴结构的变化,电工钢磁化状态发生了改变,磁化过程中产生磁致伸缩效应。当最大循环应力大于弹性极限时,电工钢开始发生塑性变形,随着循环应力的增加,正饱和磁致伸缩系数λs增大,残余内应力增加,由磁致伸缩和内应力耦合产生的磁弹性能Eσ(Eσ=32λsσsin2θ,其中σ为应力、θ为应力与磁场强度的夹角)[13]也随之增加,磁晶各向异性能增大,这导致90°畴壁移动和转动阻力加大,电工钢磁化困难,铁损恶化。电工钢的磁性能也与其织构有关。无取向电工钢的理想织构为{100}〈uvw〉织构,即λ纤维织构(〈001〉∥ND,ND为轧面法线方向),因为它在轧面 内含有两 个易磁化的 〈001〉方向,难磁化〈111〉方向不在轧面上,且各向同性。难磁化织构{111}〈uvw〉,即γ纤维织构(〈111〉∥ND)在轧面内不含有任何易磁化方向,会恶化电工钢的磁性能。最大循环应力由300MPa增至400MPa时,试样中不利的γ纤维织构强度增加,而有利的λ纤维织构强度减小,所以试样的磁感应强度B50降低,铁损增加。另外,虽然400 MPa下较有益的α织构(0°,30°,45°)组分有所增加,但其强度较低,对提高试验钢磁性能的作用不大。

　　4、结论

　　(1)最大循环应力Smax小于材料的弹性极限强度300MPa时,去除应力后30WGP1600电工钢的磁性能基本恢复。Smax≥300 MPa时,电工钢发生塑性变形,磁性能开始恶化;随着Smax的增大,30WGP1600电工钢的铁损、矫顽力和饱和磁致伸缩系数均在增加,且增加速率越来越快,而磁感应强度B50则随之降低。

　　(2)Smax≥300 MPa时,30WGP1600电工钢磁畴结构发生变化,从180°和90°片状畴向弯曲畴和迷宫畴转变,畴壁厚度和畴壁间距略有增加。

　　(3)Smax≥300 MPa时,30WGP1600电工钢的织构也发生了改变,难磁化的〈uvw〉γ纤维织构强度增加,易磁化的{100}〈uvw〉λ纤维织构强度减小。