循环应力对高牌号无取向电工钢磁性能的影响

杜丽影，周桂峰，刘 静，薛 欢，刘 冬

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081；2.武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉，430080)



循环应力对高牌号无取向电工钢磁性能的影响

杜丽影，周桂峰，刘 静，薛 欢，刘 冬

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081；2.武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉，430080)

以30WGP1600无取向电工钢为研究对象，采用磁性测量仪检测循环拉应力对试验钢磁性能的影响规律，利用Bitter粉纹法、EBSD和TEM等分析手段，分别观察了不同循环应力下试样的磁畴、织构和位错结构的变化特征。结果表明，最大循环应力Smax小于材料的弹性极限强度(300 MPa)时，去除应力后试验钢的磁性能基本恢复；Smax≥300 MPa时，试验钢的磁畴结构和织构发生变化，磁性能开始恶化，其铁损P1.0/50、矫顽力和饱和磁致伸缩系数均随着Smax的增大而增加，而磁感应强度B50则随之降低，并且变化速率均越来越快。

无取向电工钢；循环应力；磁性能；磁畴；织构；位错

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-50～75 MPa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0.3 mm, 平均晶粒尺寸为110～130 μm，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(400 MPa)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/%)

Table 1 Chemical compositions of 30WGP1600 electrical steel

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

表2 30WGP1600电工钢的力学性能

Table 2 Mechanical properties of 30WGP1600 electrical steel

屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%硬度(HV5)40055018922188

图1 30WGP1600电工钢的真应力-应变曲线(1%应变范围内)

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

1.2 试验与检测方法

循环加载试验在室温下于岛津5 kN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50 Hz，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30 mm×300 mm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50 Hz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50 Hz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50 Hz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300 MPa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≥300 MPa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340MPa时，铁损P1.0/50从0.871W/kg增至1.035 W/kg，增加速率为0.004 W/(kg·MPa)；而当Smax从340 MPa增至400 MPa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≥300 MPa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

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

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400 MPa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

Fig.3 Variation of coercive forceHcwith the maximal cyclic stressSmax

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≥300 MPa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400 MPa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

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

2.2 位错结构

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=300 MPa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。

(a)Smax=300 MPa

(b)Smax=400 MPa

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

(a) 未加载

(b)Smax=300 MPa

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

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400 MPa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。

(a)α取向线 (b)γ取向线 (c)λ取向线

图7 试样表层织构取向线分析

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

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。

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400MPa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≥300MPa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≥300MPa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≥300MPa时，30WGP1600电工钢的织构也发生了改变，难磁化的{111}〈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。

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

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[13]何忠治.电工钢[M]. 北京：冶金工业出版社, 2012:43.

[责任编辑 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

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA11A238).

杜丽影(1982-)，女，武汉科技大学博士生，武汉钢铁(集团)公司工程师.E-mail:duliying_821012@163.com

刘 静(1964-)，女，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:wkdliu@126.com

TM275

A

1674-3644(2016)06-0401-05