循環(huán)應(yīng)力加載中電工鋼磁性能變化規(guī)律

1、循環(huán)應(yīng)力加載中電工鋼磁性能變化規(guī)律電機(jī)轉(zhuǎn)子用鐵芯材料工作時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)子用無(wú)取向電工鋼磁性能的影響已成為電機(jī)設(shè)計(jì)的重要考量因素。應(yīng)力對(duì)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(duì)無(wú)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(duì)磁性能的影響結(jié)果不同。LoBue等2對(duì)比分析了-5075MPa范圍內(nèi)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)無(wú)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(dòng),壓應(yīng)力下鐵損大幅增加。Astie等3認(rèn)為材料的矯頑力與位錯(cuò)密度的平方根成正比。Makar等4研究了塑性變形對(duì)珠光

2、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(rèn)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(wú)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(bào)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(wú)取向電工鋼為研究對(duì)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(cè)量?jī)x分析電工鋼磁性能的變化規(guī)律,并對(duì)材料磁疇結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的變化特征進(jìn)一步描述。1、試驗(yàn)1.1、試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為30WGP1600高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼,厚度為0.3mm,平均晶粒尺寸為110130μm,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1

3、,常規(guī)力學(xué)性能見(jiàn)表2。試驗(yàn)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(yàn)鋼的彈性極限強(qiáng)度(Re)約為300 MPa,是其屈服強(qiáng)度(400MPa)的75%。為避免循環(huán)加載過(guò)程中額外夾持力對(duì)電工鋼磁性能測(cè)試結(jié)果的影響,本試驗(yàn)采用線切割加工方式,將試樣加工成30mm×400mm的板條樣,長(zhǎng)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(xué)成分(wB/%)表2 30WGP1600電工鋼的力學(xué)性能圖1 30WGP1600電工鋼的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1%應(yīng)變范圍內(nèi))1.2、試驗(yàn)與檢測(cè)方法循環(huán)加

4、載試驗(yàn)在室溫下于島津5kN電磁力疲勞試驗(yàn)機(jī)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50Hz,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(jí)應(yīng)力下循環(huán)104次停止試驗(yàn)。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30mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。用4%酒精溶液清洗試樣表面,采用德國(guó)MPG-100D磁性測(cè)量?jī)x檢測(cè)單片試樣在50Hz下的鐵損P1.0/50、磁感應(yīng)強(qiáng)度B50和矯頑力Hc。采用 硅 鋼 磁 性 材 料 自 動(dòng) 測(cè) 量 系 統(tǒng)MST-400C磁滯回線測(cè)量裝

5、置和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀SDY2012測(cè)量試樣在50Hz下的飽和磁滯伸縮。將加載后試樣的中間部位進(jìn)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(duì)材料表面織構(gòu)的影響。為了全面分析加載后試樣的位錯(cuò)特征,分別取單片試樣的3個(gè)不同部位制成薄膜樣,采用JEM-2100F型透射電鏡觀察其位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。2、試驗(yàn)結(jié)果2.1、循環(huán)應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)鋼磁性能的影響在50Hz下最大循環(huán)加載應(yīng)力Smax不同時(shí),去除應(yīng)力后試樣的鐵損P1.0/50和磁感應(yīng)強(qiáng)度B50如圖2所示。由圖2可見(jiàn),Smax小于材料的彈性極限強(qiáng)度300MPa時(shí),試樣的鐵損和磁感應(yīng)強(qiáng)度只發(fā)生微小變化,電工鋼的初始磁性能被保

6、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(xiàn)1中也有類似研究結(jié)果。當(dāng)Smax≥300MPa時(shí),試樣鐵損隨著加載應(yīng)力的增大而增加,且增加速率越來(lái)越快。當(dāng)Smax從300 MPa增至3 40MPa時(shí),鐵損P1.0/50從0.871W/kg增至1.035W/kg,增加速率為0.004 W/(kg·MPa);而當(dāng)Smax從340MPa增至400MPa時(shí),P1.0/50從1.035W/kg增至2.318W/kg,增加速率為0.021 W/(kg·MPa)。當(dāng)Smax≥300MPa時(shí),試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)試驗(yàn)鋼的磁性能幾乎沒(méi)有影響;最大應(yīng)力值在材料的彈性極限到屈服強(qiáng)度之間時(shí),所施加的拉-拉循環(huán)應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)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的變化外應(yīng)力對(duì)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圖3 矯頑力Hc隨最大循環(huán)應(yīng)力Smax的變化相關(guān)研究8表明,電工鋼的磁致伸縮效應(yīng)對(duì)