杜麗影，周桂峰，劉 靜，薛 歡,程朝陽

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

加載頻率對(duì)高牌號(hào)無取向電工鋼疲勞性能的影響

杜麗影1,2，周桂峰1,2，劉 靜1，薛 歡2,程朝陽1

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

以一種高牌號(hào)無取向電工鋼30WGP1600為研究對(duì)象，通過高周疲勞試驗(yàn)探討加載頻率對(duì)電工鋼疲勞性能的影響，采用透射電鏡觀察不同加載頻率下疲勞變形后試樣的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析加載頻率對(duì)電工鋼疲勞特性的影響機(jī)理。結(jié)果表明，30WGP1600電工鋼的疲勞性能對(duì)加載頻率比較敏感，加載頻率從10 Hz 增至50 Hz時(shí)，其疲勞壽命和疲勞極限得到提高；在10 Hz下疲勞變形后，電工鋼的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)主要是位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)，并有窄的駐留滑移帶，在50 Hz下疲勞變形后，在晶體中可觀察到長(zhǎng)的螺型位錯(cuò)線和較寬的駐留滑移帶，這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特殊作用導(dǎo)致了在較高加載頻率下電工鋼疲勞性能的改善。

電工鋼；疲勞性能；加載頻率；位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；疲勞壽命；疲勞極限；疲勞試驗(yàn)

電工鋼的疲勞性能主要受以下因素的影響：化學(xué)成分、加工過程、內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)特征、幾何形狀、環(huán)境溫度、加載比和加載頻率等。由于高牌號(hào)無取向電工鋼主要應(yīng)用于大、中型發(fā)電機(jī)的鐵芯以及高效節(jié)能家電、電動(dòng)汽車、無刷直流和交流感應(yīng)電機(jī)鐵芯等，其工作頻率一般在較大范圍內(nèi)變化，因此研究加載頻率對(duì)高牌號(hào)無取向電工鋼疲勞性能的影響有重要意義。

加載頻率對(duì)金屬材料疲勞性能的影響是金屬材料學(xué)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有不少相關(guān)研究報(bào)道。例如，Guennec等[1]研究了加載頻率對(duì)JIS S15C低碳鋼疲勞性能的影響，得出低碳鋼疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度隨著加載頻率的增加而提高的結(jié)論；衣鴻飛等[2]對(duì)比分析了超聲加載頻率對(duì)軸承鋼GCr15和35CrMo超長(zhǎng)壽命疲勞性能的影響；史展飛等[3]從裂紋擴(kuò)展率、斷口分析等方面探討了頻率對(duì)合金鋼、鈦合金、鋁合金等三類常用金屬疲勞特性的影響；Papakyriacou等[4]研究得出，晶體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，頻率對(duì)金屬疲勞特性的影響是不同的，體心立方金屬對(duì)頻率比較敏感；Nonaka等[5]指出10～400 Hz的加載頻率對(duì)中碳鋼JIS S38C的疲勞性能影響不大，加載頻率超過400 Hz后，隨著加載頻率的增加，中碳鋼JIS S38C的疲勞壽命也在增加。然而，目前關(guān)于電工鋼疲勞特性頻率效應(yīng)的研究報(bào)道還比較少見。因此，本文主要通過高周疲勞試驗(yàn)，研究10 Hz和50 Hz加載頻率對(duì)高牌號(hào)無取向電工鋼疲勞行為的影響，對(duì)比分析不同加載頻率下電工鋼疲勞變形后的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而探討加載頻率對(duì)電工鋼疲勞特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為0.3 mm厚的30WGP1600高牌號(hào)無取向電工鋼薄板，其主要化學(xué)成分如表1所示，常規(guī)力學(xué)性能如表2所示，微觀組織如圖1所示，平均晶粒尺寸為110～130 μm。

表1 30WGP1600電工鋼的化學(xué)成分(wB/%)

Table 1 Chemical compositions of 30WGP1600 electrical steel

表2 30WGP1600電工鋼的力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of 30WGP1600 electrical steel

1.2 試驗(yàn)方法

從所選薄鋼板上制取疲勞試樣，其縱軸平行于薄板的軋制方向。疲勞試樣的幾何尺寸如圖2所示。為了避免加工變形和表面缺陷對(duì)電工鋼疲勞壽命的影響，采用180#～1800#砂紙研磨和拋光試樣的兩側(cè)表面，試樣的上、下表面用酒精清洗干凈。

疲勞試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，所用設(shè)備為5 kN電磁力疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載比R(最小加載應(yīng)力與最大加載應(yīng)力的比值)為0.1，加載頻率f分別為10 Hz和50 Hz，加載模式為應(yīng)力控制，最大應(yīng)力在350～440 MPa之間取值，采用正弦波形。定義達(dá)到疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)周次Nf=107。疲勞試驗(yàn)后，采用JEM-2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡觀察試樣的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 加載頻率對(duì)電工鋼疲勞壽命和疲勞極限的影響

以應(yīng)力幅值Sa為縱坐標(biāo)、循環(huán)周次N為橫坐標(biāo)，用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系表示不同加載頻率下試樣的S-N疲勞性能數(shù)據(jù)，如圖3所示。由圖3可見，試樣在10 Hz加載頻率下的疲勞壽命明顯低于其在50 Hz加載頻率下的疲勞壽命。采用升降法測(cè)試得到：加載頻率為10 Hz時(shí)，試樣的疲勞極限為346.7 MPa；加載頻率為50 Hz時(shí)，試樣的疲勞極限為362.5MPa，其比10Hz下的疲勞極限提高了4.56%。隨著加載頻率的增加，電工鋼的疲勞壽命和疲勞極限得到提高，分析其原因：一方面，由于應(yīng)變速率的增加，提高了材料的屈服應(yīng)力；另一方面，對(duì)于具有體心立方晶格的金屬而言，應(yīng)變速率的增加引起位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致裂紋從晶體內(nèi)起裂向晶界起裂的轉(zhuǎn)變，從而提高了材料的疲勞性能[6]，因此有必要進(jìn)一步分析不同加載頻率下電工鋼內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。

Fig.3S-Ndiagram of 30WGP1600 electrical steel at different loading frequencies

2.2 位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分析

在加載頻率分別為10 Hz和50 Hz、最大加載應(yīng)力Smax=400 MPa、循環(huán)周次N=5×104的條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用透射電鏡觀察試樣的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖4和圖5。

由于金屬內(nèi)部每個(gè)晶粒的受力大小和受力方向不同，故不同晶粒表現(xiàn)出的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)也不同。由圖4可見，當(dāng)加載頻率為10 Hz，即應(yīng)變速率較低時(shí)，在接近屈服應(yīng)力的最大加載應(yīng)力作用下，部分晶粒中沒有出現(xiàn)屈服變形，僅有少量刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，螺型位錯(cuò)沒有運(yùn)動(dòng)，這些晶粒的變形程度小，低密度的位錯(cuò)束在{110}面上開始形成(見圖4(a))；在部分變形較大的晶粒內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)屈服變形，所有位錯(cuò)都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)交割，開始形成胞狀結(jié)構(gòu)(見圖4(b))。由于相鄰晶粒間的取向不同，因此相鄰晶粒中位錯(cuò)在低密度區(qū)的優(yōu)先取向也不同[7]，由圖4(c)可見，相鄰的兩個(gè)晶粒及晶界處位錯(cuò)束的取向均存在差異。同時(shí)，在部分晶體中觀察到較窄的駐留滑移帶(見圖4(d))，基體中主要是溶質(zhì)原子析出物[8]。

當(dāng)加載頻率為50 Hz時(shí)，易滑移晶粒發(fā)生屈服，主要形成短而粗的刃型位錯(cuò)線(見圖5(a))和長(zhǎng)的螺型位錯(cuò)線(見圖5(b))。這是因?yàn)椋诟邞?yīng)變速率下，刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度高于螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度[6]，位錯(cuò)來回運(yùn)動(dòng)的位移程很短，遭遇的林位錯(cuò)較少，很少發(fā)生交割與纏結(jié)，仍然保持原來的長(zhǎng)度。Low等[9]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Fe-Si合金來說，在一定的條件下，刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度是螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的25倍。當(dāng)螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)的移動(dòng)量足夠大時(shí)，會(huì)形成帶狀結(jié)構(gòu)(見圖5(c))，并且刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的相對(duì)可動(dòng)性導(dǎo)致弛豫現(xiàn)象發(fā)生，使50 Hz下的滑移帶較10 Hz下的滑移帶更寬，同時(shí)可觀察到高密度刃型位錯(cuò)組成的駐留滑移帶墻結(jié)構(gòu)(見圖5(d))。

(a)位錯(cuò)纏結(jié)和脈絡(luò)的形成 (b)位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)的形成

(c)不同晶面和晶界處的位錯(cuò)束取向 (d)窄的駐留滑移帶

圖4 加載頻率為10 Hz時(shí)試樣內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(Smax=400 MPa,N=5×104)

Fig.4 Dislocation structures in the sample fatigued at 10 Hz (Smax=400 MPa,N=5×104)

(a)短而粗的刃型位錯(cuò)線 (b)長(zhǎng)的螺型位錯(cuò)線

(c) 較寬的駐留滑移帶 (d)高密度的刃型位錯(cuò)墻

圖5 加載頻率為50 Hz時(shí)試樣內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(Smax=400 MPa,N=5×104)

Fig.5 Dislocation structures in the sample fatigued at 50 Hz (Smax=400 MPa,N=5×104)

根據(jù)Seeger理論，材料的流變應(yīng)力包括非熱應(yīng)力和熱應(yīng)力兩部分，公式如下：

(1)

式中：σG為非熱應(yīng)力；σ*為熱應(yīng)力。

非熱應(yīng)力主要提供位錯(cuò)滑移彎曲變形和相互作用的彈性應(yīng)變能。熱應(yīng)力，通常稱為有效應(yīng)力，促使螺型位錯(cuò)在給定溫度和應(yīng)變速率下滑移。試驗(yàn)加載頻率低，即應(yīng)變速率較低，螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)，易形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)加載頻率高，即應(yīng)變速率高，螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要的熱應(yīng)力較大，運(yùn)動(dòng)速度較慢，形成長(zhǎng)的螺型位錯(cuò)線。體心立方金屬在高頻率下循環(huán)變形時(shí)，由于晶格摩擦應(yīng)力大，螺型位錯(cuò)的熱激活滑移被限制，導(dǎo)致了較高的流變應(yīng)力和較小的塑性變形[4]；同時(shí)，體心立方金屬在高頻率下表現(xiàn)出螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由程短，位錯(cuò)交割和纏結(jié)較少或延遲發(fā)生，使裂紋的萌生和擴(kuò)展被推遲，金屬疲勞壽命延長(zhǎng)。高應(yīng)變速率有利于多晶體變形的協(xié)調(diào)性，而低應(yīng)變速率強(qiáng)化了應(yīng)變局部化和集中化，導(dǎo)致晶體內(nèi)起裂。這些因素都促使在較高的試驗(yàn)頻率下，具有體心立方晶格的電工鋼的疲勞壽命和疲勞極限強(qiáng)度得到提高。

3 結(jié)論

(1)無取向電工鋼的疲勞特性具有頻率效應(yīng)。對(duì)于30WGP1600電工鋼，加載頻率從10 Hz 增加到50 Hz時(shí)，材料的疲勞壽命有明顯提高，其疲勞極限由346.7 MPa 增至362.5 MPa，約提高了4.56%。

(2)對(duì)于具有體心立方晶格的電工鋼，其位錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)加載頻率的變化較為敏感。在10 Hz下，晶體中位錯(cuò)相互纏結(jié)，形成位錯(cuò)束，并進(jìn)一步發(fā)展為胞狀結(jié)構(gòu)和窄的駐留滑移帶；在50 Hz下，晶體中主要是短而粗的刃型位錯(cuò)線和長(zhǎng)的螺型位錯(cuò)線，同時(shí)觀察到寬的駐留滑移帶和高密度刃型位錯(cuò)墻。這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特殊作用導(dǎo)致了在較高加載頻率下電工鋼疲勞性能的改善。

[1] Benjamin Guennec, Akira Ueno, Tatsuo Sakai, et al. Effect of the loading frequency on fatigue properties of JIS S15C low carbon steel and some discussions based on micro-plasticity behavior[J].International Journal of Fatigue，2014,66:29-38.

[2] 衣鴻飛，魯連濤，張繼旺，等.加載頻率對(duì)鋼鐵材料超長(zhǎng)壽命疲勞性能的影響[J].機(jī)械，2011，38(9):69-72.

[3] 史展飛，李玉龍，索濤，等. 載荷頻率對(duì)金屬及其合金高周疲勞特性的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009,27(3):488-492.

[4] Papakyriacou M, Mayer H, Pypen C, et al. Influence of loading frequency on high cycle fatigue properties of b.c.c and h.c.p metals[J]. Materials Science and Engineering:A, 2001, 308: 143-152.

[5] Isamu Nonaka,Sota Setowaki,Yuji Ichikawa.Effect of load frequency on high cycle fatigue strength of bullet train axle steel[J].International Journal of Fatigue,2014, 60:43-47.

[6] Benjamin Guennec, Akira Ueno, Tatsuo Sakai, et al. Dislocation-based interpretation on the effect of the loading frequency on the fatigue properities of JIS S15C low carbon steel[J]. International Journal of Fatigue,2015,70: 328-341.

[7] Facheris G, Pham M S, Janssens K G F, et al. Microscopic analysis of the influence of ratcheting on the evolution of dislocation structures observed in AISI 316L stainless steel during low cycle fatigue[J]. Materials Science and Engineering：A,2013,587:1-11.

[8] Pham M S, Holdsworth S R. Dynamic strain ageing of AISI 316L during cyclic loading at 300 ℃: mechanism, evolution, and its effects[J]. Materials Science and Engineering: A,2012,556:122-133.

[9] Low J R, Turkalo A M. Slip band structure and dislocation multiplication in silicon-iron crystals[J]. Acta Metallurgica, 1962,10:215-227.

[責(zé)任編輯 尚 晶]

Effect of loading frequency on fatigue properties of high grade non-oriented electrical steel

DuLiying1,2,ZhouGuifeng1,2,LiuJing1,XueHuan2,ChengZhaoyang1

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

The high cycle fatigue test was performed to investigate the influence of loading frequency on fatigue properties of a high grade non-oriented electrical steel 30WGP1600, and dislocation structures of the samples tested at different loading frequencies were observed by TEM, which provided a basis for analyzing the impacting mechanism of loading frequency on fatigue properties of electrical steel. The result shows that, fatigue properties of 30WGP1600 electrical steel are sensitive to loading frequency，and the fatigue life and fatigue limit increase when the loading frequency rises from 10 Hz to 50 Hz. The dislocation structures such as tangle, cells and narrow persistent slip bands are found in electrical steel after cyclic loading at 10 Hz. However, long screw dislocations and broad persistent slip bands exist in the samples fatigued at 50 Hz, and the special action of these dislocation structures causes the improvement of fatigue properties of electrical steel at higher loading frequency.

electrical steel; fatigue property; loading frequency property; dislocation structure; fatigue life; fatigue limit; fatigue test

2015-07-29

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA11A238).

杜麗影(1982-)，女，武漢科技大學(xué)博士生，武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院工程師.E-mail:duliying_821012@163.com

周桂峰(1965-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:zhouguifeng@wisco.com.cn

TG142.1

A

1674-3644(2015)05-0325-05