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无取向电工钢的棘轮行为及位错演化规律

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  对30WGP1600无取向电工钢进行了单轴应力控制下的系统循环试验,分析了平均应力、应力幅值和峰值应力对材料棘轮行为的影响,用TEM透射电镜观察棘轮变形过程中位错组态的演化规律,揭示了电工钢棘轮变形的本质。
  结构件在循环应力作用下产生不可逆变形的累积现象,即棘轮效应。棘轮效应可导致结构件尺寸超标或疲劳变形而失效,带来灾难性后果。譬如,电动汽车驱动电机转子在离心力作用下将产生棘轮变形。棘轮变形一方面增加了转子和定子接触的概率,从而导致电机报废;另一方面,不可逆塑性变形恶化了电机磁性能,严重损伤其功能,降低电机使用寿命。因此,为了优化电机结构和正确安全评估,电机设计时必需全面了解转子用无取向电工钢在高频率低应力下的棘轮变形行为。
  近几十年来,国内外对材料的棘轮效应进行了大量的试验及理论研究,但大多数关于材料棘轮行为的研究,都是加载频率低,外加应力高(大于材料的屈服强度),循环次数在数千周以内,而对材料在低应力(峰值应力小于等于屈服强度)、高加载频率和上十万周次下的棘轮行为还缺乏实验认识,且对无取向电工钢棘轮行为的研究更鲜见报道。因此,针对30WGP1600无取向电工钢,研究了无取向电工钢在低应力高循环周次下棘轮应变的演化过程,以及平均应力、应力幅值和峰值应力对其棘轮行为的影响,系统描述和分析了材料在低应力下的应变变化过程及位错结构的演变规律。
  研究了30WGP1600无取向电工钢在低应力高循环周次下的棘轮行为,分析了电工钢的棘轮行为,系统研究了棘轮变形过程中位错组态演化规律,得出以下主要结论。
  (1)不管应力幅值和平均应力如何变化,电工钢的棘轮应变都随峰值应力的增加而增加。因此,峰值应力是影响电工钢棘轮变形的主导因素。
  (2)外加峰值应力小于300MPa时,几乎不发生棘轮变形,电工钢处于弹性变形阶段;当峰值应力大于300MPa而小于340MPa时,电工钢棘轮变形量较小,且循环初期就达到棘轮饱和状态;当峰值应力大于340MPa而小于等于屈服强度时,棘轮应变增加速率先大后小,循环10万次左右时方能达到稳定。
  (3)当峰值应力在300~340MPa时,位错密度较低,位错组态多为位错线,在反向卸载时,位错运动比较容易,变形的可恢复性好;当峰值应力在340~400MPa时,多个滑移系易启动,位错密度增大和交互作用增强,位错运动阻力增加,变形的不可恢复性增大,此阶段内棘轮变形量大幅增加。
  (4)当峰值应力为屈服强度时,在循环初期(即第I阶段),位错运动和增殖速度非常快,棘轮应变速率也大;在棘轮变形第II阶段,位错组态由低密度的位错缠结向高密度的位错壁和初级位错胞转变,相对于第I阶段,位错增殖速率较低,棘轮应变率相应降低;在棘轮变形第III阶段,高密度位错组态向不完全的位错胞结构演化,胞状结构比较稳定,棘轮应变率几乎保持恒定的速率增长。