加载频率对高牌号无取向电工钢疲劳性能的影响

杜丽影，周桂峰，刘 静，薛 欢,程朝阳

(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)

加载频率对高牌号无取向电工钢疲劳性能的影响

杜丽影1,2，周桂峰1,2，刘 静1，薛 欢2,程朝阳1

(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)

以一种高牌号无取向电工钢30WGP1600为研究对象，通过高周疲劳试验探讨加载频率对电工钢疲劳性能的影响，采用透射电镜观察不同加载频率下疲劳变形后试样的位错结构，进而分析加载频率对电工钢疲劳特性的影响机理。结果表明，30WGP1600电工钢的疲劳性能对加载频率比较敏感，加载频率从10 Hz 增至50 Hz时，其疲劳寿命和疲劳极限得到提高；在10 Hz下疲劳变形后，电工钢的位错结构主要是位错缠结和胞状结构，并有窄的驻留滑移带，在50 Hz下疲劳变形后，在晶体中可观察到长的螺型位错线和较宽的驻留滑移带，这些位错结构的特殊作用导致了在较高加载频率下电工钢疲劳性能的改善。

电工钢；疲劳性能；加载频率；位错结构；疲劳寿命；疲劳极限；疲劳试验

电工钢的疲劳性能主要受以下因素的影响：化学成分、加工过程、内在微观结构特征、几何形状、环境温度、加载比和加载频率等。由于高牌号无取向电工钢主要应用于大、中型发电机的铁芯以及高效节能家电、电动汽车、无刷直流和交流感应电机铁芯等，其工作频率一般在较大范围内变化，因此研究加载频率对高牌号无取向电工钢疲劳性能的影响有重要意义。

加载频率对金属材料疲劳性能的影响是金属材料学研究热点，国内外已有不少相关研究报道。例如，Guennec等[1]研究了加载频率对JIS S15C低碳钢疲劳性能的影响，得出低碳钢疲劳寿命和疲劳强度随着加载频率的增加而提高的结论；衣鸿飞等[2]对比分析了超声加载频率对轴承钢GCr15和35CrMo超长寿命疲劳性能的影响；史展飞等[3]从裂纹扩展率、断口分析等方面探讨了频率对合金钢、钛合金、铝合金等三类常用金属疲劳特性的影响；Papakyriacou等[4]研究得出，晶体结构不同时，频率对金属疲劳特性的影响是不同的，体心立方金属对频率比较敏感；Nonaka等[5]指出10～400 Hz的加载频率对中碳钢JIS S38C的疲劳性能影响不大，加载频率超过400 Hz后，随着加载频率的增加，中碳钢JIS S38C的疲劳寿命也在增加。然而，目前关于电工钢疲劳特性频率效应的研究报道还比较少见。因此，本文主要通过高周疲劳试验，研究10 Hz和50 Hz加载频率对高牌号无取向电工钢疲劳行为的影响，对比分析不同加载频率下电工钢疲劳变形后的位错结构，进而探讨加载频率对电工钢疲劳特性的影响机理。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用材料为0.3 mm厚的30WGP1600高牌号无取向电工钢薄板，其主要化学成分如表1所示，常规力学性能如表2所示，微观组织如图1所示，平均晶粒尺寸为110～130 μm。

表1 30WGP1600电工钢的化学成分(wB/%)

Table 1 Chemical compositions of 30WGP1600 electrical steel

表2 30WGP1600电工钢的力学性能

Table 2 Mechanical properties of 30WGP1600 electrical steel

1.2 试验方法

从所选薄钢板上制取疲劳试样，其纵轴平行于薄板的轧制方向。疲劳试样的几何尺寸如图2所示。为了避免加工变形和表面缺陷对电工钢疲劳寿命的影响，采用180#～1800#砂纸研磨和抛光试样的两侧表面，试样的上、下表面用酒精清洗干净。

疲劳试验在室温下进行，所用设备为5 kN电磁力疲劳试验机，试验加载比R(最小加载应力与最大加载应力的比值)为0.1，加载频率f分别为10 Hz和50 Hz，加载模式为应力控制，最大应力在350～440 MPa之间取值，采用正弦波形。定义达到疲劳极限的应力循环周次Nf=107。疲劳试验后，采用JEM-2100F型场发射透射电镜观察试样的位错结构。

2 结果与讨论

2.1 加载频率对电工钢疲劳寿命和疲劳极限的影响

以应力幅值Sa为纵坐标、循环周次N为横坐标，用半对数坐标系表示不同加载频率下试样的S-N疲劳性能数据，如图3所示。由图3可见，试样在10 Hz加载频率下的疲劳寿命明显低于其在50 Hz加载频率下的疲劳寿命。采用升降法测试得到：加载频率为10 Hz时，试样的疲劳极限为346.7 MPa；加载频率为50 Hz时，试样的疲劳极限为362.5MPa，其比10Hz下的疲劳极限提高了4.56%。随着加载频率的增加，电工钢的疲劳寿命和疲劳极限得到提高，分析其原因：一方面，由于应变速率的增加，提高了材料的屈服应力；另一方面，对于具有体心立方晶格的金属而言，应变速率的增加引起位错结构的变化，导致裂纹从晶体内起裂向晶界起裂的转变，从而提高了材料的疲劳性能[6]，因此有必要进一步分析不同加载频率下电工钢内部位错结构的演变规律。

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

2.2 位错结构分析

在加载频率分别为10 Hz和50 Hz、最大加载应力Smax=400 MPa、循环周次N=5×104的条件下进行疲劳试验，采用透射电镜观察试样的位错结构，结果见图4和图5。

由于金属内部每个晶粒的受力大小和受力方向不同，故不同晶粒表现出的位错结构也不同。由图4可见，当加载频率为10 Hz，即应变速率较低时，在接近屈服应力的最大加载应力作用下，部分晶粒中没有出现屈服变形，仅有少量刃型位错运动，螺型位错没有运动，这些晶粒的变形程度小，低密度的位错束在{110}面上开始形成(见图4(a))；在部分变形较大的晶粒内已经出现屈服变形，所有位错都会发生运动，位错交割，开始形成胞状结构(见图4(b))。由于相邻晶粒间的取向不同，因此相邻晶粒中位错在低密度区的优先取向也不同[7]，由图4(c)可见，相邻的两个晶粒及晶界处位错束的取向均存在差异。同时，在部分晶体中观察到较窄的驻留滑移带(见图4(d))，基体中主要是溶质原子析出物[8]。

当加载频率为50 Hz时，易滑移晶粒发生屈服，主要形成短而粗的刃型位错线(见图5(a))和长的螺型位错线(见图5(b))。这是因为，在高应变速率下，刃型位错的运动速度高于螺型位错的运动速度[6]，位错来回运动的位移程很短，遭遇的林位错较少，很少发生交割与缠结，仍然保持原来的长度。Low等[9]发现，对于Fe-Si合金来说，在一定的条件下，刃型位错的运动速度是螺型位错运动速度的25倍。当螺型位错和刃型位错的移动量足够大时，会形成带状结构(见图5(c))，并且刃型位错和螺型位错的相对可动性导致弛豫现象发生，使50 Hz下的滑移带较10 Hz下的滑移带更宽，同时可观察到高密度刃型位错组成的驻留滑移带墙结构(见图5(d))。

(a)位错缠结和脉络的形成 (b)位错缠结和胞状结构的形成

(c)不同晶面和晶界处的位错束取向 (d)窄的驻留滑移带

图4 加载频率为10 Hz时试样内部的位错结构(Smax=400 MPa,N=5×104)

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

(a)短而粗的刃型位错线 (b)长的螺型位错线

(c) 较宽的驻留滑移带 (d)高密度的刃型位错墙

图5 加载频率为50 Hz时试样内部的位错结构(Smax=400 MPa,N=5×104)

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

根据Seeger理论，材料的流变应力包括非热应力和热应力两部分，公式如下：

(1)

式中：σG为非热应力；σ*为热应力。

非热应力主要提供位错滑移弯曲变形和相互作用的弹性应变能。热应力，通常称为有效应力，促使螺型位错在给定温度和应变速率下滑移。试验加载频率低，即应变速率较低，螺型位错与刃型位错的运动速度相当，易形成位错缠结和胞状结构；试验加载频率高，即应变速率高，螺型位错运动需要的热应力较大，运动速度较慢，形成长的螺型位错线。体心立方金属在高频率下循环变形时，由于晶格摩擦应力大，螺型位错的热激活滑移被限制，导致了较高的流变应力和较小的塑性变形[4]；同时，体心立方金属在高频率下表现出螺型位错运动的不对称性，位错运动自由程短，位错交割和缠结较少或延迟发生，使裂纹的萌生和扩展被推迟，金属疲劳寿命延长。高应变速率有利于多晶体变形的协调性，而低应变速率强化了应变局部化和集中化，导致晶体内起裂。这些因素都促使在较高的试验频率下，具有体心立方晶格的电工钢的疲劳寿命和疲劳极限强度得到提高。

3 结论

(1)无取向电工钢的疲劳特性具有频率效应。对于30WGP1600电工钢，加载频率从10 Hz 增加到50 Hz时，材料的疲劳寿命有明显提高，其疲劳极限由346.7 MPa 增至362.5 MPa，约提高了4.56%。

(2)对于具有体心立方晶格的电工钢，其位错结构对加载频率的变化较为敏感。在10 Hz下，晶体中位错相互缠结，形成位错束，并进一步发展为胞状结构和窄的驻留滑移带；在50 Hz下，晶体中主要是短而粗的刃型位错线和长的螺型位错线，同时观察到宽的驻留滑移带和高密度刃型位错墙。这些位错结构的特殊作用导致了在较高加载频率下电工钢疲劳性能的改善。

[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] 衣鸿飞，鲁连涛，张继旺，等.加载频率对钢铁材料超长寿命疲劳性能的影响[J].机械，2011，38(9):69-72.

[3] 史展飞，李玉龙，索涛，等. 载荷频率对金属及其合金高周疲劳特性的影响[J].材料科学与工程学报，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.

[责任编辑 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

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)公司研究院工程师.E-mail:duliying_821012@163.com

周桂峰(1965-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:zhouguifeng@wisco.com.cn

TG142.1

A

1674-3644(2015)05-0325-05