循环应力下无取向电工钢疲劳行为及磁性能演化规律的研究

摘要

为了保护环境和节约能源，新能源电动汽车已成为汽车行业发展的热点。电动汽车电机转子旋转时受大小和加载频率随机变化的动态离心力作用，而离心力会引起转子的疲劳断裂和棘轮变形，影响其磁性能，最终导致电机报废或性能恶化。为确保电动汽车电机的安全可靠性，提高电机效率，转子用无取向电工钢在循环应力下的疲劳行为和磁性能演化规律已引起高度重视。目前国际上对大尺寸晶粒的薄板电工钢疲劳行为的研究还处于起步阶段，关于应力对磁性能影响的研究仅局限于静态拉应力和压应力范畴，因此，本论文系统研究了30WGP1600无取向电工钢的疲劳寿命分布特征及断裂机制，分析了电工钢疲劳性能的频率效应，开展了大量的电工钢棘轮行为及磁性能演化规律研究，得出了一系列重要结论。
　　在电工钢疲劳断裂机制研究中，通过对疲劳试验数据的统计分析，置信度为90％，失效概率为10％条件下30WGP1600无取向电工钢的疲劳极限强度为346MPa，达到屈服强度的86.5％，抗拉强度的64％。通过光学显微镜和原子力显微镜(AFM)表面观察、扫描电子显微镜(SEM)断口分析、透射电子显微镜(TEM)位错分析和EBSD微区分析，揭示了电工钢的疲劳断裂机制:疲劳裂纹主要萌生于侧表面或侧表面与上下表面转角处的晶粒和晶界，从AlN颗粒处萌生的概率很小。疲劳裂纹快速扩展区为典型的解理河流花样，瞬时断裂区表现出类似于单晶体的韧性断裂特征。
　　针对电动汽车电机的变频特性，研究了30WGP1600无取向电工钢疲劳性能的频率效应，从位错运动机制上揭示了频率效应的本质。得出无取向电工钢的疲劳性能对加载频率十分敏感，加载频率从10Hz增加到50Hz，疲劳寿命和疲劳极限强度都增加，这可归因于加载频率对位错组态和动力学特征的影响。
　　考虑到电机中转子和定子之间间隙的重要性，对电工钢的棘轮行为进行了系统研究，得出了峰值应力是影响电工钢棘轮变形的主导因素。由于不同峰值应力区间对应的位错密度和位错组态不同，棘轮变形规律也不同。峰值应力小于300MPa（75％屈服强度）时，材料不发生棘轮变形;当峰值应力大于300MPa小于340MPa，即大于75％屈服强度小于85％屈服强度时，棘轮变形量较小，循环初期即达到饱和状态;当峰值应力大于等于340MPa（为85％屈服强度）小于等于屈服强度时，棘轮变形量大幅增加，循环十万次左右方能达到稳定。因此，峰值应力340MPa（为85％屈服强度）是30WGP1600无取向电工钢棘轮变形量突增点对应的应力值。
　　电工钢棘轮变形将导致磁性能恶化，因此着重研究了电工钢在循环应力下的磁性能演化规律，从磁畴、织构和位错等微观结构详细论述了磁性能恶化机理，建立了铁损和饱和棘轮应变之间的线性关系表达式。研究发现在循环初期磁性能恶化程度最大，循环蠕变对磁性能的影响微小。峰值应力为300MPa（75％屈服强度）时，磁性能开始恶化;峰值应力340MPa（85％屈服强度）是30WGP1600无取向电工钢磁性能恶化程度突增点对应的应力值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 电机受力分析

1．3 疲劳性能研究

1．3．1 疲劳现象及研究

1．3．2 疲劳断裂萌生机理

1．3．3 疲劳性能的频率效应

1．3．4 金属材料的棘轮效应

1．3．5 薄板疲劳性能研究

1．4 应力对电工钢磁性能的影响

1．5 本文研究的意义和内容

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．2．1 拉伸性能实验

2．2．2 疲劳性能实验

2．2．3 单轴棘轮实验

2．2．4 磁性能分析实验

2．3 组织结构分析

第三章 无取向电工钢疲劳性能及断裂机制研究

3．1 疲劳寿命曲线和疲劳极限强度

3．1．1 S-N曲线和P-S-N曲线测定

3．1．2 疲劳极限强度

3．2 疲劳断口分析

3．2．1 疲劳裂纹萌生和扩展

3．2．2 断口形貌

3．3 位错分析

3．4 讨论

3．4．1 疲劳裂纹萌生机制

3．4．2 疲劳性能分析

3．5 本章小结

第四章 无取向电工钢疲劳性能的频率效应

4．1 频率对疲劳寿命和疲劳极限强度的影响

4．2 位错分析

4．3 讨论

4．3．1 位错组态对疲劳性能的影响

4．3．2 位错运动机制对疲劳性能的影响

4．4 本章小结

第五章 无取向电工钢棘轮行为研究

5．1 循环周次对静态拉伸性能的影响

5．2 高循环周次的棘轮变形行为

5．3 棘轮饱和特性

5．4 TEM位错分析

5．5 棘轮变形的微观机理

5．6 本章小结

第六章 循环应力对无取向电工钢磁性能的影响

6．1 磁性能随循环寿命的变化

6．2 峰值应力对磁性能的影响

6．3 讨论

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 本文创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获得专利

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢