引文格式：

背景简介

用于汽车驱动装置的电机芯通常由铁硅合金薄钢板叠加而成，其软磁特性对驱动装置的性能和效率至关重要。与固定式工业电机的要求不同，由于转速较高，汽车行业的电力传动系统采用更高的设计标准，机械应力主要来自运行过程中的离心力。因此，电工钢的设计并不完全取决于磁性能，适当的电磁特性和机械特性的结合才是关键。

本研究旨在分析不同边缘条件下电工钢板的疲劳寿命和疲劳裂纹萌生行为，比较了四种不同切割方法获得的边缘表面，包括抛光、线切割、激光切割和剪切切割。

材料化学成分

所研究的材料是标称厚度为270 µm的完全加工的无取向电工钢板，钢板材料的化学成分见表1。

表1 所研究电工钢的化学成分

成果介绍

（1）微观结构研究和残余应力测量的结果如图1和图2所示。线切割样品平均表面粗糙度R_a约为0.16 μm，抛光样品边缘表面相当光滑（R_a = 0.01μm），而激光切割和剪切导致几何形状不均匀的边缘尺寸和相对较高的表面粗糙度，分别为0.32μm和0.91μm。在图1（e-f）的图像质量图中，较暗的区域与较低的信号质量有关，这表明由于塑性变形而导致局部较高的位错密度。剪切边缘表现出最差的几何精度，并且具有大面积较高局部晶格取向差的区域，该区域的塑性变形和相应的机械应变硬化产生了高达6.0GPa的硬度值。然而，即使对于线切割或抛光的样品，也可以看到几个具有较高局部晶格取向差的区域集中在切割边缘的正下方，这表明这些区域存在轻微应变。

图2显示了在轧制方向（RD）上观察到的高残余应力，这是由沿切割方向温度梯度的快速变化引起。在90°方向上，存在轻微的残余压应力。对于线切割和抛光试样，由于制造工艺的影响，在0°和90°范围内都能获得较高的残余压应力。相反，剪切会导致0°的残余拉应力，但其大小没有激光切割试样高。

图1 不同边缘条件的微观结构特征：a) - d) 边缘表面的光学显微图像前视图；e) - h) EBSD测量图像质量图横截面；i) - l) 反极图；m) - p) 平均晶粒取向的局部取向差(GOS)；q) - t) 硬度图

图2 激光切割、线切割、抛光和剪切试样在相对于轧制方向0°和90°上的残余应力状态；红色条表示残余拉应力，蓝色条表示残余压应力

（2）R_σ = 0.1的应力控制疲劳试验和完全反向（R_ε = -1）应变控制疲劳试验的疲劳寿命分别如图3和图4所示。剪切试样在两种控制模式下都表现出最低的疲劳寿命，这是因为具有多个微缺口的高度不规则表面与应变硬化相结合，降低了疲劳载荷下的损伤容限。，由于边缘处的所有表面不规则现象均被去除，因此抛光试样疲劳寿命最高。激光切割试样和抛光试样的疲劳寿命值十分接近，尽管粗糙度和残余应力状态存在差异。对于线切割边缘，疲劳寿命在应力控制疲劳试验中会降低。由于存在缺陷，特别是表面凹坑，裂纹形核时间缩短。然而，对于应变控制疲劳试验，抛光、线切割和激光切割样品之间的差异非常小，因此没有明确的趋势。

图3 不同边缘条件下应力控制疲劳试验的Wöhler（S-N）疲劳寿命曲线；根据DIN 50100计算10%、50%和90%故障概率的直线；用箭头标记的数据点表示试样在10⁷次循环后没有失效

图4 不同边缘条件下应变控制疲劳试验的总应变疲劳寿命图

（3）几种边缘条件下裂纹萌生的典型位置如图5所示，并在表2中进行了分类。对于几乎所有的样品，疲劳裂纹都萌生于样品的边缘。剪切试样的裂纹萌生区域最为明显，萌生位置总是在剪切边缘的断裂表面处，该断裂表面对应于剪切边缘下端的粗糙表面。在这里观察到混合裂纹萌生，即穿晶和晶间裂纹模式。对于线切割、激光切割和抛光试样，大约95%的疲劳试样的裂纹从边缘萌生，不到5%的裂纹从轧制表面萌生。如图5b和图5c所示，抛光和激光切割疲劳试样的裂纹萌生表现为沿晶裂纹模式。

图5 循环加载后试样边缘的光学显微照片显示了微裂纹萌生和扩展的初始状态

表2不同控制模式、边缘条件、载荷振幅下的微裂纹萌生和扩展机理

（4）图6和图7表明了晶间裂纹的可能形成原因。根据{110}〈111〉滑移系统的局部取向差图和按晶粒计算的Schmid因子（SF）图来评估结果。在单晶中，裂纹优先形成在具有最大SF的滑移面上。图6中的晶粒1和3具有高SF，因此它们可以更容易地发生塑性变形并有相应的位错成核产生，晶粒2具有较低的SF，因此在相同的载荷下形成较少的位错或者该晶粒塑性变形需要较高的应力或应变。在具有高SF的晶粒中，可能导致界面（晶界或三相点）处的不相容应力，从而导致位错积聚。当局部的应力超过了晶界强度，就会产生晶间裂纹。这是线切割、激光切割和抛光试样有相似的疲劳寿命的原因，尤其是在低周疲劳状态下。如果表面足够光滑，位错在晶界堆积直到疲劳裂纹萌生的微观过程需要相似的循环周次。因此，低周疲劳状态下的应变控制疲劳试验相对独立于表面条件。这进一步表明，在低周疲劳状态下，应变控制试验的主要疲劳机制是基于晶间裂纹萌生引起的晶粒之间的相互作用。

而对于高周疲劳状态下的应力控制疲劳试验，粗糙度和残余应力状态的差异会更显著地影响疲劳寿命。因为高周疲劳加载的塑性变形量较低，导致粗糙度和微缺口等表面条件更为重要。相反，残余应力状态似乎没有显著影响，例如激光切割和抛光样品之间的微小差异。

图6 低应变幅下应变控制疲劳试验的晶间裂纹萌生和穿晶裂纹扩展示例；a) 光学显微照片；b) 局部取向差图；c) 关于加载方向的{110}〈111〉滑移系统的Schmid因子图

图7 高应变幅下应变控制疲劳加载后晶间裂纹萌生示例；a) 局部取向差图，黑色箭头表示晶界和三相点处的应力局部化；b) {110}〈111〉滑移系统的Schmid因子图

致谢

本工作是联邦教育与研究部（BMBF）和奥迪汽车股份公司资助的研究项目“Schwing-fests Elektroblech”的一部分。本文通讯作者：Ulrich Tetzlaff (Technische Hochschule Ingolstadt, Ingolstadt, Esplanade 10, 85049, Germany)。

本期小编：姚辰霖（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）