CN102621022A - 一种热-力耦合疲劳实验装置及方法 - Google Patents

一种热-力耦合疲劳实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热-力耦合疲劳实验装置和方法，属金属材料性能测试和分析领域。该装置包括被测材料试样、冷-热疲劳系统以及应力疲劳系统，所述试样包括夹持段、试验段和过渡段；所述冷-热疲劳系统包括高频感应线圈、旋转密封装置、流量泵、温度传感器、加热电源、冷却介质管道及控制系统；所述应力疲劳系统主要包括主动旋转夹具、从动旋转夹具、传动齿轮、电机及电机控制系统。所述方法如下：将被测试样与冷-热疲劳系统以及应力疲劳系统进行连接、固定，进行冷-热疲劳的同时进行不同应力下的应力疲劳，得到应力疲劳寿命随循环应力的变化曲线；调整冷热疲劳的参数，即可得到冷热疲劳温度对疲劳极限的影响。

Description

一种热-力耦合疲劳实验装置及方法
 
技术领域
本发明涉及一种热-力耦合疲劳实验装置和方法，属金属材料性能测试和分析领域。
 
背景技术
随着我国列车运行速度及高速列车的迅速发展，列车运行的安全性受到广泛的重视，车轮及制动盘作为高速列车的重要结构部件，其服役性能是关系列车运行安全的一个重要指标。高速列车在制动尤其是紧急制动过程中经受制动盘与刹车片摩擦产生的冷-热疲劳、摩擦应力疲劳以及由于制动盘截面上的温度梯度导致的热应力作用。车轮与钢轨之间也存在摩擦生热、摩擦应力，它们共同作用下会导致车轮踏面的热疲劳裂纹。这些条件的共同作用使得制动盘、车轮及钢轨材料的服役性能评价变得异常复杂，传统单一条件下的疲劳性能测试，如热疲劳实验、应力疲劳实验等不能准确的表征材料在真实条件下的性能，因此对于制动盘及车轮材料的性能评价和寿命预测带来很大的不确定性，同时对制动盘和车轮材料的性能提高方向和目标的偏离。其主要原因是目前没有一种很好的实验装置可以同时满足冷-热疲劳、应力疲劳及符合实际情况的温度梯度。本发明的主要目的是同时满足冷-热疲劳和应力疲劳实验需求，实现对制动盘材料真实服役条件的模拟和测试。
 
发明内容
本发明提出一种结合感应加热系统、定量冷却系统、旋转弯曲疲劳设备及真空/气氛环境箱相结合的热-力耦合疲劳实验装置。可以同时实现冷-热疲劳、应力疲劳的定量控制及自动控制。下面分别介绍各部分的组成，然后介绍组合后的完整装置及使用方法。
1）试样
试样为中空的圆棒试样，形状如图1所示。试样分为三部分，即加持段、试验段和过渡段，试样尺寸可以根据原材料及试验机尺寸或实验需要进行设计。中心孔的直径可以根据冷却速率进行调整。
2）冷-热疲劳系统
试样试验段用高频感应线圈加热，加热速率和加热温度可以通过调节加热电源的功率实现。由于高频感性加热具有“集肤效应”，温度先集中与试样表面，这与制动盘材料的在制动过程中的热源位置相同。在试样表面安装接触式热电偶或同过红外温度计测量试样表面的温度。试样的两端通过旋转密封装置与冷却介质管道相连，冷却介质可以是空气、水蒸气及水等介质，采用流量泵或流量阀控制流量。在试样两端的冷却介质进、出口位置安装温度传感器，通过进监测冷却介质的进出口温度计流量精确控制冷却速率。加热电源与冷却介质流量泵或流量阀与继电器等设备与控制系统相连，可以实现加热与冷却参数的调节以及实验循环频率的设定，如图2所示。
3）  应力疲劳系统
应力疲劳采用旋转弯曲疲劳，试样的表面应力最大，这也与制动盘制动过程中的实际受力状态基本相同。试样一端固定在可实现扭转的夹具上，该夹具通过齿轮与旋转电机主轴相连，通过电机对试样施加扭转及转速的调整。试样的另一端固定在从动旋转夹具上，该夹具可对试样施加弯矩，使试样表面产生需要应力。如图3所示。也可以在试样上通过粘贴应变片，直接测量试样表面的应力并校核所施加在试样上的弯矩。
4）环境箱系统
为防止试样在长时间冷-热疲劳过程中表面的氧化，可以在试样外部或夹具的外部安装真空环境箱或惰性气氛保护环境箱。
与现有试样方法和装置相比，本发明的特点在于，利用高频感应加热对试样实现快速加热，并通过在试样内容进行冷却的方式模拟制动盘在实际工况下的温度场分布及冷-热疲劳；同时在试样表面施加应力疲劳，模拟制动盘子在制动过程中的受力状态。该装置可以研究制动盘材料在真实服役条件下，热-力耦合疲劳作用下材料的性能演化及损伤失效参数和失效过程。
 
附图说明
图1为本方法和装置中使用的试样形状和尺寸示意图。其中，L1为试样总长，L2为试验段长度，L3为夹持段长度，R为过度段半径，Φ1为试验段直径，Φ2为夹持段直径，Φ3为冷却孔直径。
图2为冷-热疲劳系统工作原理图。
图3为应力疲劳系统工作原理图。
图4为冷-热疲劳实验制度示意图。
图5为冷-热疲劳温度对材料疲劳极限的影响示意图。
图6为疲劳应力对材料热疲劳极限温度的影响示意图。
 
具体实施方式
实施例1：冷-热疲劳对材料疲劳极限的影响
将制动盘材料加工成如图1所示的试样，将试样按图2和图3所示的方法固定与实验装置上，设定材料的加热速率、保温时间、冷却速率及循环周期，如图4所示。在进行冷-热疲劳的同时进行不同应力下的应力疲劳，得到应力疲劳寿命随循环应力的变化曲线，即S-N曲线，如图5所示。调整冷热疲劳的参数，如加热温度T，可得到冷热疲劳温度对材料疲劳性能的影响，即可得到冷热疲劳温度对疲劳极限的影响。
实施例2：应力疲劳对材料热疲劳开裂极限温度的影响
将制动盘材料加工成如图1所示的试样，将试样按图2和图3所示的方法固定与实验装置上，设定试样的弯矩即试样表面最大应力、疲劳频率等参数。在进行应力疲劳的同时进行不同温度下的冷-热疲劳实验，得到-冷热疲劳寿命随循环温度的变化曲线，即T-N曲线。变化应力疲劳的参数，如最大应力S，可得到疲劳应力对材料热疲劳性能的影响，如图6所示。
综上所述，本发明可以很好的实现在热-力耦合疲劳环境下材料性能的测试和失效机理研究。

Claims (5)

1.一种热-力耦合疲劳实验装置，包括被测材料试样、冷-热疲劳系统以及应力疲劳系统，其特征在于：
所述试样形状为圆棒状，包括夹持段、试验段和过渡段；所述夹持段在实验时被夹持在试验设备夹具上，所述试验段承受均匀的载荷和温度以测试材料的性能；所述过渡段起到试验段与夹持段应力和温度的过度作用，应力及较高的温度主要分布在试验段；
所述冷-热疲劳系统包括高频感应线圈、旋转密封装置、流量泵、温度传感器、加热电源、冷却介质管道及控制系统；所述感应线圈与加热电源连通，并对试样试验段进行高频感应加热；所述试样的两端通过旋转密封装置与冷却介质管道相连，冷却介质采用空气、水蒸气或水等介质，并采用流量控制器控制流量；所述冷却介质管道进、出口位置安装温度传感器；所述加热电源、温度传感器及流量控制器与控制系统相连，实现加热与冷却参数的调节以及实验循环频率的设定。
2.所述应力疲劳系统主要包括主动旋转夹具、从动旋转夹具、传动齿轮、电机及电机控制系统，所述试样一端固定主动旋转夹具上，该夹具通过传动齿轮与电机主轴相连，通过电机控制系统控制电机对试样施加扭转及转速的调整；试样的另一端固定在从动旋转夹具上，对试样施加弯矩，使试样表面产生需要应力。
3.根据权利要求1所述的一种热-力耦合疲劳实验装置，其特征在于：所述被测试样外部或夹具的外部安装真空环境箱或惰性气氛保护环境箱。
4.一种热-力耦合疲劳实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置进行实验，所述方法如下：
3.1将被测试样与冷-热疲劳系统以及应力疲劳系统进行连接、固定；
3.2设定材料的加热速率、保温时间、冷却速率及循环周期，在进行冷-热疲劳的同时进行不同应力下的应力疲劳，得到应力疲劳寿命随循环应力的变化曲线，即S-N曲线；调整冷热疲劳的参数，如加热温度T，得到冷热疲劳温度对材料疲劳性能的影响，即可得到冷热疲劳温度对疲劳极限的影响；
一种热-力耦合疲劳实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置进行实验，所述方法如下：
4.1将被测试样与冷-热疲劳系统以及应力疲劳系统进行连接、固定；
4.2设定试样的弯矩即试样表面最大应力、疲劳频率等参数，在进行应力疲劳的同时进行不同温度下的冷-热疲劳实验，得到-冷热疲劳寿命随循环温度的变化曲线，即T-N曲线；变化应力疲劳的参数，如最大应力S，得到疲劳应力对材料热疲劳性能的影响。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述被测试样中心孔的直径可以根据冷却速率进行调整，即在试样试验段外径不变的情况下，试样中心冷却孔的直径越大，试样壁越薄，有利于传热，同时冷却孔内的冷却介质流量增加，有利于增加冷却速率，反之则降低冷却速率。
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