CN102980906A - 热疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热疲劳试验机，其特征在于：该试验机包括支座及热疲劳试样；支座为上下带有法兰的支柱结构，在支座的中心设置有支座冷却水道，热疲劳试样的上部卡在支座的上法兰处和下部卡在下法兰处，在热疲劳试样的外壁上缠绕有感应加热线圈。本发明结构合理，操作科学，效果明显，适合于在热疲劳试验领域推广应用。

Description

热疲劳试验机

技术领域

 本发明涉及材料试验技术，特别涉及一种材料热疲劳试验机。

背景技术

 当构件或材料经受温度变化(热循环)时，因其自由膨胀或收缩受到约束而产生循环应力或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现象称为热疲劳。

热疲劳损伤广泛存在于高温设备、动力机械以及精密电子设备中，举例说明：(1)核电站在正常运行过程中，主管道的高温水与支管道的低温水混合时，支管道内流体边界层发生周期性的变化，致使支管道的温度周期变化，引起热疲劳损伤；(2) 近地球轨道飞行器绕地球飞行时，太阳能帆板遭受太阳光加热和地球阴影降温引起的温度循环，产生热应循环力，并在其表面形成热疲劳裂纹；(3) 大规模集成电路的周期性通断和环境温度的周期性变化使连接处(焊点)经受温度循环，并且焊点处各元件的热膨胀系数不同，焊点内部产生周期性的热应力，从而导致热疲劳裂纹在焊点中萌生、扩展，最终使电路失效；(4) 热作模具表面经常承受冷热交替的温度变化，表面易生成热疲劳裂纹，影响铸造零件的表面质量和尺寸精度，从而导致热作模具失效；(5) 炼钢的转炉采用间歇汽雾冷却，炉壳冷却部位经历加热—冷却的循环方式，使炉壳承受的热应力呈现交替变化，这样炉壳就会出现热疲劳损伤；(6) 热轧用的轧辊，在其一次旋转中咬入被扎制材料时，轧辊表面的温度上升，在材料拖出后轧辊温度又复下降，经历若干次加热—冷却循环后，轧辊表面受到热疲劳损伤产生龟裂和剥落；(7) 车用或船用大功率柴油机在启动—停车过程中遭受热疲劳损伤，气缸或气缸盖表面易产生热疲劳裂纹，破坏气缸的气密性；(8) 高速列车的制动盘在强烈的摩擦力的作用下不仅会发生摩擦磨损，还使其自身温度升高并产生热应力，列车每制动一次，制动盘就经受一次加热和冷却的循环，反复制动便使制动盘出现热疲劳裂纹，热疲劳裂纹扩展可使整个制动盘断裂，易造成恶性事故。 

由于热疲劳现象的复杂性，试验技术在热疲劳的研究中一直占有重要地位。国内外学者都对此给予了高度重视，进行了大量研究，提出了各种热疲劳试验的装置及方法。在以往的热疲劳试验方法中，热疲劳试样处于无约束的自由状态，加热和冷却时内外温度差产生热应力，该热应力的数值无法计算也很难测量。比如，中国专利CN201110304436中所使用的热疲劳试验方法中，热疲劳试样处于无约束的自由状态，加热和冷却时内外温度差产生热应力，该热应力的数值无法计算也很难测量，这种试验方法无法建立热应力与热疲劳寿命之间的关系。

在研究材料热疲劳寿命时需要建立热应力与循环次数和寿命之间的关系，首先要求热应力是已知的或者是可以计算得到的，再者就是要求热应力越是接近纯拉伸或压缩越好，也就是要求试样的内外温度差越小越好。显然，目前的热疲劳试验机还不能达到以上两点要求。

发明内容

 发明目的：本发明提供了一种热疲劳试验机，其目的是解决以往的热疲劳试验效果不理想的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种热疲劳试验机，其特征在于：该试验机包括支座及热疲劳试样；支座为上下带有法兰的支柱结构，在支座的中心设置有支座冷却水道，热疲劳试样的上部卡在支座的上法兰处和下部卡在下法兰处，在热疲劳试样的外壁上缠绕有感应加热线圈。

热疲劳试样为带有中心孔的薄壁圆筒结构，该中心孔为试样冷却水道。

热疲劳试样为两端带有外螺纹的结构，在热疲劳试样的下端设置有用于卡在支座的下法兰上端的凸台。

热疲劳试样沿支座上下法兰的圆周方向设置多个。

在支座的上法兰和下法兰上均设置有多个“U”形豁口，上法兰上的豁口与下法兰上的豁口一一对应。

试样冷却水道的下端为试样进水口，试样冷却水道的上端为试样出水口。

支座冷却水道的上端为出水口，下端为进水口。

热疲劳试样的上部通过上端锁紧双螺母和调整螺母固定在支座的上法兰处，热疲劳试样的下部通过下端锁紧双螺母固定在支座的下法兰处。

在上端锁紧双螺母和调整螺母与支座上法兰之间均设置有隔热垫片，在下端锁紧双螺母与支座的下法兰之间设置有隔热垫片，在凸台与支座的下法兰之间也设置有隔热垫片。

优点及效果：

本发明提供一种热疲劳试验机，该试验机包括支座及热疲劳试样；支座为上下法兰式的结构，在支座的中心设置有支座冷却水道，热疲劳试样的上部卡在支座的上法兰处和下部卡在下法兰处，在热疲劳试样的外壁上缠绕有感应加热线圈。

本发明的圆柱形支座中心有冷却水道防止支座受热变形，上下法兰式结构可同时固定多个热疲劳试样。热疲劳试样为空心薄壁圆柱，外部设有感应加热线圈用于加热，中心孔的冷却水道内可通入冷却水冷却。试样与支座之间设有隔热垫片，防止支座热变形。

本发明的有益效果是：

(1) 薄壁空心试样加热和冷却速度快，内外温度差小，热应力为单向拉伸或单向压缩，热应力的数值容易计算。

(2) 支座冷却效果好，不易产生热变形。

(3) 试样通过中心孔冷却，较外部喷水方式，冷却均匀且不溅水。

(4) 可同时对多个试样进行试验，提高效率。

附图说明：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2为支座结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4是热疲劳试样结构示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种热疲劳试验机，该试验机包括支座1及热疲劳试样2；支座1为上下带有法兰的支柱结构，支座1的主体呈圆柱形，在支座1的中心设置有支座冷却水道16，热疲劳试样2的上部卡在支座1的上法兰处和下部卡在下法兰处，在热疲劳试样2的外壁上缠绕有感应加热线圈3。

如图4所示，热疲劳试样2为带有中心孔的薄壁圆筒结构，该中心孔为试样冷却水道14。

热疲劳试样2为两端带有外螺纹的结构，在热疲劳试样2的下端设置有用于卡在支座1的下法兰上端的凸台9。

热疲劳试样2沿支座1上下法兰的圆周方向设置多个。

如图3所示，在支座1的上法兰和下法兰上均设置有多个“U”形豁口，上法兰上的豁口与下法兰上的豁口一一对应。热疲劳试样2可从U豁口推入

试样冷却水道14的下端为试样进水口12，试样冷却水道14的上端为试样出水口13。

支座冷却水道16的上端为出水口11，下端为进水口10。冷却水自下而上冷却支座1，防止支座1产生热变形，

热疲劳试样2的上部通过上端锁紧双螺母8和调整螺母7固定在支座1的上法兰处，热疲劳试样2的下部通过下端锁紧双螺母5固定在支座1的下法兰处。

在上端锁紧双螺母8和调整螺母7与支座1上法兰之间均设置有隔热垫片6，在下端锁紧双螺母5与支座1的下法兰之间设置有隔热垫片6，在凸台9与支座1的下法兰之间也设置有隔热垫片6。

进行热疲劳试验前，先将感应加热线圈3套在热疲劳试样2外面，然后将热疲劳试样2两端完全固定在支座1上：下端锁紧双螺母5和凸台9约束热疲劳试样2的下端，上端锁紧双螺母8和调整螺母7约束热疲劳试样2的上端，热疲劳试样2与支座结合处布置隔热垫片。

进行热疲劳试验时，首先给支座1的支座冷却水道16内由下到上通入冷却水，然后线圈通电加热到指定时间或温度后线圈断电，同时热疲劳试样2通入由试样进水口12通入冷却水，冷却水由试样出水口13流出，当热疲劳试样2冷却到指定时间或温度后停止对试样冷却，如此反复循环直到热疲劳试验结束，取下热疲劳试样2后方可停止支座1的冷却水。

本发明结构合理，操作科学，效果明显，适合于在热疲劳试验领域推广应用。

Claims (9)

1. 一种热疲劳试验机，其特征在于：该试验机包括支座（1）及热疲劳试样（2）；支座（1）为上下带有法兰的支柱结构，在支座（1）的中心设置有支座冷却水道（16），热疲劳试样（2）的上部卡在支座（1）的上法兰处和下部卡在下法兰处，在热疲劳试样（2）的外壁上缠绕有感应加热线圈（3）。

2.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：热疲劳试样（2）为带有中心孔的薄壁圆筒结构，该中心孔为试样冷却水道（14）。

3.根据权利要求1或2所述的热疲劳试验机，其特征在于：热疲劳试样（2）为两端带有外螺纹的结构，在热疲劳试样（2）的下端设置有用于卡在支座（1）的下法兰上端的凸台（9）。

4.根据权利要求1或2所述的热疲劳试验机，其特征在于：热疲劳试样（2）沿支座（1）上下法兰的圆周方向设置多个。

5.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：在支座（1）的上法兰和下法兰上均设置有多个“U”形豁口，上法兰上的豁口与下法兰上的豁口一一对应。

6.根据权利要求2所述的热疲劳试验机，其特征在于：试样冷却水道（14）的下端为试样进水口（12），试样冷却水道（14）的上端为试样出水口（13）。

7.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：支座冷却水道（16）的上端为出水口（11），下端为进水口（10）。

8.根据权利要求3所述的热疲劳试验机，其特征在于：热疲劳试样（2）的上部通过上端锁紧双螺母（8）和调整螺母（7）固定在支座（1）的上法兰处，热疲劳试样（2）的下部通过下端锁紧双螺母（5）固定在支座（1）的下法兰处。

9.根据权利要求8所述的热疲劳试验机，其特征在于：在上端锁紧双螺母（8）和调整螺母（7）与支座（1）上法兰之间均设置有隔热垫片（6），在下端锁紧双螺母（5）与支座（1）的下法兰之间设置有隔热垫片（6），在凸台（9）与支座（1）的下法兰之间也设置有隔热垫片（6）。

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