CN104237043A - 一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法 - Google Patents

Abstract

一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法,利用定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命试验机反复将材料加热冷却，定量测量合金在热疲劳循环过程中应力应变变化，绘制合金在热疲劳循环过程中稳定的应力应变滞后回线，并根据Manson-Coffin方程计算热疲劳寿命。本发明方法完全自动化、运行灵活，测试方法简便，几乎可以完全避免因人为因素影响而导致的误差，准确度高。

Description

一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种材料性能的测试方法，特别涉及一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法。 

背景技术

热疲劳是指温度变化引起的材料自由膨胀或收缩受到约束，其结果是在材料内部因变形受限制产生热应力，当温度反复变化时，这种热应力也反复变化，因而使材料受到损伤。高温合金主要用于制造航空涡轮发动机热端部件和航天火箭发动机各种高温部件，是现代航空、航天发动机必不可少的关键部件。在航空、航天发动机中，高温合金在600～1200℃高温和复杂应力作用下长期工作，条件比较恶劣。尤其当燃烧室内燃烧不均匀，工作不良时，作为导向叶片的合金受热负荷更大，在这种情况下，易产生疲劳裂纹。因此热疲劳为涡轮发动机导向叶片提前破坏的主要原因。燃气发动机的叶片和轮盘也常发生热疲劳裂纹，并且也大大限制了它们的使用寿命。叶片的裂纹多产生在进排气边，呈多条细小的裂纹。轮盘由于轮毂和轮缘沿径向产生很大的温差，因此在轮缘外引起周向热应力，导致轮盘槽底裂纹。模具钢在使用过程中，常产生热疲劳裂纹，使模具失效。从以上各零件产生热疲劳裂纹的过程可知，热疲劳是耐热合金零部件在高温时常见的一种破坏形式。许多高温工作的零件，往往不是受力过大而损坏，而是由于不断受冷受热而损坏。如火焰筒、汽缸、发动机的进排气管道，以及锻模、轧辊等，在交变温度的作用下也经常会产生热疲劳裂纹，以及发生破坏。因此，对温度起伏变化条件下工作的零件，必须考虑材料的热疲劳性能指标。 

虽然热疲劳现象受到普遍关注，国内外对热疲劳试验方法作了不少研究，已制定了一些试验规范，但到目前为止还没有国际上公认的标准试验方法。在我国，对热疲劳的研究也有很多方法，但都没得到一致认可。现在比较常用的方法是定性比较法。以主裂纹发展到某一长度的循环次数或某规定循环次数下产生的裂纹长度作为材料热疲劳抗力的标准。在国外，比较常用的设备是流态化床装置。但在国内，对热疲劳研究得比较少，试验方法和设备也不一样，有的在炉中加热后取出直接放在水中冷却，这种方法人为因素较多，难以保证试验的准确性。 

专利号为200410100451.9的发明专利公开了一种热疲劳试验机，是将试样在加热系统加 热后，再转移到冷却系统中冷却。以上热疲劳试验机只能定性检测合金在一定条件下，抵抗热疲劳性能的好坏，也可以对几种合金的热疲劳性能进行简单比较，不能定量研究合金的热疲劳性能。专利号为200710042765.1的发明专利攻来了一种钢的热疲劳性能测试和分析方法：采用感应加热方法测试钢的热疲劳性能，通过分析热疲劳裂纹长度、宽度和深度来定量研究钢热疲劳性能。通过照片测量热疲劳裂纹的长度、宽度和深度，特别是裂纹的深度，存在一定误差。不能定量说明合金在热疲劳过程中应力应变变化及绘制合金在热疲劳过程中稳定的滞后回线，也不能预测耐热合金零部件的使用寿命。 

发明内容

本发明针对现有技术之不足，提供一种利用定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命试验机自动化灵活、定量测量合金在热疲劳循环过程中应力应变变化，绘制合金在热疲劳循环过程中稳定的应力应变滞后回线，预测合金热疲劳寿命的热疲劳试验方法。 

本发明的技术方案是：一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法，包括以下步骤： 

第一步：制备测试试样； 

第二步：由拉伸试验测定实验材料的弹性模量E，材料热膨胀系数测试仪测得实验材料的膨胀系数α； 

第三步：将定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的试验机电源连接好，将试验机热电偶焊接到在测试试样上，将应变片粘结到测试试样上； 

第四步：将测试试样用固定支架固定在试验机加热系统的感应线圈中； 

第五步：关闭电源开关K1、K2、K3、K4，在计算机操作界面中设定最高温度和最低温度； 

第六步：打开开始按钮，在计算机程序的控制下，第一电磁继电器闭合，L3电路通电，第一交流接触器闭合，L1线路通电，高频感应加热器通电，感应线圈开始对测试试样加热，测试试样上的温度由焊接在试样上的热电偶测量，测试试样上的应变由粘接在试样上的应变片测量，当温度达到设定最高温度时，第一电磁继电器断开，线路L3断电，第一交流接触器断开，线路L1断电，高频感应加热器断电，感应线圈停止对测试试样加热，然后，第二电磁继电器闭合，L4线路通电，第二交流接触器闭合，L2线路通电，电磁阀通电接通，冷却水由水箱通过水管喷向测试试样，对其进行冷却，当温度达到设定最低温度时，第二电磁继电器断开，线路L4断电，第二交流接触器断开，线路L2断电，电磁阀断电闭合，停止向测试 试样喷冷却水，这时，热疲劳实验完成一个循环； 

第七步：重复第6步，并由计算机自动记录循环次数； 

第八步：公式σ=EαΔT，其中σ为温度变化引起的热应力、E为实验材料的弹性模量，有实验材料的拉伸试验测得获得、α为实验材料的膨胀系数，可由材料热膨胀系数测试仪测得、ΔT为温度变化，根据上述公式计算合金在冷热循环过程中应力变化，结合合金在热疲劳过程中应变变化绘制合金稳定应力应变滞后回线； 

Manson-Coffin方程：Δε_P N_f ^0.5=C，式中Δε_P为塑性应变范围，有实验材料应力应变滞后回线获得、Nf为热疲劳寿命、C为与实验材料延性有关的常数，等于真实断裂应变，由实验材料的拉伸试验测得，根据上述方程计算出合金热疲劳寿命。 

本发明的有益效果是：本发明方法完全自动化、运行灵活，可以定量测量合金在热疲劳循环过程中应力应变变化，绘制合金在热疲劳循环过程中稳定的应力应变滞后回线，并根据公式计算热疲劳寿命，测试方法简便，几乎可以完全避免因人为因素影响而导致的误差，准确度高。 

附图说明

图1为本发明方法使用的试验机的结构示意图。 

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下： 

实施例： 

一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

第一步：制备测试试样7； 

第二步：由拉伸试验测定实验材料的弹性模量E，材料热膨胀系数测试仪测得实验材料的膨胀系数α； 

第三步：定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的试验机，包括加热系统1、测量系统2、控制系统3、计算机4和冷却系统5，所述加热系统1包括可以调节功率的高频感应加热器11和感应线圈12，通过调节高频感应加热器11的功率改变加热速率。所述测量系统包括固定在感应线圈12中的用于固定测试试样7的试样固定支架8、热电偶21和应变片22，所述冷却系统5包括水箱51、电磁阀52和水管53，水管53的出水口正对测试试样7，所述控制系统3包括控制芯片31、温度变送器32、应变变送器33、第一交流接触器341、第二交 流接触器342、第一电磁继电器351以及第二电磁继电器352，所述高频感应加热器11与第一交流接触器341以及第一电磁继电器351依次连接，所述电磁阀52与第二交流接触器342以及第二电磁继电器352依次连接，所述应变片22与应变变送器33连接，所述热电偶21与温度变送器32连接，所述控制芯片31与计算机4通过485转232接口6相连接，温度变送器32、应变变送器33、第一电磁继电器351以及第二电磁继电器352分别与控制芯片31相连接。所述第一交流接触器341、第二交流接触器342、第一电磁继电器351以及第二电磁继电器352分别与电源线路L1、L2、L3、L4相连接，所述电源线路L1、L2、L3、L4中分别设有电源开关K1、K2、K3、K4和熔断器F1、F2、F3、F4。 

所述计算机4通过控制芯片31控制第一电磁继电器351以及第二电磁继电器352的运行状态，所述温度变送器32以及应变变送器33将采集到的数据通过控制芯片31传输到计算机4中。 

将上述试验机的电源连接好，把试验机的热电偶焊21接到在测试试样7上，将应变片粘结到测试试样7上； 

第四步：将测试试样7用固定支架8固定在试验机加热系统1的感应线圈12中； 

第五步：关闭电源开关K1、K2、K3、K4，在计算机操作界面中设定最高温度和最低温度； 

第六步：打开开始按钮，在计算机程序的控制下，第一电磁继电器351闭合，L3电路通电，第一交流接触器341闭合，L1线路通电，高频感应加热器11通电，感应线圈12开始对测试试样7加热，测试试样7上的温度由焊接在试样5上的热电偶21测量，测试试样7上的应变由粘接在试样5上的应变片22测量，当温度达到设定最高温度时，第一电磁继电器351断开，线路L3断电，第一交流接触器341断开，线路L1断电，高频感应加热器11断电，感应线圈12停止对测试试样7加热，然后，第二电磁继电器352闭合，L4线路通电，第二交流接触器342闭合，L2线路通电，电磁阀42通电接通，冷却水由水箱41通过水管43喷向测试试样7，对其进行冷却，当温度达到设定最低温度时，第二电磁继电器352断开，线路L4断电，第二交流接触器342断开，线路L2断电，电磁阀42断电闭合，停止向测试试样7喷冷却水，这时，热疲劳实验完成一个循环； 

第七步：重复第6步，并由计算机自动记录循环次数； 

第八步：公式σ=EαΔT，其中σ为温度变化引起的热应力、E为实验材料的弹性模量，有实验材料的拉伸试验测得获得、α为实验材料的膨胀系数，可由材料热膨胀系数测试仪测得、ΔT为温度变化，根据上述公式计算合金在冷热循环过程中应力变化，结合合金在热疲劳过程中应变变化绘制合金稳定应力应变滞后回线； 

Manson-Coffin方程：Δε_PN_f ^0.5=C，式中Δε_P为塑性应变范围，有实验材料应力应变滞后回线获得、N_f为热疲劳寿命、C为与实验材料延性有关的常数，等于真实断裂应变，由实验材料的拉伸试验测得，根据上述方程计算出合金热疲劳寿命。 

Claims (1)

1.一种定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制备测试试样（7）；

第二步：由拉伸试验测定实验材料的弹性模量E，材料热膨胀系数测试仪测得实验材料的膨胀系数a；

第三步：将定量测量合金热疲劳性能及预测合金寿命的试验机电源连接好，将试验机热电偶焊接到在测试试样（7）上，将应变片粘结到测试试样（7）上；

第四步：将测试试样（7）用固定支架（8）固定在试验机加热系统（1）的感应线圈（12）中；

第五步：关闭电源开关K1、K2、K3、K4，在计算机操作界面中设定最高温度和最低温度；

第六步：打开开始按钮，在计算机程序的控制下，第一电磁继电器（351）闭合，L3电路通电，第一交流接触器（341）闭合，L1线路通电，高频感应加热器（11）通电，感应线圈（12）开始对测试试样（7）加热，测试试样（7）上的温度由焊接在试样（5）上的热电偶（21）测量，测试试样（7）上的应变由粘接在试样（5）上的应变片（22）测量，当温度达到设定最高温度时，第一电磁继电器（351）断开，线路L3断电，第一交流接触器（341）断开，线路L1断电，高频感应加热器（11）断电，感应线圈（12）停止对测试试样（7）加热，然后，第二电磁继电器（352）闭合，L4线路通电，第二交流接触器（342）闭合，L2线路通电，电磁阀（42）通电接通，冷却水由水箱（41）通过水管（43）喷向测试试样（7），对其进行冷却，当温度达到设定最低温度时，第二电磁继电器（352）断开，线路L4断电，第二交流接触器（342）断开，线路L2断电，电磁阀（42）断电闭合，停止向测试试样（7）喷冷却水，这时，热疲劳实验完成一个循环；

第七步：重复第6步，并由计算机自动记录循环次数；

第八步：公式s=EaDT，其中s为温度变化引起的热应力、E为实验材料的弹性模量，有实验材料的拉伸试验测得获得、a为实验材料的膨胀系数，可由材料热膨胀系数测试仪测得、DT为温度变化，根据上述公式计算合金在冷热循环过程中应力变化，结合合金在热疲劳过程中应变变化绘制合金稳定应力应变滞后回线；

Manson-Coffin方程：De_P N_f ^0.5 =C，式中De_P为塑性应变范围，有实验材料应力应变滞后回线获得、N_f为热疲劳寿命、C为与实验材料延性有关的常数，等于真实断裂应变，由实验材料的拉伸试验测得，根据上述方程计算出合金热疲劳寿命。