CN105043914A - 一种评定高温合金热疲劳性的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种评定高温合金热疲劳性的试验方法及装置，尤其涉及到使用温度在300～800℃耐热金属材料的热疲劳性测试方法及检测装置，例如耐热不锈钢、热作模具钢、镍基高温合金等。同时提出一种自行设计、装置简便、省时省力的试验装置及操作步骤。这种试验方法的原理是：在所设定的多次热循环(温度、时间)条件下，使用简便易操作的试验装置和方法，可测定出多组试样的相对热疲劳裂纹倾向和热变形率，定性或定量评价高温合金试样的热疲劳性能。

Description

一种评定高温合金热疲劳性的试验方法及装置

技术领域

本发明属于高温合金的应用检测技术领域，涉及一种评定高温合金热疲劳性的试验方法及装置。

背景技术

高温合金以其优异的高温强度、抗氧化性、耐蚀性和抗热疲劳性能等，应用于航空航天、石油化工、能源动力等领域，尤其在发动机领域得到了重要应用。高温合金工作环境的特殊性以及对材质要求的严苛性，使得热疲劳性能成为评定其优劣性的一个重要指标。

金属热疲劳性试验可作为一种定性或定量的方法来评定金属的相关性能，目前关于热疲劳性能的试验方法，还没有一个公认的简洁方便的试验方法。一般多是在实际环境中挂片试验；或是将试样在冷、热介质中交替循环，然后观察一定时间后的试样疲劳情况。这两种情况下都需要很长的时间。不同试验者的差别主要集中在以下几个方面：一是冷热介质的选择；二是试样的尺寸和形状；三是热疲劳性评定指标的选择。其中试验方法可大致归纳为四种：(1)实物模拟热疲劳试验；(2)自约束型热疲劳试验；(3)外约束性热疲劳试验；(4)具有机械应变叠加的外约束热疲劳试验。

因为热疲劳问题中包含循环变温的特殊性，高温合金的热疲劳性试验有很大的不确定性和复杂性，因此热疲劳性试验方法的本身也成为热疲劳性研究的一个重要方面。特别是其中一些试验方法需要成套的设备和对试样加工高精度的要求，投资高，试验成本高，试验周期长。

如果能在现有的试验条件下，实现准确地评定高温合金的热疲劳性能，且设计出简便实用的试验装置、具有良好可比性的试样以及便于检测评定的性能指标，对于降低热疲劳性试验的成本、提高测量结果的可靠性和可比性、指导生产实践过程具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有试验方法的不足，本发明提出一种评定高温合金热疲劳性的试验方法，尤其涉及到使用温度在300～800℃耐热金属材料的热疲劳性测试，例如耐热不锈钢、热作模具钢、耐热铸铁、含镍高温合金等，同时提出一种自行设计、省时省力改装的试验装置及操作步骤。这种试验方法的原理是：在所设定的多次热循环(温度、时间)条件下，使用简便易操作的试验装置，测定出试样的表面裂纹倾向和热变形率，定性或定量评价高温合金试样的热疲劳性能。

为解决上述问题，本发明采用如下方案：

一种评定高温合金热疲劳性的试验方法，在设定的冷热循环条件下，对金属板材进行热疲劳性试验，同时测定试样的微裂纹倾向和热变形率。

上述的一种评定高温合金热疲劳性的试验方法，包括如下步骤：

(1)制备热裂纹测量试样和热变形测量试样；

(2)将试样安装于热疲劳试验机上进行冷热循环处理，加热时间为60s～120s，冷却时间为5s～30s；

(3)试验达到预定的冷热循环次数后，取出热疲劳试样，测量表面裂纹长度并求取平均值，也可在缺口处切取截面断口，观察断口及组织状态；取出相应的热变形试样，测量试样热变形的程度。

优选的是，步骤1)中，所述热裂纹测量试样为60mm×60mm×3mm的板材，并在试样上加工出规定尺寸的缺口。在试样水冷界面的附近，沿试样长度方向上温度梯度最大，宏观应力很大，容易造成试样的翘曲变形，在此处开一个缺口可以减轻和消除这种作用，

优选的是，步骤1)中，所述热变形测量试样无需切取缺口，尺寸同裂纹测量试样相同。

优选的是，步骤1)中，试验用测量热变形试样及裂纹试样取自相同板材。

优选的是，步骤2)中，所述冷热循环处理过程中，水冷温度为20±5℃。

优选的是，步骤2)中，所述冷热循环处理过程中，热裂纹试样缺口采用循环冷却水槽同时冷却。

优选的是，步骤2)中，所述冷热循环处理过程中，用动态直接测温方法对炉温进行调节和标定。

本发明还提供了一种评定高温合金热疲劳性的装置，包括底座、滑轨、试验夹具、加热炉、水槽，其特征在于，滑轨安装在底座上，可沿水平方向滑入加热炉炉腔，滑轨上设置有加热炉炉门和试样夹具，试样夹具位于加热炉口和加热炉炉门之间，试样与试样夹具连接，水槽位于加热炉炉口外侧。

进一步地，所述水槽为可升降循环冷却水槽。

本发明所述高温合金热疲劳性能的试验方法由下述步骤组成：

(1)试样加工：热裂纹测量试样为60mm×60mm×3mm的板材，并在试样上加工出四个规定尺寸的缺口，试样形状及尺寸如图2所示。热变形测量试样无需切取缺口，尺寸同裂纹测量试样相同。

(2)试验用测量热变形试样及裂纹试样须取自相同板材，试样的整个制作过程中，不应产生金属冷作硬化或过热的情况。

(3)试验用加热炉可用箱式或管式电炉，试验前用动态直接测温方法对炉温进行调节和标定。在炉内放入校温试样，一般从第五个温度循环后开始测温，且至少测量10次以上，直到校温试样在时间t₁内达到试验上限温度并稳定，同时测出相应的炉温，试验时以此炉温值为参考控制试验温度。

(4)将所需试验试样安装在自行设计的热疲劳试验机上(如图1所示)，设定好加热温度等试验参数(上限温度、下限温度、时间)，将试样装入炉膛内，待其稳定后开始进行热疲劳性试验。

(5)试样冷却过程采用循环水冷装置：水槽内采用流动自来水进行冷却，水温保持在20±5℃。热裂纹试样缺口端浸水保证同时等效性。

(6)热疲劳试样加热时间为60s～120s，冷却时间为5s～30s。试验过程如图2所示。

(7)试验达到预定的冷热循环次数后，取出热疲劳试样，测量表面裂纹倾向，并在缺口处切取截面断口，在显微镜下观察断口及组织状态。取出相应的热变形试样，测量试样热变形的程度。热疲劳试验的冷热循环次数可自行设定，也可参照相关技术规程中的参数设定。

上述评定方法步骤(1)中，试验试样采用板材机械加工时，应保留原试样表面。采用其他制品加工时，应采用表面磨削的方法。

测量热疲劳裂纹试样的缺口应机械加工，不得有毛刺等缺陷。

试样缺口及底部应采用不低于50倍的投影仪检查；缺口端20mm内，不允许有明显的缺陷、划伤或加工痕迹。

对于易氧化腐蚀的材料，加工后应涂抹防锈油，以防表面氧化腐蚀。

上述评定方法步骤(4)中，试样安装过程中须保持对称，避免试验状况不均衡的影响。试样加热过程中须保证试样升降位置不变，且不摇摆和振动。

上述评定方法步骤(7)中，热疲劳裂纹的测量可采用放大倍数5～10倍的放大镜、大于30倍的工具显微镜或50～100倍金相显微镜。测量裂纹时，可采用测量表面裂纹的方法并求取平均值。热变形的测量也可使用专业的测量工具或显微镜，分辨率≤0.01mm。

采用本发明提出的评定方法对耐热合金板材的热疲劳性进行试验测试，能够快速、方便、准确得到测定结果。试验中采用热裂纹和热变形评定，能全面的评定试验板材的热疲劳性能。采用表面裂纹测量并求取平均值的方法，既保证了试验的准确性，又降低了试验工作量。由于所取试样为正方形板材，测量热变形时可同时获得两组数据，提高试验准确性。试验中可以测量在规定热循环次数下，热疲劳试样的裂纹长度以及热变形率的大小，实现两组数据测量的同步性。试验装置中将加热炉膛与水冷装置分离开来，避免了加热与水冷系统的相互影响。

由于试验夹具的对称性，使得测量结果准确且具有可比性。在一次试验过程中可测量多组试样的不同参考数据，降低了试验成本。试验装置中的滑轨装置，在加装电动电机、摆动倒杆及可编程控制器后，可将电机的旋转运动转化为滑轨的往复运动并实现试验过程的自动化。试验装置手动或自动模式的切换，保证了试验的效率和自由度。因此本发明提出的耐热合金热疲劳性能的评定方法及装置具有操作简便、适用性强的特点，便于在生产实践中的检测应用和推广。

附图说明

图1热疲劳性试验装置及装配示意，(a)试验用底座及滑轨(b)试验用夹具结构及试样夹装情况(c)加热所用试验炉及冷却装置

图2热疲劳性试验流程示意图(c→a→c重复循环，反复多次)其中，(a)试样安装完毕后，送入加热炉加热(b)加热过程进行中(c)对试样进行水冷处理

图3热疲劳性测试的试样及尺寸，(a)裂纹测试试样(b)热变形测试试样

具体实施方式

实施例1：

试验评定高镍蠕墨铸铁的热疲劳性能。试样的材质为高镍蠕墨铸铁(Ni质量百分含量为14.5％)，将高镍蠕墨铸铁加工成尺寸如图3所示的热裂纹试样和热变形试样，每组试样3片，按照规定的工艺流程进行加工。测量热裂纹试样的缺口在磨床上磨制，不得有毛刺；缺口端20mm内不允许有明显的缺陷、划伤或加工痕迹；试样缺口中心线与试样中心线重合，试样厚度3mm。

(1)试验用加热炉为上海产SK2-2-12型管式电阻炉，额定功率2kW。设定上限加热温度为500℃。

(2)将热疲劳试样安装在试验夹具上，调节可升降循环冷却水槽，使试样缺口端可同时等效的受到冷却，将试样送入加热炉内，开始加热循环试验，同时开启水冷系统。

(3)热疲劳试验参数：试验上限温度500℃，试验下限温度20℃，加热时间55s，冷却时间15s，冷热循环次数800次。

(4)完成规定次数的循环试验后，测量热疲劳试样裂纹的长度和热变形率的大小。

(5)将热疲劳裂纹测量试样的缺口端切下4mm，将带有断口的被测试样夹在测量夹具上，借助50～100倍低倍金相显微镜分别测量试样四个缺口端的表面裂纹长度，并求取平均值。也可测量试样的断口裂纹长度和观察微观组织作为评定参考。

(6)对热变形试样，测量其增宽值的大小，从而计算出其热变形率来评定耐热合金的热疲劳性能。增宽值的测量也须借助金相显微镜，分辨率≤0.01mm。试验前先测出热疲劳试样的原始宽度W₀，然后在试验规定的热循环次数后，测量试样变形后的宽度W_n，热变形率δ＝(W_n－W₀)/W₀。得出评定金属热疲劳性的试验数据。

试验过程中可测量多组试样的不同数据，可相对比较不同试样的热疲劳性能。这样的多组分试验测定也降低了试验成本。

实施例2：

试验评定高镍合金的相对热疲劳性能。

将高镍合金(Ni质量百分含量为34％)制备成热疲劳性试样，试样形状和尺寸如图2所示。每组3个试样，试样厚度3mm。对热裂纹试样(共9个试样)的缺口通过铣床同时一次性加工，缺口端20mm内不允许有明显的缺陷、划伤或加工痕迹；试样缺口中心线与试样中心线重合。

(1)试验用加热炉为上海产SK2-2-12型管式电阻炉，额定功率2kW。设定上限加热温度为540℃。

(2)将3组热疲劳试样全部安装在试验夹具上，将试样送入540℃加热炉内，开始加热循环试验，同时开启水冷系统。

(3)热疲劳试验参数：试验上限温度540℃，试验下限温度25℃，加热时间60s，冷却时间20s，冷热循环次数1200次。

(4)完成规定次数的热循环试验后，分别测量3组热疲劳试样裂纹的长度，进行统计分析。

(5)将热疲劳裂纹测量试样的缺口端切下4mm，将带有断口的被测试样夹持在测量夹具上，借助50～100倍金相显微镜分别测量试样四个缺口端的表面裂纹长度，并求取平均值。并测量试样的断口裂纹长度和观察微观组织作出评定。

上述虽然结合对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。在本发明的技术方案基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种评定高温合金热疲劳性的试验方法，其特征在于，在设定的冷热循环条件下，对金属板材进行热疲劳性试验，同时测定试样的热疲劳裂纹倾向和热变形率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备热疲劳裂纹测量试样和热变形测量试样；

（2）将试样安装于热疲劳试验机上进行冷热循环处理，加热时间为60s～120s，冷却时间为5s～30s；

（3）试验达到预定的冷热循环次数后，取出热疲劳试样，测量表面裂纹倾向，并在缺口处切取截面断口，观察断口及组织状态；取出相应的热变形试样，测量试样热变形的程度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述热疲劳裂纹测量试样为60mm×60mm×3mm的板材，并在试样上加工出四个规定尺寸的缺口。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述热变形测量试样无需切取缺口，尺寸同裂纹测量试样相同。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1）中，试验用测量热变形试样及热疲劳裂纹试样取自相同板材。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述冷热循环处理过程中，水冷温度为20±5℃。

7.权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述冷热循环处理过程中，热疲劳裂纹试样缺口端浸水深度应保持同时等效性。

8.权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述冷热循环处理过程中，用动态直接测温方法对炉温进行调节和标定。

9.一种评定高温合金热疲劳性的装置，包括底座、滑轨、试验夹具、加热炉、水槽，其特征在于，滑轨安装在底座上，可沿水平方向滑入加热炉炉腔，滑轨上设置有加热炉炉门和试样夹具，试样夹具位于加热炉口和加热炉炉门之间，试样与试样夹具连接，水槽位于加热炉炉口外侧。

10.权利要求9所述的装置，其特征在于，所述水槽为可升降循环冷却水槽。