CN108811204B - 一种平面双轴疲劳试验件加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面双轴疲劳试验件加热方法，实现步骤如下：(1)制作两个独立的电阻加热丝，加热丝形状为U形，U形电阻加热丝两侧之间的距离大于平面双轴疲劳试验件的厚度，U形电阻加热丝两侧之间的距离为5～10mm；(2)U形电阻加热丝两侧为并列U型结构，按照加热温度和温度场均匀性的要求调整数量。两个电阻加热丝安装方向与试验件的双轴呈45°，安装时保证加热丝的投影面积包括了试验件中心区域和部分夹持段。所述方法能够实现对平面双轴疲劳试验件上下表面温度的均匀加热，整个考核段内最大温差在±5℃以内，可以保证高温力学试验对考核段温度均匀性的试验要求，并消除了中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。

Description

一种平面双轴疲劳试验件加热方法
技术领域
本发明涉及一种平面双轴疲劳试验件加热方法，属于材料高温力学性能测试等技术领域。
背景技术
在材料高温力学性能试验中试验件考核部分的温度场会对实验结果的准确性产生很大的影响，为此美国机械工程师学会(ASME)、国际标准化组织(ISO)、中国国家标准化管理委员会等国内外研究机构制订了严格地标准，如ASME E606、IS0 1211UGB/T26077-2010等。金属、合金和复合材料的零部件在工作时通常会承受复杂的多轴应力。平面双轴测试能够更准确地模拟实际应力状态。对于平面双轴疲劳试验件，由于试验件尺寸相对较小，常规的加热方式无法满足需求，因此有必要研究有效的平面双轴疲劳试验件加热方法，支撑材料疲劳性能研究。
采用电加热台的方式虽然可以达到较高的加热温度，但是由于只能放置在平面双轴试验件下方，无法保证试验件上下表面温度一致，并且通常情况下为了避免对夹具造成影响，电加热台通常仅对平面双轴试验件的中心部位进行加热，由此带来的温度梯度会对试验结果造成较大影响。采用线圈加热的方式同样不可行，由于平面双轴疲劳试验件尺寸较小且一般为十字形，因此线圈环绕困难，并且感应炉等设备无法同时安放到位。
实用新型CN201320325666.5设计了一种力热耦合加载的双轴双向拉伸/压缩原位测试系统，采用电阻丝加热，但是加热丝位于试验件下方，无法保证试验件上下表面温度的均匀一致。
实用新型CN201720758664.3设计了一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，采用高温炉加热平面双轴疲劳试验件，但是由于所需安装空间较大，无法适用于原位试验所用的平面双轴疲劳试验件。
实用新型CN201621442812.2设计了一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，采用高温炉加热平面双轴疲劳试验件，但是由于高温炉密封和冷却的需求，只能适用于固定尺寸的平面双轴疲劳试验件，无法进行调整。
综上，需要一种平面双轴疲劳试验件加热方法，实现试验件上下表面温度的均匀一致，并消除中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响，同时可以适用于不同尺寸的平面双轴疲劳试验件。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种平面双轴疲劳试验件加热方法，满足平面双轴疲劳试验件在高温条件下的疲劳试验需求，保证试验件上下表面温度的均匀一致，并消除中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。
本发明的技术解决方案是：一种平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)制作两个独立的电阻加热丝，加热丝形状为U形，U形电阻加热丝两侧之间的距离大于平面双轴疲劳试验件的厚度；
(2)U形电阻加热丝两侧为并列U型结构，按照加热温度和温度场均匀性的要求调整数量。
两个电阻加热丝安装方向与试验件的双轴呈45°，安装时保证平面双轴疲劳试验件上下表面到加热丝的距离接近，并且加热丝的投影面积包括了试验件中心区域和部分夹持段。
所述两个U形电阻加热丝两侧之间的距离为5～10mm；
所述两个U形电阻加热丝两侧到试验件表面的距离可调节，可以通过改变加热丝到试验件表面的距离实现平面双轴疲劳试验件两个轴上局部温度场的单独调整，以符合试验需求。
利用所述方法能够实现对平面双轴疲劳试验件的均匀加热，试验件中心区域和附近的夹持段最大温差在5℃以内，满足高温力学试验(试验温度300～700℃)对平面双轴疲劳试验件温度均匀性的需求。传统的试验件下方安装电加热台的方式无法满足温度场均匀性的要求，试验件上表面和下表面的温差可以达到50℃，因此仅能满足精度不高的情况下的平面双轴高温疲劳试验需求。
本发明中两个电阻加热丝相互独立，互相之间互不干涉，通过U形环绕的方式解决了平面双轴疲劳试验件的复杂形状导致的安装困难，同时U形环绕的方式可以方便调整电阻加热丝与试验件表面之间的距离以获取合适的温度场，适用于多种考核段厚度和宽度的平面双轴疲劳试验件。
本发明与现有技术相比最大的优点在于：传统的加热台仅能布置在试验件下方，虽然可以加热到较高温度，但是试验件上表面和下表面存在较大温差，同时受限于试验件夹持段长度和行程限制，加热台尺寸受到限制，导致与试验件中心考核区域相连的夹持段不能得到充分加热，形成较大的温度梯度，对疲劳试验结果有很大的影响。
为解决这一难题，通过采用U形环绕的电阻加热丝，同时加热试验件上下表面，从而能保证试验件整体温度的均匀性。并且，U形电阻加热丝两侧的并列U形电阻加热丝可以按照试验件形状、厚度、材料等进行调整，例如增加或减少单侧的环绕数量，调整两个独立的电阻加热丝之间的距离，从而获得更加均匀的温度场。试验证明本发明设计的平面双轴疲劳试验件加热方法能够实现对高温力学试件均匀加热，整个考核段内最大温差始终在±5℃以内，可以保证高温力学试件温度均匀的试验条件，同时由于本发明采用U形环绕的形式，因此可以方便调节电阻加热丝与试验件表面之间的距离，而且不需要拆装试件，便可完成电阻加热丝的拆装，十分方便实用，具有一定的工程意义和实用价值。
附图说明
图1为平面双轴疲劳试验件示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图2为两个U形电阻加热丝示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图3为U形电阻加热丝加热平面双轴疲劳试验件的示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图4为平面双轴疲劳试验件加热方式示意图。
具体实施方式
本发明主要针对适用于平面双轴疲劳试验件加热方法进行了设计，某平面双轴疲劳试验件1如图1所示，试验时需要保证试验件上下表面温度的均匀一致，并消除中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。
为获取均匀温度场，本发明采用如下方法：(1)制作两个独立的电阻加热丝2，加热丝形状为U形，U形电阻加热丝两侧之间的距离大于平面双轴疲劳试验件1的厚度，U形电阻加热丝两侧之间的距离为5～10mm；(2)U形电阻加热丝两侧为并列U型结构4，按照加热温度和温度场均匀性的要求调整数量。如图2所示。
两个电阻加热丝2安装方向与平面双轴疲劳试验件1的双轴3呈45°，即7，安装时保证平面双轴疲劳试验件1上表面5和下表面6到加热丝的距离接近，并且电阻加热丝2的投影面积包括了平面双轴疲劳试验件1中心区域和部分夹持段。如图3所示。
装配效果如图4所示。本发明的加热方式可实现平面双轴疲劳试验件1上表面5和下表面6温度的均匀一致性，保证高温力学试验对考核段温度均匀性的试验要求，并消除了中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。两个U形电阻加热丝2相互独立，两两之间互不干涉，可以调节电阻加热丝2与平面双轴疲劳试验件1表面之间的距离，而且不需要拆装试件，便可完成电阻加热丝2的拆装，还可以按照试验件形状、厚度、材料等进行调整，例如增加或减少单侧的环绕数量4，调整两个独立的电阻加热丝2之间的距离8，从而获得更加均匀的温度场。
为了分析传统加热方式与本发明加热方式的加热效果，利用图1所示平面双轴疲劳试验件1进行了试验对比，通过多通道测温仪同时测量平面双轴疲劳试验件加热部位上表面5和下表面6不同点的温度。传统电加热台只能放置在平面双轴试验件1下方，不与试验件直接接触，通过辐射加热的方式进行加热。该种加热方式无法保证平面双轴试验件1上表面5和下表面6温度一致，当加热温度达到500℃时，试验件上表面5和下表面6的温差可以达到50℃，并且通常情况下为了避免对夹具造成影响，电加热台通常仅对平面双轴试验件1的中心部位进行加热，与平面双轴试验件1中心考核区域相连的夹持段的温度与中心区域相差超过100℃。本发明中加热线圈采用电阻加热丝2弯制而成，所绕制的两个独立电阻加热丝2两侧距离试验件的表面距离约为5mm，试验证明整个考核段内最大温差在±5℃以内，可以保证平面双轴疲劳试验件1温度均匀的试验条件。
通过对比说明，本发明的加热方式很好的实现了平面双轴疲劳试验件1上表面5和下表面6温度的均匀一致性，可以保证高温力学试验对考核段温度均匀性的试验要求，并消除了中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。而且传统电加热台同时受限于平面双轴试验件1夹持段长度和行程限制，加热台尺寸受到限制，因此只能适用于特定尺寸范围内的平面双轴疲劳试验件1。本发明中两个U形电阻加热丝2相互独立，两两之间互不干涉，因此可以方便调节电阻加热丝2与平面双轴疲劳试验件1表面之间的距离，而且不需要拆装试件，便可完成电阻加热丝2的拆装，还可以按照试验件形状、厚度、材料等进行调整，例如增加或减少单侧的环绕数量4，调整两个独立的电阻加热丝2之间的距离8，从而获得更加均匀的温度场。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于，实现步骤如下：
(1)制作两个独立的电阻加热丝，电阻加热丝形状为U形，U形电阻加热丝两侧之间的距离大于平面双轴疲劳试验件的厚度；
(2)U形电阻加热丝两侧为并列U型结构，按照加热温度和温度场均匀性的要求调整U型电阻加热丝的环绕数量；
所述两个电阻加热丝安装方向与试验件的双轴呈45°，安装时保证所述平面双轴疲劳试验件上下表面到加热丝的距离接近，并且加热丝的投影面积包括了所述平面双轴疲劳试验件中心区域和部分夹持段。
2.根据权利要求1所述的平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于：所述两个U形电阻加热丝两侧之间的距离为5～10mm。
3.根据权利要求1所述的平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于：利用所述方法能够实现对平面双轴疲劳试验件的均匀加热，试验件中心区域和附近的夹持段最大温差在5℃以内，满足高温力学试验对平面双轴疲劳试验件考核段温度均匀性的试验要求，试验要求温度300～700℃，并消除中心考核区域和夹持段之间的温度梯度对材料疲劳试验结果的影响。
4.根据权利要求1所述的平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于：所述两个U形电阻加热丝两侧到所述平面双轴疲劳试验件表面的距离能够调节，通过改变加热丝到所述平面双轴疲劳试验件表面的距离实现平面双轴疲劳试验件两个轴上局部温度场的单独调整，以符合试验需求。
5.根据权利要求1所述的平面双轴疲劳试验件加热方法，其特征在于：所述两个U形电阻加热丝相互独立，两两之间互不干涉，方便调节电阻加热丝与试验件表面之间的距离，且不需要拆装所述平面双轴疲劳试验件，便能够完成电阻加热丝的拆装，同时能够按照所述平面双轴疲劳试验件形状、厚度和材料进行调整，调整包括增加或减少单侧的环绕数量及调整两个独立的电阻加热丝之间的距离，获得更加均匀的温度场。
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