CN108931421B - 一种原位加热的热裂纹测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位加热的热裂纹测试装置。该装置包括：炉体、拉伸装置、连接杆、应力传感器、试棒、热电偶、保温层、磁场线圈、发热环、Al₂O₃坩埚、基座、连接夹头、水冷夹头；基座在炉体外底部；拉伸装置下有拉伸装置导轨支架，应力传感器通过连接杆与拉伸装置相连；水冷夹头夹持在试棒右端，试棒置于Al₂O₃坩埚内且同轴；坩埚外侧依次套有发热环、磁场线圈和保温层；热电偶预埋在坩埚外壁上；试棒加热熔化后，拉伸装置启动，调节发热环的温度，选择水冷夹头的水流量或控制磁场线圈产生磁场，得到不同冷速下，不同枝晶生长方向或等轴晶形态下试棒热裂的临界条件。该发明能定量、精确地研究金属不同晶粒形态的热裂问题。

Description

一种原位加热的热裂纹测试装置

技术领域

本发明涉及铸造和连铸等金属凝固技术领域，特别是一种原位加热的热裂纹测试装置。

背景技术

金属凝固过程中因为相变等原因会出现凝固收缩现象，随着凝固的进行，金属的体积会改变，当处于凝固过程中的糊状区时，金属收缩受限，有时会导致铸件的热裂现象，所以了解金属材料的热裂倾向，定量测量其产生热裂的临界条件(包括：临界热应力，临界温度，临界固相率，临界组织构成等)，已经成为指导实际生产的关键。

金属的热裂及其倾向性：金属在凝固过程中会经历固相和液相混合的糊状区，在铸造生产过程中，因为造型、凝固顺序不同等原因，合金收缩受限且液相补缩不足，从而导致裂纹的萌生，以致在铸件完全冷却后会留下裂纹。有些金属很容易出现热裂纹，则称其热裂倾向性严重。

目前，定量测量金属产生热裂的临界条件的方法有：

1、采用ZSR合金热裂倾向性测定仪或ZQS-2000双试棒合金热裂—线收缩仪，即采用熔融浇注的方式，将金属液浇注至设计好的砂型中，限制金属液凝固过程中的收缩产生热裂纹；装置由砂型，热电偶，传感器，数据采集系统构成。

2、采用主动施加载荷条件，从而进行铝合金热裂测试实验，即采用熔融浇注的方式，将金属液浇注至设计好的砂型中，通过主动施加载荷的方式完成热裂纹的产生。试验装置由砂型，热电偶，传感器，拉伸机，保温材料，数据采集系统构成。

3、采用Gleeble热模拟实验机，即通过电流加热夹持的试棒，利用拉力机完成拉伸或压缩试验。

但是上述三种方法均不能控制钢液凝固时的温度梯度，故研究的晶粒形态比较单一。浇注法由于降温速率不断变化，且各部位的温度差很大，应变速率难以准确计算，无法定量研究热裂临界条件等问题；浇注金属液时，过多依赖操作者的浇注技巧，试验的稳定性不佳，测量精确度较低。

发明内容

本发明的目的是提供了一种原位加热的热裂纹测试装置，采用原位加热金属的方式，并引入磁场来控制钢液凝固后的晶粒形态，从而定量研究金属不同晶粒形态的热裂问题，稳定性好，测量精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种原位加热的热裂纹测试装置，包括：

拉伸装置、连接杆、炉体、应力传感器、试棒、热电偶、保温层、磁场线圈、发热环、Al₂O₃坩埚、基座、连接夹头、水冷夹头以及拉伸装置导轨支架；

所述拉伸装置设置于所述炉体的外左侧，用于拉伸所述试棒；所述应力传感器、所述试棒、所述磁场线圈、所述发热环、所述Al₂O₃坩埚、所述连接夹头以及所述水冷夹头设置于所述炉体的炉腔内；所述基座设置于所述炉体外底部；所述拉伸装置的下端安装有拉伸装置导轨支架，所述拉伸装置能够在拉伸装置导轨支架上左右移动，在滑程任意位置锁死；所述应力传感器设置于所述炉体内的左炉门旁，通过所述连接杆与所述拉伸装置相连；所述应力传感器与所述连接夹头一端螺纹连接，所述连接夹头另一端与所述试棒螺纹连接，所述拉伸装置、所述应力传感器与所述试棒同轴度，所述应力传感器用于同步测量所述拉伸装置所施加的外力；所述水冷夹头通过夹持方式固定在所述试棒右端，用于准确控制水流量的大小，控制所述试棒在降温过程中轴向散热的快慢；

所述Al₂O₃坩埚为一中空圆柱体，所述中空圆柱体的内径等于试棒直径，所述试棒设置于所述中空圆柱体内且与所述Al₂O₃坩埚同轴；所述Al₂O₃坩埚外侧套有发热环，所述发热环用于通入电流后，采用电阻发热，使被发热环包裹部分的试棒融化；所述发热环外侧包覆有磁场线圈，所述磁场线圈，用于引入磁场扰动金属液，控制金属液凝固生成等轴晶，从而研究所述试棒相应的热裂临界条件；所述磁场线圈外层包裹有保温层，所述磁场线圈与所述发热环之间也设置有保温层；所述热电偶预埋在所述Al₂O₃坩埚外壁上，用于同步测量试棒的温度；

所述试棒加热熔化之后，所述拉伸装置启动后，拉伸试棒，通过调节所述发热环的温度，选择所述水冷夹头的水流量大小或控制所述磁场线圈产生磁场，分别得到不同冷速下，不同枝晶生长方向或等轴晶形态下的所述试棒热裂的临界条件。

可选的，所述拉伸装置通过螺杆螺帽与所述连接杆一端固定，所述连接杆另一端与所述应力传感器螺纹连接；所述拉伸装置用于主动加载外力，在所述试棒凝固过程中对凝固收缩进行限制，使所述试棒产生热裂纹。

可选的，所述水冷夹头由夹具和冷却水道组成，所述冷却水道安装在所述夹具上；所述水冷夹头与循环水冷机相连，用于控制所述试棒在降温过程中轴向散热的快慢，当无流量或流量小时，试棒径向散热大于轴向，柱状晶沿径向生长，当流量大时，试棒径向散热小于轴向，柱状晶沿轴向生长，确定不同晶粒生长方向的所述试棒热裂临界条件。

可选的，所述原位加热的热裂纹测试装置还包括刚性梁，所述刚性梁水平焊接于炉体右壁上面，且与所述水冷夹头螺纹连接，用于固定夹头，保证试棒夹持的水平。

可选的，所述原位加热的热裂纹测试装置还包括数据信号采集控制系统，用于将所述热电偶、所述应力传感器、所述拉伸装置和所述水冷夹头得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储，控制采集到的温度降至1000℃以下后可停止采集，如果采集未达到要求，即使采集到的温度降至1000℃以下后也无需停止采集；所述数据信号控制采集系统的采集频率为100Hz。

可选的，所述原位加热的热裂纹测试装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10^-3Pa。

可选的，所述拉伸装置的最大试验力为10KN；拉伸速率范围为0.001-3mm/s；有效拉伸量程为50mm。

可选的，所述应力传感器的量程为2KN，误差小于或等于0.5％。

可选的，所述水冷夹头的冷却水流量为0.5L/min—10L/min。

可选的，所述磁场线圈中通入的电流频率为2-10KHz。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种原位加热的热裂纹测试装置，通过原位辐射加热方式，避免了采用熔融浇注的方式所带来的不便，样品通过发热辐射加热，能够控制样品的冷却速率，且实验处于高真空环境，进一步提高了测量的精确度，避免了电流加热样品对金属塑性及强度带来的影响，且能够控制金属凝固的温度梯度方向，并通过磁场控制钢液凝固后的晶粒形态，从而能够定量研究不同晶粒形态的热裂问题；加入了保温层，除了在炉体内能够隔热保护其他装置外，也能够有效的减少发热环轴向的热量传递，从而限制试棒熔融部分的长度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明原位加热的热裂纹测试装置的结构示意图。

其中，图中标号为：拉伸装置1、连接杆2、炉体3、应力传感器4、试棒5、热电偶6、保温层7、磁场线圈8、发热环9、Al2O3坩埚10、刚性梁11、水冷夹头12、基座13、连接夹头14、左炉门15以及拉伸装置导轨支架16。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供了一种原位加热的热裂纹测试装置，采用原位加热金属的方式，并引入磁场来控制钢液凝固后的晶粒形态，从而定量研究金属不同晶粒形态的热裂问题，稳定性好，测量精度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明原位加热的热裂纹测试装置的结构示意图。

如图1所示，一种原位加热的热裂纹测试装置，包括：

拉伸装置1、连接杆2、炉体3、应力传感器4、试棒5、热电偶6、保温层7、磁场线圈8、发热环9、Al₂O₃坩埚10、基座13、连接夹头14、水冷夹头12、左炉门15以及拉伸装置导轨支架16；

所述拉伸装置1设置于所述炉体3的外左侧，用于拉伸所述试棒5；所述应力传感器4、所述试棒5、所述保温层7、所述磁场线圈8、所述发热环9、所述Al₂O₃坩埚10、所述连接夹头14以及所述水冷夹头12设置于所述炉体3的炉腔内；所述基座13设置于所述炉体3外底部；所述拉伸装置1的下端安装有拉伸装置导轨支架16，所述拉伸装置1能够在拉伸装置导轨支架16上左右移动，可在滑程任意位置锁死；所述应力传感器4设置于所述炉体3内的左炉门15旁，通过所述连接杆2与所述拉伸装置1相连；所述应力传感器4与所述连接夹头14一端螺纹连接，所述连接夹头14另一端与所述试棒5螺纹连接，所述拉伸装置1、所述应力传感器4与所述试棒5同轴度，所述应力传感器4用于同步测量所述拉伸装置1所施加的外力；所述水冷夹头12通过夹持方式固定在所述试棒5右端，用于准确控制水流量的大小，控制所述试棒5在降温过程中轴向散热的快慢；

所述Al₂O₃坩埚10为一中空圆柱体，所述中空圆柱体的内径等于试棒直径，所述试棒5设置于所述中空圆柱体内且与所述Al₂O₃坩埚10同轴；所述Al₂O₃坩埚10外侧套有发热环9，所述发热环9用于通入电流后，采用电阻发热，使被发热环9包裹部分的试棒5融化；所述发热环9外侧包覆有磁场线圈8，所述磁场线圈8，用于引入磁场扰动金属液，能够控制金属液凝固生成等轴晶，从而研究所述试棒相应的热裂临界条件；所述磁场线圈8外层包裹有保温层7，所述磁场线圈8与所述发热环9之间也设置有保温层8；所述热电偶6预埋在所述Al₂O₃坩埚10外壁上，用于同步测量试棒5的温度；

所述试棒加热熔化后，所述拉伸装置1启动后，拉伸试棒5，通过调节电流大小调节所述发热环9的温度、所述水冷夹头12的水流量大小，控制所述磁场线圈8产生磁场，得到不同冷速下，不同枝晶生长方向或等轴晶形态下的所述试棒热裂的临界条件。

所述拉伸装置1通过螺杆螺帽与所述连接杆2一端固定，所述连接杆2另一端与所述应力传感器4螺纹连接；所述拉伸装置1用于主动加载外力，在所述试棒5凝固过程中对凝固收缩进行限制，使所述试棒5产生热裂纹。

所述水冷夹头12由夹具和冷却水道组成，所述冷却水道安装在所述夹具上；所述水冷夹头12与循环水冷机相连，用于控制所述试棒5在降温过程中轴向散热的快慢，当无流量或流量小时，试棒5径向散热大于轴向，柱状晶沿径向生长，当流量大时，试棒5径向散热小于轴向，柱状晶沿轴向生长，确定不同生长方向的所述试棒热裂临界条件。

所述原位加热的热裂纹测试装置还包括刚性梁11，所述刚性梁11水平焊接于炉体右壁上面，且与所述水冷夹头螺纹连接，用于固定夹头，保证试棒夹持的水平。

所述原位加热的热裂纹测试装置还包括数据信号采集控制系统，用于将所述热电偶6、所述应力传感器4、所述拉伸装置1和所述水冷夹头12得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储，控制采集到的温度降至1000℃以下后可停止采集，如果采集未达到要求，即使采集到的温度降至1000℃以下后也无需停止采集；所述数据信号控制采集系统的采集频率为100Hz。

所述原位加热的热裂纹测试装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10^-3Pa。

所述拉伸装置1的最大试验力为10KN；拉伸速率范围为0.001-3mm/s；有效拉伸量程为50mm。

所述应力传感器4的量程为2KN，误差小于或等于0.5％。

所述水冷夹头12的冷却水流量为0.5L/min—10L/min。

所述磁场线圈中通入的电流频率为2-10KHz。

本发明通过原位熔钢的方法，试棒在熔化后凝固过程中，启动拉力装置，以合适的速率拉伸试棒，并可以采取以下三种方式，全面的测试不同条件下金属的热裂：

调节发热环的温度，控制试棒的降温速率，从而得到不同冷速下的金属热裂临界条件；

控制水冷夹头的水流量大小，控制试棒在降温过程中轴向散热的快慢，当无流量或流量小时，试棒径向散热大于轴向，柱状晶沿径向生长，当流量大时，试棒径向散热小于轴向，柱状晶沿轴向生长，而从研究不同枝晶生长方向的金属热裂临界条件；

试棒凝固过程中，加入磁场，能够得到等轴晶，从而研究等轴晶形态下的金属热裂临界条件；装置通过应力传感器和热电偶同时测量加载的应力大小和降温曲线，通过拉力装置测量拉伸速率，与实际的凝固过程对应。

本发明的原位加热的热裂纹测试装置的工作过程为：(分别以测量铁素体马氏体型耐热钢沿径向生长柱状晶晶粒形态的热裂临界条件、双向不锈钢沿轴向生长柱状晶晶粒形态的热裂临界条件、GCr15轴承钢等轴晶晶粒形态的热裂临界条件为例)

1、测量铁素体马氏体型耐热钢沿径向生长柱状晶晶粒形态的热裂临界条件：

将钢料加工成长度为200mm，直径10mm的试棒，置于炉体内，试棒右侧水冷夹头夹紧，试棒左侧与连接夹头夹紧，左侧炉门关合；

打开电源，发热环加热熔化试棒；

当热电偶达到钢样熔点后，保温2分钟；

试棒有发热环加热的部分充分熔化之后，减小电源加热功率或停止加热，试棒冷却；

启动拉伸装置，以一定速率拉伸试棒，数据采集系统全程记录数据，拉伸试棒直至温度降至1000℃以下后停止实验。

2、测量双向不锈钢沿轴向生长柱状晶晶粒形态的热裂临界条件：

将钢料加工成长度为200mm，直径10mm的试棒，置于炉体内，试棒右侧水冷夹头夹紧，试棒左侧与连接夹头夹紧，左侧炉门关合；

打开电源，发热环加热熔化试棒；

当热电偶达到钢样熔点后，保温2分钟；

试棒有发热环加热的部分充分熔化之后，减小电源加热功率或停止加热，试棒冷却；

开启循环水冷机，冷却水通过水冷夹头加强试棒轴向的冷却能力；

启动拉伸装置，以一定速率拉伸试棒，数据采集系统全程记录数据，拉伸试棒直至温度降至1000℃以下后停止实验。

3、测量GCr15轴承钢等轴晶晶粒形态的热裂临界条件：

将钢料加工成长度为200mm，直径10mm的试棒，置于炉体内，试棒右侧水冷夹头夹紧，试棒左侧与连接夹头夹紧，左侧炉门关合；

打开电源，发热环加热熔化试棒；

当热电偶达到钢样熔点后，保温2分钟；

试棒有发热环加热的部分充分熔化之后，减小电源加热功率或停止加热，试棒冷却；

开启中高频电源，磁场线圈产生磁场，促进试棒凝固过程中等轴晶的生成；

启动拉伸装置，以一定速率拉伸试棒，数据采集系统全程记录数据，拉伸试棒直至温度降至1000℃以下后停止实验。

本发明通过原位加热系统，避免了采用熔融浇注的方式所带来的不便，样品通过发热辐射加热，能够控制样品的冷却速率，且实验处于高真空环境，进一步提高了测量的精确度；避免了电流加热样品对金属塑性及强度带来的影响，且能够控制金属凝固的温度梯度方向，并通过磁场控制钢液凝固后的晶粒形态，从而能够研究不同晶粒形态的热裂问题；搭载了主动拉伸装置，摆脱了砂型的限制，能够产生不同的应力条件，从而满足不同金属产生热裂的应力条件；拉伸装置能够精确记录拉伸速率，通过数据采集系统能够定量研究热裂临界条件。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，包括：

拉伸装置、连接杆、炉体、应力传感器、试棒、热电偶、保温层、磁场线圈、发热环、Al₂O₃坩埚、基座、连接夹头、水冷夹头以及拉伸装置导轨支架；

所述拉伸装置设置于所述炉体的外左侧，用于拉伸所述试棒；所述应力传感器、所述试棒、所述磁场线圈、所述发热环、所述Al₂O₃坩埚、所述连接夹头以及所述水冷夹头设置于所述炉体的炉腔内；所述基座设置于所述炉体外底部；所述拉伸装置的下端安装有拉伸装置导轨支架，所述拉伸装置能够在拉伸装置导轨支架上左右移动，在滑程任意位置锁死；所述应力传感器设置于所述炉体内的左炉门旁，通过所述连接杆与所述拉伸装置相连；所述应力传感器与所述连接夹头一端螺纹连接，所述连接夹头另一端与所述试棒螺纹连接，所述拉伸装置、所述应力传感器与所述试棒同轴度，所述应力传感器用于同步测量所述拉伸装置所施加的外力；所述水冷夹头通过夹持方式固定在所述试棒右端，用于准确控制水流量的大小，控制所述试棒在降温过程中轴向散热的快慢；

所述Al₂O₃坩埚为一中空圆柱体，所述中空圆柱体的内径等于试棒直径，所述试棒设置于所述中空圆柱体内且与所述Al₂O₃坩埚同轴；所述Al₂O₃坩埚外侧套有发热环，所述发热环用于通入电流后，采用电阻发热，使被发热环包裹部分的试棒融化；所述发热环外侧包覆有磁场线圈，所述磁场线圈，用于引入磁场扰动金属液，控制金属液凝固生成等轴晶，从而研究所述试棒相应的热裂临界条件；所述磁场线圈外层包裹有保温层，所述磁场线圈与所述发热环之间也设置有保温层；所述热电偶预埋在所述Al₂O₃坩埚外壁上，用于同步测量试棒的温度；

所述试棒加热熔化之后，所述拉伸装置启动后，拉伸试棒，通过调节所述发热环的温度，选择所述水冷夹头的水流量大小或控制所述磁场线圈产生磁场，分别得到不同冷速下，不同枝晶生长方向或等轴晶形态下的所述试棒热裂的临界条件。

2.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述拉伸装置与所述连接杆一端固定，所述连接杆另一端与所述应力传感器螺纹连接；所述拉伸装置用于主动加载外力，在所述试棒凝固过程中对凝固收缩进行限制，使所述试棒产生热裂纹。

3.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述水冷夹头由夹具和冷却水道组成，所述冷却水道安装在所述夹具上；所述水冷夹头与循环水冷机相连，用于控制所述试棒在降温过程中轴向散热的快慢，当无流量或流量小时，试棒径向散热大于轴向，柱状晶沿径向生长，当流量大时，试棒径向散热小于轴向，柱状晶沿轴向生长，确定晶粒不同生长方向的所述试棒热裂临界条件。

4.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述原位加热的热裂纹测试装置还包括刚性梁，所述刚性梁水平焊接于炉体右壁上面，且与所述水冷夹头螺纹连接，用于固定夹头，保证试棒夹持的水平。

5.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述原位加热的热裂纹测试装置还包括数据信号采集控制系统，用于将所述热电偶、所述应力传感器、所述拉伸装置和所述水冷夹头得到的温度、应力、拉伸速率以及冷却水量转化为数据信号并全程进行采集存储；所述数据信号控制采集系统的采集频率为100Hz。

6.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述原位加热的热裂纹测试装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；所述原位加热的热裂纹测试装置的冷态极限真空度为6.67×10^-3Pa。

7.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述拉伸装置的最大试验力为10KN；拉伸速率范围为0.001-3mm/s；有效拉伸量程为50mm。

8.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述应力传感器的量程为2KN，误差小于或等于0.5％。

9.根据权利要求3或4所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述水冷夹头的冷却水流量为0.5L/min—10L/min。

10.根据权利要求1所述的一种原位加热的热裂纹测试装置，其特征在于，所述磁场线圈中通入的电流频率为2-10KHz。

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