CN111060408B - 一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法。该方法首先测试获得单纯热循环周期内的热变形数据；然后将热循环周期分成4部分，第I部分温度范围T₀→T_max，第II部分温度范围T_max→T₀，第III部分温度范围T₀→T_min，第IV部分温度范围T_min→T₀；在第I、第II、第III、第IV部分中出现热变形速率改变的时刻位置进行分段，然后通过线性拟合分别求得各分段的热变形速率v_th；接着按照υ_tot＝υ_m+υ_th计算确定各分段的总变形速率v_tot，υ_m为试验所需的机械变形速率；最后根据各分段试样的总变形速率v_tot来控制热机械疲劳测试系统对试样施加恒定的机械变形速率υ_m。该方法降低了试样被提前拉断或压弯的概率，能更加精确反应试样在不同相位角下温度与机械载荷共同作用时的疲劳特性。

Description

一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，具体是涉及一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法。

背景技术

现代科学技术的发展趋向于对工程构件要求愈来愈高的服役温度，从而对在冶金、航空和化工等工业中许多设备带来了工作过程中瞬态受热的严重性，尤其是在启动-停车或加减速的过程中。快速加热或冷却引起的各种瞬态热应力和机械应力叠加在一起，构成了严重的复合应力循环，设备长期在热机疲劳载荷作用下，一旦失效往往并发火灾、中毒、环境污染等灾难性事故。为了优化高温设备的选材设计和准确的寿命评价需要开展相应服役环境下的热机械疲劳性能测试，以提高设备高温环境下运行时的安全可靠性。

热机械疲劳是发生在材料同时受到温度和机械载荷变化下的疲劳行为。热机械疲劳试验通常是在恒定的机械应变循环范围和热循环范围下，对试样采用应变控制，即在任意恒定的应变循环比、恒定的温度和机械应变相位角条件下进行试验。应变循环比指的是机械应变比，即最小机械应变除以最大机械应变的值。根据温度与机械应变之间的相位关系，热机械疲劳的相位关系可以从变化0°到360°，相位差本质上就是时间差，典型的热循环与机械循环相位关系为同相位(0°)和反相位(180°)。

应变控制的热机械疲劳试验通过高温引申计控制试样标距段的总变形量来实现，在变温变载试验过程中试样标距段的总变形量(ε_tot)由机械应变量(ε_m)和热应变量(ε_th)两部分组成，即ε_tot＝ε_m+ε_th。为了得到人为所需的机械应变量，试验前需对由温度引起的热应变进行补偿。目前热机械疲劳试验中的热应变补偿方法有2种：试样温度函数法和循环时间函数法。

试样温度函数法：在试验开始前记录在单纯热循环下热应变的自由膨胀量，将其作为试样温度的函数进行热应变补偿。在该方法中，单纯热循环应与随后的热机械试样的热循环相同。热应变补偿拟合成适当的关于时间与温度的函数关系，因此在热机械疲劳试验过程中任意时刻t试样标距段总变形量(ε_tot(t))可表示为：ε_tot(t)＝ε_m(t)+ε_th(T)，其中ε_m(t)是t时刻的机械应变量，ε_th(T)是T温度下的热应变量。

循环时间函数法：在试验开始前记录在单纯热循环下热应变的自由膨胀量，将其作为循环时间的函数进行热应变补偿。在该方法中，单纯热循环应与随后的热机械试样的热循环相同。热应变补偿拟合成适当的关于时间的函数关系，因此在热机械疲劳试验过程中任意时刻t试样标距段总变形量(ε_tot(t))可表示为：ε_tot(t)＝ε_m(t)+ε_th(t)，其中ε_m(t)是t时刻的机械应变，ε_th(t)是t时刻的的热应变。

上述两种方法中热机械疲劳试验过程中任意时刻t试样标距段总变形(ε_tot(t))是人为设定的且总变形速率不变，当热变形拟合函数越准确时，试验过程中施加的机械变形量越接近目标值。当温度控制较好时，热变形与温度和时间均呈现线性变化规律。当某一时刻温度出现较大波动时尤其是在降温过程中，现有测试方法获得该时刻机械变形量与实际目标值偏差较大。当热机械疲劳试验在较大机械变形量下进行时，一旦机械变形量偏离目标值施加过大时，会将试样拉断或压弯被迫提前终止试验。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法。该方法大大降低了试样被提前拉断或压弯的风险，能更加精确反映材料在不同相位角下温度与机械载荷共同作用时的疲劳特性，试验结果更加的科学合理。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

步骤1，测试获得单纯热循环周期内不同时刻试样的热变形数据；

步骤2，对上述热变形数据进行线性拟合求得斜率，斜率的绝对值即为热变形速率；

步骤2-1，将一个热循环周期分成4部分，其中第I部分温度范围为T₀→T_max，第II部分温度范围为T_max→T₀，第III部分温度范围为T₀→T_min，第IV部分温度范围为T_min→T₀，其中T_min为循环最低温度，T_max为循环最高温度，T₀为循环平均温度，且

步骤2-2，在第I部分、第II部分、第III部分、第IV部分中出现热变形速率改变的时刻位置进行分段，然后分别求得各分段的热变形速率v_th：

假设在第I部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有i个，故将第I部分分成i+1段分别求解热变形速率，即第I部分第1段热变速率为υ_thI1，第I部分第2段热变速率为υ_thI2，…，第I部分第i段热变速率为υ_thIi，第I部分第i+1段热变速率为υ_thIi+1；

假设在第II部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有j个，故将第II部分分成j+1段分别求解热变形速率，即第II部分第1段热变速率为υ_thII1，第II部分第2段热变速率为υ_thII2，…，第II部分第j段热变速率为v_thIIj，第II部分第j+1段热变速率为v_thIIj+1；

假设在第III部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有l个，故将第III部分分成l+1段分别求解热变形速率，即第III部分第1段热变速率为υ_thIII1，第III部分第2段热变速率为υ_thIII2，…，第III部分第l段热变速率为υ_thIIIl，第III部分第l+1段热变速率为υ_thIIIl+1；

假设在第IV部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有n个，故将第IV部分分成n+1段分别求解热变形速率，即第IV部分第1段热变速率为υ_thIV1，第IV部分第2段热变速率为υ_thIV2，…，第IV部分第n段热变速率为υ_thIVn，第IV部分第n+1段热变速率为υ_thIVn+1；

步骤3，按照υ_tot＝υ_m+υ_th叠加原理，计算确定各分段中试样的总变形速率v_tot，其中υ_m为试验所需的机械变形速率；

在第I部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totI1＝υ_thI1+υ_m，第2段总变形速率υ_totI2＝υ_thI2+υ_m，…，第i段总变形速率υ_totIi＝υ_thIi+υ_m，第i+1段总变形速率υ_totIi+1＝υ_thIi+1+υ_m；

在第II部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totII1＝υ_thII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totII2＝υ_thII2+υ_m，…，第j段总变形速率υ_totIIj＝υ_thIIj+υ_m，第j+1段总变形速率υ_totIIj+1＝υ_thIIj+1+υ_m；

在第III部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIII1＝υ_thIII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIII2＝υ_thIII2+υ_m，…，第l段总变形速率υ_totIIIl＝υ_thIIIl+υ_m，第l+1段总变形速率υ_totIIIl+1＝υ_thIIIl+1+υ_m；

在第IV部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIV1＝υ_thIV1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIV2＝υ_thIV2+υ_m，…，第n段总变形速率υ_totIVn＝υ_thIVn+υ_m，第n+1段总变形速率υ_totIVn+1＝υ_thIVn+1+υ_m；

步骤4，在热机械疲劳试验测试过程中根据上述各分段试样的总变形速率v_tot来控制热机械疲劳测试系统对试样施加恒定的机械变形速率υ_m；

步骤5，完成测试。

进一步的技术方案，步骤1包括以下步骤：

步骤1-1，准备试样；

步骤1-2，试样在热机械疲劳测试系统完成安装后，在室温下将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量清零，并将预加载荷设置为零；

步骤1-3，在零载荷下将上述试样加热到循环平均温度T₀，然后保温；

步骤1-4，热循环开始时，将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量再次清零，然后在热循环温度范围T_min～T_max内对试样进行热变形测试，待循环若干周期后热变形稳定时，记录稳定时某个热循环周期内不同时刻的热变形数据；

步骤1-5，完成测试。

本发明的有益效果如下：

本发明采用多段总变形速率方法较好地解决了当试验过程中由于温度较大波动引起热变形随温度或时间呈现非线性变化时，试验施加的机械变形量与实际目标值偏差较大问题，保证了整个试验过程机械变形速率相等，尤其是热机械疲劳在较大机械变形量下进行时，该方法能大大降低试样被提前拉断或压弯的概率，同时该方法施加的机械变形量更接近实际目标值，因此能更加精确反映材料在不同相位角下温度与机械载荷共同作用时的疲劳特性，试验结果更加的科学合理。

附图说明

图1为本发明热机械疲劳测试系统结构示意图。

图2为试样结构示意图。

图3为测试系统中应变控制的电磁感应变温环境装置结构示意图。

图4为图3的三维示意图。

图5为一个周期内不同温度范围热变形随时间的变化曲线。

图6为典型周期载荷-时间曲线。

图7为典型周期应力-机械应变磁滞回线。

图8为典型周期总应变、机械应变、热应变随时间变化曲线

图9为典型周期同相位温度与机械变形随时间变化曲线。

图中标注符号的含义如下：

1-1—测力传感器；1-2A—左螺母；1-2B—右螺母；1-3—上横梁；1-4A—左立柱；1-4B—右立柱；1-5A—上拉杆；1-5B—下拉杆；1-6—加载驱动系统；2—防护窗；3—光电比色计；4—应变控制的电磁感应变温环境装置；4-1—背母；4-2—水冷夹头体；4-3—螺母；4-4—导套；4-5—试样；4-5-1—标距段；4-5-2—过渡段；4-6—高温引申计；4-7—感应加热线圈；4-8—风冷喷嘴；5—空气压缩机；6—感应加热电源；7—办公桌；8—电脑；9—激光打印机；10—工控机；11—支架；12—温控器；13—水冷变压器；14—冷水机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

针对牌号为SA387Gr11Cl2的Cr-Mo钢材料，采用如图1所示热机械疲劳测试系统开展同相位热机械疲劳试验，热循环范围为80℃～490℃，机械应变循环范围为-0.8％～+0.8％，试验周期为410s，升降温速率2℃/s，机械变形速率为1.905um/s。

本发明采用的热机械疲劳测试系统包括疲劳加载子系统、疲劳试样、加热子系统、温控子系统、应变测量子系统、冷却子系统和计算机控制子系统。

疲劳加载子系统通过热机械疲劳主机和主机控制器对被高温加载夹具稳定夹持的疲劳试样施加所需的拉-压过零机械载荷。所述疲劳加载子系统包括热机械疲劳主机、主机控制器和高温加载夹具，用于提供热机械疲劳试验所需的机械载荷，最大加载能力100KN。主机控制器通过对加载驱动系统进行控制，实现主机负荷、变形和位移的精确测量。疲劳试样与高温加载夹具采用螺纹连接；高温加载夹具与热机械疲劳主机采用背母连接。所述高温加载夹具包括背母、水冷拉杆体、导套和螺母。为了改善试样降温效果，水冷拉杆体开有水冷口，水冷口为1/4螺纹，螺纹中心距试样端头8mm。

加热子系统通过频感应加热电源、感应加热线圈和水冷变压器对疲劳试样进行加热。所述加热子系统包括感应加热电源、感应加热线圈、水冷变压器和橡胶管路，用于提供热机械疲劳试验温度场。为了最小化感应加热引起的趋肤效应，试验过程采用中频感应加热对试样加热，感应电源功率为10KW。为了实现低温稳定控制，感应加热自保护电流设计为0.6A，感应加热电源加热频率设计为20KHz。为了确保试样标距段内温度场的均匀性，感应加热线圈圈数设计为3圈，中间直径大，内径为65mm，只有1圈，两头直径小，内径为60mm，各1圈，线圈中部间距为40mm，线圈上、下端间距均为20mm，线圈中部间距应便于高温引申计陶瓷脚的安装和调节；加热子系统热循环范围为60℃～700℃。

温控子系统采用人工智能调节，根据光电比色计采集的实时温度数据能自动调节感应加热电源的功率，从而实现对疲劳试样表面温度的精确控制。所述温控子系统包括光电比色计和温控器，用于精确测量和控制试样表面温度。光电比色计为非接触式测温，测量精度达1％；温控器采用0.1级AI人工智能调节。

应变测量子系统通过高温引伸计直接测量试样标距段变形以实现对试样疲劳加载时所需机械载荷的精确控制。所述应变测量子系统包括高温引申计，通过对试样标距段轴向变形的测量，从而实现所需疲劳载荷幅值的精确控制。高温引申计标距为25mm，测量范围为-10％～+20％。应变测量是利用两只陶瓷脚卡在试样表面的高温引申计来实现，其正压力调节至疲劳主裂纹不在陶瓷脚附近生成且引申计在疲劳实验过程中不发生脱滑为准。

冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于感应加热电源和高温加载夹具冷却，气冷部分用于疲劳试样冷却。冷却子系统包括冷水机、空压机和管路，水冷部分用于冷却感应加热电源和高温加载夹具，气冷部分用于冷却试样。为了提高风冷系统能力和稳定性，采用两路混合控制模式，一路为常开式风冷系统，降温过程全程开启，管路上增设流量控制阀用于调整排气量；一路为辅助风冷系统，当常开式风冷系统无法满足冷却效果时，此路开启。试样降温采用扁口喷嘴吹风，所述扁口喷嘴沿试样周向120°等间距布置3个。

计算机控制子系统控制疲劳加载子系统、加热子系统、温控子系统、应变测量子系统以及冷却子系统的协调工作，同时还具备所需热机械疲劳实验参数设置和试验数据实时监控与采集功能。

如图1所示：本发明热机械疲劳性能测试系统具体包括如下部件：热机械疲劳试验机、光电比色计2、防护窗3、应变控制的电磁感应变温环境装置4、空压机5、感应加热电源6、办公桌7、电脑8、激光打印机9、工控机10、支架11、温控器12、水冷变压器13、冷水机14。

所述热机械疲劳试验机包括测力传感器1-1、左螺母1-2A、右螺母1-2B、上横梁1-3、左立柱1-4A、右立柱1-4B、上拉杆1-5A、下拉杆1-5B、疲劳加载驱动系统1-6。

如图3、4所示，本应变控制的电磁感应变温环境装置包括如下组成部分：背母4-1、水冷夹头体4-2、螺母4-3、导套4-4、试样4-5、高温引伸计4-6、感应加热线圈4-7、风冷喷嘴4-8。

所述测力传感器1-1安装在上横梁1-3上，所述上横梁1-3与1-4A左立柱和1-4B右立柱分别采用螺母紧固。

所述防护窗2安装所述左立柱1-4A上，在试验过程中对试验人员观察试样表面状态时起到防护作用。

所述光电比色计3和高温引伸计4-6分别安装在左立柱1-4A上，所述光电比色计3安装在高温引伸计4-6上面，保证所述光电比色计3红外测温点聚焦到试样表面，不应与感应加热线圈4-7和所述高温引申计4-6陶瓷杆发生干涉。

试样4-5为不同材料的棒状疲劳试样，结构如图2所示。

所述水冷夹头体4-2与上拉杆1-5A采用背母连接，所述试样4-5与导套4-4采用螺纹连接，所述螺母4-3将试样4-5与导套4-4连接体固定到水冷夹头体4-2上，所述试样4-5下部连接方式与上部相同；所述高温引申计4-6陶瓷杆夹持在试样4-5标距段；所述感应加热线圈4-7轴心尽量与所述试样4-5轴心重合对试样进行加热；所述风冷喷嘴4-8沿试样周向120°等间距布置3个，对试样4-5进行冷却，输气管固定在所述支架11上，所需气源由所述空压机5提供；所述冷水机14中循环冷却水通过橡胶管对水冷夹头体进行冷却。

所述感应加热电源6与所述水冷变压器13采用水冷电缆相连，所述水冷变压器13安装在支架上，所述冷水机14中循环冷却水通过橡胶管对所述感应加热电源6进行冷却。

所述温控器12安装在右立柱1-4B上，控制所述试样4-5表面温度，同时动态实时显示所述试样4-5表面实测温度和模拟温度。

所述工控机10通过所述专用软件控制疲劳加载子系统、加热子系统、温控子系统、应变测量子系统以及冷却子系统的协调工作；所述电脑8向试验人员呈现实时动态试验曲线；所述激光打印机9输出纸质试验报告；所述工控机10、所述电脑8与所述激光打印机9均放置在所述办公桌7上。

本发明热机械疲劳性能测试系统工作过程如下：

步骤1，测试获得单纯热循环周期内不同时刻试样的热变形数据，具体步骤如下：

步骤1-1，准备试样：如图2所示，加工疲劳试样，在开始热机械疲劳试验之前，用水磨砂纸将试样4-5标距段以及过渡段逐级打磨并抛光，再用丙酮去油，无水乙醇清洗，冷风吹干；

步骤1-2，试样在热机械疲劳测试系统完成安装后，在室温下将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量清零，并将预加载荷设置为零；

上述试样安装过程包括：按照图3所示，将试样4-5和水冷夹头体4-2相连后，在与上拉杆1-5A和下拉杆1-5B相连；将高温引伸计4-6陶瓷杆夹持在试样4-5标距段，其正压力调节至疲劳主裂纹不在陶瓷脚附近生成且高温引伸计4-6在疲劳实验过程中不发生脱滑为准；尽量将感应加热线圈4-7的轴线与试样4-5的轴线重合；风冷喷嘴4-8沿试样周向120°等间距安装3个。

开启空压机5，检查从空压机5到风冷喷嘴4-8之间的管路是否漏气；开启冷水机14，检查从冷水机14到感应加热电源6和水冷夹头体4-2之间的管路是否漏水；检查光电比色计3的红外测温点是否全部聚焦到试样表面；开启感应加热电源6、温控器12、工控机10、电脑8、激光打印机9电源开关，待上述部件均显示正常时，可进行下一步工作；

步骤1-3，在零载荷下将上述试样加热到循环平均温度T₀，然后保温5min；

步骤1-4，热循环开始时，将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量再次清零，然后在热循环温度范围T_min～T_max内对试样进行热变形测试，待循环若干周期后热变形稳定时，记录稳定时某个热循环周期内不同时刻的热变形数据；

步骤1-5，完成测试。

图5为一个周期内不同温度范围热变形随时间的变化曲线，从图中可以看出，在降温过程285℃→80℃出现热变形速率突变，在升温过程80℃→285℃出现热变形速率突变，在升温285℃→490℃和降温490℃→285℃热变形线性较好。其中T₀＝285℃，T_min＝80℃，T_max＝490℃。

步骤2，对上述热变形数据进行线性拟合求得斜率，斜率的绝对值即为热变形速率；

步骤2-1，将一个热循环周期分成4部分，其中第I部分温度范围为T₀→T_max，第II部分温度范围为T_max→T₀，第III部分温度范围为T₀→T_min，第IV部分温度范围为T_min→T₀，其中T_min为循环最低温度，T_max为循环最高温度，T₀为循环平均温度，且

步骤2-2，在第I部分、第II部分、第III部分、第IV部分中出现热变形速率改变的时刻位置进行分段，然后分别求得各分段的热变形速率v_th：

假设在第I部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有i个，故将第I部分分成i+1段分别求解热变形速率，即第I部分第1段热变速率为υ_thI1，第I部分第2段热变速率为υ_thI2，…，第I部分第i段热变速率为υ_thIi，第I部分第i+1段热变速率为υ_thIi+1；

假设在第II部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有j个，故将第II部分分成j+1段分别求解热变形速率，即第II部分第1段热变速率为υ_thII1，第II部分第2段热变速率为υ_thII2，…，第II部分第j段热变速率为υ_thIIj，第II部分第j+1段热变速率为υ_thIIj+1；

假设在第III部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有l个，故将第III部分分成l+1段分别求解热变形速率，即第III部分第1段热变速率为υ_thIII1，第III部分第2段热变速率为υ_thIII2，…，第III部分第l段热变速率为υ_thIIIl，第III部分第l+1段热变速率为υ_thIIIl+1；

假设在第IV部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有n个，故将第IV部分分成n+1段分别求解热变形速率，即第IV部分第1段热变速率为υ_thIV1，第IV部分第2段热变速率为υ_thIV2，…，第IV部分第n段热变速率为υ_thIVn，第IV部分第n+1段热变速率为υ_thIVn+1；

步骤3，按照υ_tot＝υ_m+υ_th叠加原理，计算确定各分段中试样的总变形速率v_tot，其中υ_m为试验所需的机械变形速率；

在第I部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totI1＝υ_thI1+υ_m，第2段总变形速率υ_totI2＝υ_thI2+υ_m，…，第i段总变形速率υ_totIi＝υ_thIi+υ_m，第i+1段总变形速率υ_totIi+1＝υ_thIi+1+υ_m；

在第II部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totII1＝υ_thII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totII2＝υ_thII2+υ_m，…，第j段总变形速率υ_totIIj＝υ_thIIj+υ_m，第j+1段总变形速率υ_totIIj+1＝υ_thIIj+1+υ_m；

在第III部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIII1＝υ_thIII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIII2＝υ_thIII2+υ_m，…，第l段总变形速率υ_totIIIl＝υ_thIIIl+υ_m，第l+1段总变形速率υ_totIIIl+1＝υ_thIIIl+1+υ_m；

在第IV部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIV1＝υ_thIV1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIV2＝υ_thIV2+υ_m，…，第n段总变形速率υ_totIVn＝υ_thIVn+υ_m，第n+1段总变形速率υ_totIVn+1＝υ_thIVn+1+υ_m；

表1为根据上述方法获得的单个周期不同温度范围内热变形速率以及总变形速率/(um/s)的计算结果。

表1不同温度范围的变形速率

步骤4，将热机械疲劳测试系统切换到变形控制模式下，并设置以下参数：

多段总变形速率(根据上述表1的结果进行设置)、热机械疲劳测试过程中热循环与机械变形循环之间的相位关系(热循环与机械变形循环之间的相位关系是通过时间差来控制)、测试周期、热循环范围以及试验终止条件；

然后在热机械疲劳试验测试过程中根据上述各分段试样的总变形速率v_tot来控制热机械疲劳测试系统对试样施加恒定的机械变形速率υ_m；

步骤5，完成测试。

以下为本发明测试结果：

图6为Cr-Mo钢材料在试验过程中第1周期连续变化至第14周期时，载荷随时间变化曲线。从图6中可以看出，Cr-Mo钢材料在引入热循环和机械应变后，载荷随时间的变化形状符合材料的力学特性，出现循环硬化现象。

图7为Cr-Mo钢材料第8周期应力应变磁滞回线。从图7中可以看出，材料发生了一定的塑性变形。

图8为Cr-Mo钢材料第6周期连续变化至第14周期时，总变形、机械变形、热变形随时间的变化关系。从图8中可以看出，总应变是热应变与机械应变之和。

图9为Cr-Mo钢材料在实验过程中第6周期连续变化至第14周期时，温度和机械应变随时间变化曲线。从图9中可以看出，同相位时温度信号与变形信号基本没有相位差。

从测试结果来看，根据本发明测试方法对试样进行应变控制的热机械疲劳性能测试，保证了整个测试过程机械变形速率相等，尤其是热机械疲劳在较大机械变形量下进行时，该方法没有出现试样被提前拉断或压弯的情况，同时该方法施加的机械变形量更接近实际目标值，且能更加精确反映材料在不同相位角下温度与机械载荷共同作用时的疲劳特性，试验结果更加的科学合理。

Claims (2)

1.一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，测试获得单纯热循环周期内不同时刻试样的热变形数据；

步骤2，对上述热变形数据进行线性拟合求得斜率，斜率的绝对值即为热变形速率；

步骤2-1，将一个热循环周期分成4部分，其中第I部分温度范围为T₀→T_max，第II部分温度范围为T_max→T₀，第III部分温度范围为T₀→T_min，第IV部分温度范围为T_min→T₀，其中T_min为循环最低温度，T_max为循环最高温度，T₀为循环平均温度，且

步骤2-2，在第I部分、第II部分、第III部分、第IV部分中出现热变形速率改变的时刻位置进行分段，然后分别求得各分段的热变形速率v_th：

假设在第I部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有i个，故将第I部分分成i+1段分别求解热变形速率，即第I部分第1段热变速率为υ_thI1，第I部分第2段热变速率为υ_thI2，…，第I部分第i段热变速率为υ_thIi，第I部分第i+1段热变速率为υ_thIi+1；

假设在第II部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有j个，故将第II部分分成j+1段分别求解热变形速率，即第II部分第1段热变速率为υ_thII1，第II部分第2段热变速率为υ_thII2，…，第II部分第j段热变速率为υ_thIIj，第II部分第j+1段热变速率为υ_thIIj+1；

假设在第III部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有l 个，故将第III部分分成l+1段分别求解热变形速率，即第III部分第1段热变速率为υ_thIII1，第III部分第2段热变速率为υ_thIII2，…，第III部分第l 段热变速率为υ_thIIIl ，第III部分第l +1段热变速率为υ_{thIIIl +1}；

假设在第IV部分温度范围内热变形速率改变的时刻位置有n个，故将第IV部分分成n+1段分别求解热变形速率，即第IV部分第1段热变速率为υ_thIV1，第IV部分第2段热变速率为υ_thIV2，…，第IV部分第n段热变速率为υ_thIVn，第IV部分第n+1段热变速率为υ_thIVn+1；

步骤3，按照υ_tot＝υ_m+υ_th叠加原理，计算确定各分段中试样的总变形速率v_tot，其中υ_m为试验所需的机械变形速率；

在第I部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totI1＝υ_thI1+υ_m，第2段总变形速率υ_totI2＝υ_thI2+υ_m，…，第i段总变形速率υ_totIi＝υ_thIi+υ_m，第i+1段总变形速率υ_totIi+1＝υ_thIi+1+υ_m；

在第II部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totII1＝υ_thII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totII2＝υ_thII2+υ_m，…，第j段总变形速率υ_totIIj＝υ_thIIj+υ_m，第j+1段总变形速率υ_totIIj+1＝υ_thIIj+1+υ_m；

在第III部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIII1＝υ_thIII1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIII2＝υ_thIII2+υ_m，…，第l段总变形速率υ_totIIIl＝υ_thIIIl+υ_m，第l+1段总变形速率υ_totIIIl+1＝υ_thIIIl+1+υ_m；

在第IV部分温度范围内：第1段总变形速率υ_totIV1＝υ_thIV1+υ_m，第2段总变形速率υ_totIV2＝υ_thIV2+υ_m，…，第n段总变形速率υ_totIVn＝υ_thIVn+υ_m，第n+1段总变形速率υ_totIVn+1＝υ_thIVn+1+υ_m；

步骤4，在热机械疲劳试验测试过程中根据上述各分段试样的总变形速率v_tot来控制热机械疲劳测试系统对试样施加恒定的机械变形速率υ_m；

步骤5，完成测试。

2.如权利要求1所述的应变控制的热机械疲劳性能测试方法，其特征在于步骤1包括以下步骤：

步骤1-1，准备试样；

步骤1-2，试样在热机械疲劳测试系统完成安装后，在室温下将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量清零，并将预加载荷设置为零；

步骤1-3，在零载荷下将上述试样加热到循环平均温度T₀，然后保温；

步骤1-4，热循环开始时，将热机械疲劳测试系统显示的试样变形量再次清零，然后在热循环温度范围T_min～T_max内对试样进行热变形测试，待循环若干周期后热变形稳定时，记录稳定时某个热循环周期内不同时刻的热变形数据；

步骤1-5，完成测试。

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