CN114720258A - 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，包括：在缩尺试样近端和远端分别设置第一、第二温度传感器；加热至第一温度传感器达到温度均匀性判定目标，判断第二温度传感器输出是否达到第一温度传感器输出的一定比例，直至第一温度传感器达到高温目标温度值且第二温度传感器达到一定比例；冷却至第一温度传感器达到低温目标，完成一次疲劳冲击；试样表面未出现疲劳裂纹并重复加热冷却，直到缩尺试样表面出现疲劳裂纹时，停止加热和冷却，记录所述疲劳冲击的次数并评定缩尺试样的热疲劳性能。本发明能够模拟实际工况下几何结构带来的受热件热疲劳性能影响，提高了热疲劳试验的可靠性和鲁棒性。

Description

一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法
技术领域
本发明涉及材料热疲劳试验领域，特别涉及一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法。
背景技术
随着现代科技的不断进步，人们对机械零部件的使用寿命有了更高的要求，其中交变温度载荷引起的热疲劳失效限制了机械整体使用寿命，针对机械零部件进行热疲劳性能试验能为机械零部件的使用寿命评估提供科学支撑。
受热零部件结构会对热疲劳性能产生影响。现有的热疲劳试验，都是在未考虑试样几何结构影响的情况下进行，这种方法不能很好的体现受热零部件由于其几何结构导致的热疲劳寿命差异，导致试验不能准确评估试样的热疲劳寿命。
中国专利CN107884165A公开了一种应用于试件受热冲击强度考核的试验平台，在试件受热零部件热冲击(疲劳)模拟试验研究时可以同时试验两组试件；采用一个平动和一个转动就可以完成工位的交换，使结构更加紧凑；采用非接触式的温度测量方法，缩短试验准备时间，简化试验准备工序；采用压缩空气进行冷却，节能环保，试验环境更加清洁；保温腔使受热件的环境温度大大提高，热效率也大大提高，不但节约了试验费用，也大大的缩短了相关试件的试验周期。但该试验平台未涉及试件的结构对材料热疲劳的影响以及试验方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试及试验方法，该方法能够准确地评估试样的热疲劳寿命。
本发明的技术方案为：
一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，包括以下步骤：
(a)制作与实际受热零部件几何结构一致的缩尺试样；在缩尺试样与冷热源相邻的一端的内部设置第一温度传感器，在缩尺试样远离冷热源的一端的内部设置第二温度传感器；
(b)开始速热升温过程，对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的温度均匀性判定目标温度值T2；
(c)判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K(K＝第二温度传感器的输出温度值:第一温度传感器的输出温度值)，若达到所述的比例K，则继续对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的最高目标温度值T1；若未达到所述的比例K，则进入慢升温过程，对缩尺试样以慢升温功率P2加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1，并在第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1后，再次判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K，若达到所述的比例K，则结束加热；若仍未达到所述的比例K，则进入保温过程，以保温功率P3对缩尺试样加热保温，直至第二温度传感器的输出温度值达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K；
(d)对缩尺试样进行冷却，直到第一温度传感器的输出温度值达到最低目标温度值T3，完成一次热冲击循环；
(e)观测缩尺试样表面是否出现疲劳裂纹，若未出现疲劳裂纹则重复(b)～(d)，直到缩尺试样表面出现疲劳裂纹，停止加热和冷却，记录所述疲劳冲击的次数；
(f)根据所述疲劳冲击的次数、疲劳裂纹的长度、裂纹断口的形貌评定所述缩尺试样的热疲劳性能。
进一步地，所述第二温度传感器的输出温度值:第一温度传感器的输出温度值的比例K为0.55～0.65；所述最高目标温度值和最低目标温度值依据构件材料的实际温度工况确定。
进一步地，所述缩尺试样为发动机缸盖试样，所述最高目标温度值T1为450～470℃。
进一步地，所述温度均匀性判定目标温度值T2为380～400℃。
进一步地，所述最低目标温度值T3为25～35℃。
进一步地，所述速热功率P1>慢升温功率P2>保温功率P3。
进一步地，所述速热功率P1为33kW；慢升温功率P2为21kW；保温功率P3为5kW。
本发明的测试原理包括：
(1)本发明通过试样保留几何结构以充分模拟实际工况下几何结构特点使受热件可能产生的热疲劳性能变化，也就是说，本发明通过试验得到的疲劳性能不仅是材料特性对热疲劳性能的影响，还涵盖了加热部件结构对热疲劳性能所产生的影响；
(2)本发明在缩尺试样热冲击目标区域的冷热源的近端和远端各设置一个温度传感器，第一温度传感器设置在试样顶部最接近冷热源一端(近端)的内部，第二温度传感器设置在试样热冲击目标区域的远离冷热源一端(远端)的内部，保证两温度传感器之间是试样热冲击目标区域。试验过程中通过两个温度传感器的温度跟随状态判断试样热冲击目标区域遭受的热冲击是否达到试样所需模拟的热冲击状态，并根据远端温度传感器的温度与近端温度传感器的温度之间的差值确定试样加热至最高目标温度值的方式，确保试样加热的温度均匀性满足试验要求。
本发明的有益效果：
本发明通过制作缩尺试样，不仅是材料特性对热疲劳性能的影响，还涵盖了加热部件结构会对材料热疲劳性能的影响。本发明通过所设置两个温度传感器的温度跟随状态判断试样热冲击目标区域遭受的热冲击是否达到试样所需模拟的热冲击状态，并可根据远端与近端的比例差值确定试样加热至最高目标温度值的方式，确保试样加热的温度均匀性满足试验要求。本发明选用的火焰加热相较于连续波激光、高频感应线圈等加热方式，更接近于发动机实际的工作状态。本发明能够模拟实际工况下几何结构带来的受热件热疲劳性能影响，提高了热疲劳试验的可靠性和鲁棒性，具有重要的科学意义及工程价值。
附图说明
图1是本发明的热疲劳性能测试方法的流程示意图。
图2是本发明一个实施例的热疲劳试验方法的流程示意图。
图3为本发明一个实施例中缩尺试样的结构图，图中：1-缩尺试样，21-发动机排气孔,22-发动机进气孔，3-第一温度传感器，4-第二温度传感器。
图4为本发明一个实施例中安装试样的底座示意图，图中：5-试样安装孔。
图5为本发明一个实施例中多个试验循环内试样的温度-时间曲线。
图6为本发明一个实施例中试样热疲劳失效的图像。
图7为本发明一个实施例中开裂的微观结构图像。
图8为本发明一个实施例中扫描电镜观测的试样的鼻梁区B断口的微观形貌。
图9为本发明试验所采用的试验设备的构成示意图，图中：1-缩尺试样，6-冷却设备，7-加热设备，8-运动系统，9-数据采集系统，10-观测装置。
具体实施方式
本发明采用缩尺试样作为试验件，其缩尺试样具有几何结构和材料均与受热零部件相同的特点，能够反映在材料特性和几何结构两者影响下受热零部件的热疲劳特性。
参见图1，一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，包括以下步骤：
(a)制作与实际受热零部件几何结构一致的缩尺试样；在缩尺试样与冷热源相邻的一端的内部设置第一温度传感器，在缩尺试样远离冷热源的一端的内部设置第二温度传感器；
(b)开始速热升温过程，对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的温度均匀性判定目标温度值T2；
(c)判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K(K＝第二温度传感器的输出温度值:第一温度传感器的输出温度值)，若达到所述的比例K，则继续对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的最高目标温度值T1；若未达到所述的比例K，则进入慢升温过程，对缩尺试样以慢升温功率P2加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1，并在第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1后，再次判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K，若达到所述的比例K，则结束加热；若仍未达到所述的比例K，则进入保温过程，以保温功率P3对缩尺试样加热保温，直至第二温度传感器的输出温度值达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K；
(d)对缩尺试样进行冷却，直到第一温度传感器的输出温度值达到最低目标温度值T3，完成一次热冲击循环；
(e)观测缩尺试样表面是否出现疲劳裂纹，若未出现疲劳裂纹则重复(b)～(d)，直到缩尺试样表面出现疲劳裂纹，停止加热和冷却，记录所述疲劳冲击的次数；
(f)根据所述疲劳冲击的次数、疲劳裂纹的长度、裂纹断口的形貌评定所述缩尺试样的热疲劳性能。
本发明的一种实施方式中，所述第二温度传感器的输出温度值:第一温度传感器的输出温度值的比例K为0.55～0.65。
本发明的一种实施方式中，所述缩尺试样为发动机缸盖试样，所述最高目标温度值T1为450～470℃，所述最低目标温度值T3为25～35℃。
本发明的一种实施方式中，所述温度均匀性判定目标温度值T2为380～400℃。
本发明的一种实施方式中，所述速热功率P1为33kW；慢升温功率P2为21kW；保温功率P3为5kW。
参见图2，一种实现上述基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法的试验方法，包括以下步骤：
S1、制作和准备试验设备，所述试验设备包括与实际受热零部件几何结构一致的缩尺试样、安装温度传感器、对缩尺试样分别进行冷却的冷却设备及进行加热的加热设备、移动缩尺试样到指定位置的运动系统、测量并记录缩尺试样在试验过程中温度变化的数据采集系统、获取缩尺试样在试验过程中表面裂纹状态的裂纹观测装置；所述温度传感器包括安装于缩尺试样的热冲击目标区域靠近加热、冷却设备(冷热源)一端(相邻的近端)的内部的第一温度传感器和安装于缩尺试样的热冲击目标区域远离加热、冷却设备(冷热源)一端(远离的远端)的内部的第二温度传感器；通过第二温度传感器的温度占第一温度传感器的温度的比例是否达到预设目标温度值比例，进而判断试样热冲击目标区域遭受的热冲击是否达到试样所需模拟的热冲击状态，若未达到试验要求，则试样进入慢升温过程，以慢升温功率加热，若仍未达到试验要求，则试样进入保温过程，以保温功率加热，直到达到试验要求，以此确保试样加热阶段的结果满足试验要求；
S2、试验前需要设置包括加热设备的燃烧器的速热功率和慢升温功率以及保温功率、冷却设备的冷却强度、最高目标温度值、最低目标温度值、温度均匀性判定目标温度值在内的所有控制参数，将制成的缩尺试样安装在热冲击疲劳试验台旋转臂两端的夹具上，分别设为试样组A和试样组B；
S3、试样组A进入加热阶段的速热过程，加热设备的燃烧器以速热功率对试样组A进行加热；当试样组A上第一温度传感器的输出温度值达到温度均匀性判定目标温度值后，判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的一定比例，若达到所述的比例，则试样组A继续处于速热过程，加热设备的燃烧器继续以加热功率对试样组A进行加热，当试样组A上第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值后，试样组A结束加热阶段，若未达到所述的比例，则试样组A进入慢升温过程，加热设备的燃烧器以慢升温功率对试样组A进行加热，当试样组A上第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值后，再次判定第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的一定比例，若达到所述的比例，则试样组A结束加热阶段，若仍未达到所述的比例，则试样进入保温过程，加热设备的燃烧器以保温功率对试样组A进行加热，直到第二温度传感器的输出温度值达到第一温度传感器的输出温度值的一定比例后，试样组A结束加热阶段；加热阶段结束后，旋转臂旋转互换试样组A和试样组B的位置，冷却设备开始对试样组A进行冷却，同时试样组B在加热设备的燃烧器一侧重复与试样组A相同加热和温度均匀性判定过程，使试样组A和试样组B在目标循环温度内交替加热和冷却；当试样组A上第一温度传感器的输出温度值达到最低目标温度值时，试样组A完成一个热冲击循环的试验，试样组B同理；
S4、重复步骤S3对缩尺试样进行加热冷却至试样表面出现目标裂纹；
S5、对缩尺试样裂纹区域的微观特征采用裂纹观测装置进行微观组织检测，根据热疲劳裂纹产生时的循环次数、目标循环温度、裂纹的长度、断口形貌评定受热零部件的热疲劳性能。
本发明的一个实施方式中，所述步骤S1中，制作缩尺试样时，需要依据实际受热零部件的几何结构缩小尺寸制造，以使缩尺试样与所述实际受热零部件的几何结构相同。
本发明的一个实施方式中，所述步骤S1中，加热设备使用天然气、煤气作为燃料，其包含的燃烧器具备加热功率可调的功能；冷却设备由一个水箱、一个喷嘴、一个阀门及其管路构成，其冷却介质为去离子水，并由压缩空气驱动以喷雾方式对试样进行冷却；数据采集系统由数据记录仪、温度传感器及其导线构成，数据记录仪负责记录温度、加热时间、冷却时间和循环次数；运动系统由两个气缸、一个旋转臂和两个夹具构成，气缸由压缩空气驱动，负责旋转臂的旋转和伸缩运动，旋转臂可容纳两个夹具。
本发明的一个实施方式中，所述步骤S2中，对所述控制参数的调节以模拟受热零部件的实际使用环境；
本发明的一个实施方式中，所述模拟缩尺试样的实际使用环境包括再现与使用环境相同的加热、冷却以及冷热无规律交替循环的使用环境；
本发明的一个实施方式中，所述步骤S2中，两个试样组各包含三个缩尺试样，同步多次试验，用于减小不同试样的试验环境误差、提高试验效率、避免因试样个体差异产生的随机性。
本发明的一个实施方式中，所述步骤S3中，试验过程分为加热阶段和冷却阶段；分别由第一温度传感器的温度均匀性判定目标温度值、第二温度传感器的输出温度值应达到第一温度传感器的输出温度值的比例、第一温度传感器的最低目标温度值三个控制参数控制，其中：第一温度传感器的温度均匀性判定目标温度值用来控制试验过程，第二温度传感器的输出温度值应达到第一温度传感器的输出温度值的比例用来评估试样的温度均匀性，第一温度传感器的最低目标温度值用来评估试样的冷却程度。
本发明的一个实施方式中，所述步骤S4中，为了分析裂纹的产生和变化，在每次试验循环完成后，试验台会控制固定机位的相机拍摄试样的图像照片。
本发明的一个实施方式中，通过所述判断图像照片是否产生裂纹决定是否继续试验循环，并且保留下的图像照片充分还原每次的试验循环后缩尺试样产生的变化。
本发明的一个实施方式中，通过在靠近夹具的试样表面覆盖耐高温石棉以防止高温火焰烧毁缩尺试样上温度传感器的导线。
实施例
如图3所示，作为本发明的一个实施例，缩尺试样1为一受热零部件-发动机缸盖的缩尺试样1。根据受热零部件制作的缩尺试样上的四个孔代表发动机进气孔22和排气孔21，该试样可以模拟真实发动机气缸盖在热冲击过程中的温度场和应力场。试样材料为球墨铸铁QT400-15。缩尺试样尺寸为130mm×90mm×14.3mm。
在本发明的一个实施方式中，在热冲击循环期间装载试样的底座如图4所示，底座上有三个沿圆周均匀分布的试样安装孔5，因此可以安装三个试样。在试样安装好温度传感器之后，用三个螺栓将试样固定在底座上。为了防止高温火焰点燃温度传感器的导线，将靠近底座的部分用耐高温石棉包裹。
在其他的实施方式中，也可以是根据模拟环境不同，以第一温度传感器3的温度均匀性判定目标温度值、第二温度传感器4的输出温度值应达到第一温度传感器3的输出温度值的比例、第一温度传感器3的最低目标温度值以外的控制参数控制试验过程，例如时间、无接触测温器的检测温度等。
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。
参见图9所示，试验设备采用热冲击疲劳试验台开展试验。
本试验的冷却设备6采用定制喷嘴，以确保喷雾效果，并使用阀门控制喷雾量。可实现0％-100％的冷却强度的线性控制。
本试验的加热设备7采用Baltur公司生产的BTG6型加热设备的燃烧器。该加热设备的燃烧器采用甲烷或天然气作为燃料，其最大功率为56kW，其功率的调节精度可达0.1kW。
本试验的运动系统8采用直线气缸和摆动气缸完成旋转臂的水平位移和旋转，进而实现试样位置变换，旋转臂两端最多可容纳六个缩尺试样，旋转臂可实现180°旋转。
本试验的数据采集系统9采用精度为±0.5℃的LR8401-21型数据记录仪。
本试验的温度传感器采用OMEGA的GG K 30型号的K型热电偶，其测温范围为-73℃-482℃。第一温度传感器设置在试样的缸盖几何结构的顶部最接近加热、冷却设备(冷热源)一端(近端)的内部，第二温度传感器设置在试样的缸盖几何结构远离加热、冷却设备(冷热源)一端(远端)的内部，由此保证两温度传感器之间是缩尺试样的缸盖几何结构部分(即热冲击目标区域)。
本试验的观测装置10采用FASTCAM NOVA S12型号的高速相机，其分辨率为1024×1024像素，快门速度为0.2μs，最大帧速率为1000000fps。
热冲击疲劳试验台包含众多系统，其中：冷却设备6位于壁面下端，观测装置10位于冷却设备6上方，其相机向下方倾斜对准试样位置。加热设备7位于同壁面上端的保温腔内，加热设备7的加热设备的燃烧器置于试验台支架外。运动系统8的两个气缸安装在另一侧的底座上，旋转臂与气缸连接并借助气缸实现运动。数据采集系统9位于支架外，通过导线连接试样上的温度传感器。
本试验的加热设备7使用天然气、煤气作为燃料，且加热设备的燃烧器具备加热功率可调的功能；冷却设备6由一个水箱、一个喷嘴、一个阀门及其管路构成，其冷却介质为去离子水，并由压缩空气驱动以喷雾方式对试样进行冷却；数据采集系统9、温度传感器及其导线构成，数据采集系统9负责记录温度、加热时间、冷却时间和循环次数；运动系统8由两个气缸、一个旋转臂和两个夹具构成，气缸由压缩空气驱动，负责旋转臂的旋转和伸缩运动，旋转臂可容纳两个夹具；观测装置10由一台相机和可调整角度的相机底座组成，试验前调整底座使相机对准试样。
冷却设备所用压缩空气的压力为0.4～0.5Mpa，冷却介质为去离子水。
本实施例采用的试验设备的其他未及之处参考了CN107884165A公开的试验平台。
在试验开始前，首先，如图3所示，将第一温度传感器3安装于缩尺试样1的热冲击目标区域靠近冷热源的一端(近端)，第二温度传感器4安装于缩尺试样1的热冲击目标区域远离冷热源的一端(远端)(图中可见位于上半部分排气侧的二个排气孔21和位于下半部分进气侧的二个进气孔22)。然后，将预先安装了温度传感器的试样组A和试样组B安装在旋转臂上，如图4所示。最后设定本次试验的控制参数，试样的目标循环温度为30℃(最低目标温度值T3)至460℃(最高目标温度值T1)，加热设备的燃烧器速热功率P1为33kW，第一温度传感器3的温度均匀性判定目标温度值T2为390℃，试验温度均匀性要求第二温度传感器4的输出温度值达到第一温度传感器3的输出温度值的60％，加热设备的燃烧器慢升温功率P2为21kW，加热设备的燃烧器保温功率P3为5kW，第一温度传感器3的最高目标温度值为460℃，第一温度传感器3的最低目标温度值为30℃。
在试验过程中，首先，试验进入加热阶段的速热过程，加热设备的燃烧器以速热功率对一组试样进行加热。当第一温度传感器3的输出温度值达到温度均匀性判定目标温度值时，由于第二温度传感器4的输出温度值未达到第一温度传感器3的输出温度值的60％(K＝0.6)，即判定此时该组试样的温度均匀性不满足试验要求，然后，试验进入加热阶段的慢升温过程，加热设备的燃烧器的加热功率从速热功率调整为慢升温功率，使该组试样温度升高的速度减慢。当第一温度传感器3的输出温度值达到460℃时，再次对该组试样的温度均匀性进行判定，由于第二温度传感器4的输出温度值达到290℃，超过276℃(第一温度传感器目标温度值的60％)，即该组试样的温度均匀性满足试验要求。并且，第一温度传感器3的输出温度值达到目标循环温度中的最高目标温度值460℃，即该组试样经加热阶段达到的当前温度满足试验要求的目标循环温度，则加热阶段结束。最后，试验进入冷却阶段，冷却喷嘴向试样喷出高压去离子水喷雾，试样温度随去离子水的蒸发迅速降低。当第一温度传感器3的输出温度值达到最低目标温度值30℃时，一个热冲击循环的试验完成。
试样组A处于加热阶段时，试样组B处于冷却阶段，反之亦然。A、B两个试样组交替完成试验循环，通过数据记录仪记录的试验数据可知，在加热阶段的速热过程中，加热设备的燃烧器速热功率P1为33kW。试样从初始温度加热至温度均匀性判定目标温度值T2为390℃的过程中，试样的升温速率为6.6℃/s。在加热阶段的慢升温过程中，加热设备的燃烧器慢升温功率P2为21kW，试样的升温速率降至1.1℃/s。在冷却阶段，当试样第一温度传感器的输出温度值从460℃降至50℃过程中，试样的降温速率为5.7℃/s，当试样第一温度传感器的输出温度值降至50℃后，试样的降温速率逐渐变小，整个过程如图5所示。在每次试验循环完成后，试验台会控制固定机位的相机拍摄试样，通过图像确定穿透裂纹产生，该裂纹宽度和长度分别达到2mm和4mm，即裂纹完全穿透试样一处结构后，热疲劳试验结束。此时取出缩尺试样，寻找热疲劳产生的裂纹，此实施例中，鼻梁区A和B产生了热裂纹，如图6所示。最后，采用扫描电镜对热循环后的鼻梁区B进行了检测，开裂的微观结构图像如图7所示，扫描电镜观测的试样的鼻梁区B断口的微观形貌如图8所示。
从以上试验结果来看，该试验方法可以有效地模拟热冲击过程中试样的加热状态，在保持几何结构不变的情况下，可以在短时间内发生与受热零部件在实际工作情况下类似的热疲劳失效，达到试验目的的同时大大节省了试验成本。由于可以通过调整试验参数合理控制试验过程中试样的温度变化，因此该取样方法可以广泛应用于热疲劳相关学科，如航空航天、核能和遭受热疲劳的锅炉等。

Claims (8)

1.一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)制作与实际受热零部件几何结构一致的缩尺试样；在缩尺试样的热冲击目标区域与冷热源相邻的一端的内部设置第一温度传感器，在缩尺试样的热冲击目标区域远离冷热源的一端的内部设置第二温度传感器；
(b)开始速热升温过程，对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的温度均匀性判定目标温度值T2；
(c)判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K，若达到所述的比例K，则继续对缩尺试样以速热功率P1加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到预设的最高目标温度值T1；若未达到所述的比例K，则进入慢升温过程，对缩尺试样以慢升温功率P2加热升温，直至第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1，并在第一温度传感器的输出温度值达到最高目标温度值T1后，再次判断第二温度传感器的输出温度值是否达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K，若达到所述的比例K，则结束加热；若仍未达到所述的比例K，则进入保温过程，以保温功率P3对缩尺试样加热保温，直至第二温度传感器的输出温度值达到第一温度传感器的输出温度值的预设的比例K；
(d)对缩尺试样进行冷却，直到第一温度传感器的输出温度值达到最低目标温度值T3，完成一次热冲击循环；
(e)观测缩尺试样表面是否出现疲劳裂纹，若未出现疲劳裂纹则重复(b)～(d)，直到缩尺试样表面出现疲劳裂纹，停止加热和冷却，记录所述疲劳冲击的次数；
(f)根据所述疲劳冲击的次数、疲劳裂纹的长度、裂纹断口的形貌评定所述缩尺试样的热疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述预设的比例K＝0.55～0.65。
3.根据权利要求1或2所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述缩尺试样为发动机缸盖试样，所述最高目标温度值T1为450～470℃。
4.根据权利要求3所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述温度均匀性判定目标温度值T2为380～400℃。
5.根据权利要求3所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述最低目标温度值T3为25～35℃。
6.根据权利要求1或2所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述速热功率P1>慢升温功率P2>保温功率P3。
7.根据权利要求6所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述速热功率P1为33kW；慢升温功率P2为21kW；保温功率P3为5kW。
8.根据权利要求1或2所述的基于缩尺试样的构件材料热疲劳性能测试方法，其特征在于：
所述最高目标温度值和最低目标温度值依据试样的实际构件材料的实际温度工况确定。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114720257A (zh) * 2022-03-18 2022-07-08 昆明理工大学 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳试验方法
CN115235934A (zh) * 2022-07-18 2022-10-25 衡阳凯新特种材料科技有限公司 氮化硅陶瓷材料抗热震性能的检测方法及设备

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011158362A (ja) * 2010-02-01 2011-08-18 Kyushu Electric Power Co Inc 熱疲労評価方法
CN107490524A (zh) * 2017-07-04 2017-12-19 昆明理工大学 一种热冲击载荷作用下部件热疲劳特性的试验测试平台
CN107641696A (zh) * 2017-10-30 2018-01-30 马钢(集团)控股有限公司 一种含钴高速列车制动盘用钢的热处理方法
JP2018116055A (ja) * 2017-01-16 2018-07-26 株式会社三五 熱疲労試験装置及びそれを用いた熱疲労試験方法
CN110441177A (zh) * 2019-08-23 2019-11-12 李洪民 机器视觉裂纹检测系统的活塞热冲击和热疲劳试验平台
CN114720257A (zh) * 2022-03-18 2022-07-08 昆明理工大学 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳试验方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011158362A (ja) * 2010-02-01 2011-08-18 Kyushu Electric Power Co Inc 熱疲労評価方法
JP2018116055A (ja) * 2017-01-16 2018-07-26 株式会社三五 熱疲労試験装置及びそれを用いた熱疲労試験方法
CN107490524A (zh) * 2017-07-04 2017-12-19 昆明理工大学 一种热冲击载荷作用下部件热疲劳特性的试验测试平台
CN107641696A (zh) * 2017-10-30 2018-01-30 马钢(集团)控股有限公司 一种含钴高速列车制动盘用钢的热处理方法
CN110441177A (zh) * 2019-08-23 2019-11-12 李洪民 机器视觉裂纹检测系统的活塞热冲击和热疲劳试验平台
CN114720257A (zh) * 2022-03-18 2022-07-08 昆明理工大学 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳试验方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李洪民: "内燃机受热部件热疲劳模拟试验台的研究与开发", 小型内燃机与摩托车, vol. 43, no. 2, 1 February 2014 (2014-02-01) *
江南: "计及疲劳累积效应的IGBT模块焊料层失效机理及疲劳损伤研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑, no. 3, 15 March 2017 (2017-03-15) *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114720257A (zh) * 2022-03-18 2022-07-08 昆明理工大学 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳试验方法
CN114720257B (zh) * 2022-03-18 2023-07-21 昆明理工大学 一种基于缩尺试样的构件材料热疲劳试验方法
CN115235934A (zh) * 2022-07-18 2022-10-25 衡阳凯新特种材料科技有限公司 氮化硅陶瓷材料抗热震性能的检测方法及设备

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