一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法
【專利摘要】一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法,利用定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命試驗(yàn)機(jī)反復(fù)將材料加熱冷卻，定量測(cè)量合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，并根據(jù)Manson-Coffin方程計(jì)算熱疲勞壽命。本發(fā)明方法完全自動(dòng)化、運(yùn)行靈活，測(cè)試方法簡(jiǎn)便，幾乎可以完全避免因人為因素影響而導(dǎo)致的誤差，準(zhǔn)確度高。
【專利說(shuō)明】一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料性能的測(cè)試方法，特別涉及一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]熱疲勞是指溫度變化引起的材料自由膨脹或收縮受到約束，其結(jié)果是在材料內(nèi)部因變形受限制產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)溫度反復(fù)變化時(shí)，這種熱應(yīng)力也反復(fù)變化，因而使材料受到損傷。高溫合金主要用于制造航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件和航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫部件，是現(xiàn)代航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的關(guān)鍵部件。在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金在600?1200°C高溫和復(fù)雜應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作，條件比較惡劣。尤其當(dāng)燃燒室內(nèi)燃燒不均勻，工作不良時(shí)，作為導(dǎo)向葉片的合金受熱負(fù)荷更大，在這種情況下，易產(chǎn)生疲勞裂紋。因此熱疲勞為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片提前破壞的主要原因。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和輪盤也常發(fā)生熱疲勞裂紋，并且也大大限制了它們的使用壽命。葉片的裂紋多產(chǎn)生在進(jìn)排氣邊，呈多條細(xì)小的裂紋。輪盤由于輪轂和輪緣沿徑向產(chǎn)生很大的溫差，因此在輪緣外引起周向熱應(yīng)力，導(dǎo)致輪盤槽底裂紋。模具鋼在使用過(guò)程中，常產(chǎn)生熱疲勞裂紋，使模具失效。從以上各零件產(chǎn)生熱疲勞裂紋的過(guò)程可知，熱疲勞是耐熱合金零部件在高溫時(shí)常見的一種破壞形式。許多高溫工作的零件，往往不是受力過(guò)大而損壞，而是由于不斷受冷受熱而損壞。如火焰筒、汽缸、發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣管道，以及鍛模、軋輥等，在交變溫度的作用下也經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋，以及發(fā)生破壞。因此，對(duì)溫度起伏變化條件下工作的零件，必須考慮材料的熱疲勞性能指標(biāo)。
[0003]雖然熱疲勞現(xiàn)象受到普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱疲勞試驗(yàn)方法作了不少研究，已制定了一些試驗(yàn)規(guī)范，但到目前為止還沒(méi)有國(guó)際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。在我國(guó)，對(duì)熱疲勞的研究也有很多方法，但都沒(méi)得到一致認(rèn)可。現(xiàn)在比較常用的方法是定性比較法。以主裂紋發(fā)展到某一長(zhǎng)度的循環(huán)次數(shù)或某規(guī)定循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度作為材料熱疲勞抗力的標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)外，比較常用的設(shè)備是流態(tài)化床裝置。但在國(guó)內(nèi)，對(duì)熱疲勞研究得比較少，試驗(yàn)方法和設(shè)備也不一樣，有的在爐中加熱后取出直接放在水中冷卻，這種方法人為因素較多，難以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
[0004]專利號(hào)為200410100451.9的發(fā)明專利公開了一種熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，是將試樣在加熱系統(tǒng)加熱后，再轉(zhuǎn)移到冷卻系統(tǒng)中冷卻。以上熱疲勞試驗(yàn)機(jī)只能定性檢測(cè)合金在一定條件下，抵抗熱疲勞性能的好壞，也可以對(duì)幾種合金的熱疲勞性能進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，不能定量研究合金的熱疲勞性能。專利號(hào)為200710042765.1的發(fā)明專利攻來(lái)了一種鋼的熱疲勞性能測(cè)試和分析方法:采用感應(yīng)加熱方法測(cè)試鋼的熱疲勞性能，通過(guò)分析熱疲勞裂紋長(zhǎng)度、寬度和深度來(lái)定量研究鋼熱疲勞性能。通過(guò)照片測(cè)量熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度、寬度和深度，特別是裂紋的深度，存在一定誤差。不能定量說(shuō)明合金在熱疲勞過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化及繪制合金在熱疲勞過(guò)程中穩(wěn)定的滯后回線，也不能預(yù)測(cè)耐熱合金零部件的使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種利用定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化靈活、定量測(cè)量合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化,繪制合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，預(yù)測(cè)合金熱疲勞壽命的熱疲勞試驗(yàn)方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法，包括以下步驟:
[0007]第一步:制備測(cè)試試樣；
[0008]第二步:由拉伸試驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)α ;
[0009]第三步:將定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的試驗(yàn)機(jī)電源連接好，將試驗(yàn)機(jī)熱電偶焊接到在測(cè)試試樣上，將應(yīng)變片粘結(jié)到測(cè)試試樣上；
[0010]第四步:將測(cè)試試樣用固定支架固定在試驗(yàn)機(jī)加熱系統(tǒng)的感應(yīng)線圈中；
[0011]第五步:關(guān)閉電源開關(guān)KU Κ2、Κ3、Κ4，在計(jì)算機(jī)操作界面中設(shè)定最高溫度和最低溫度;
[0012]第六步:打開開始按鈕，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，第一電磁繼電器閉合，L3電路通電，第一交流接觸器閉合，LI線路通電，高頻感應(yīng)加熱器通電，感應(yīng)線圈開始對(duì)測(cè)試試樣加熱，測(cè)試試樣上的溫度由焊接在試樣上的熱電偶測(cè)量，測(cè)試試樣上的應(yīng)變由粘接在試樣上的應(yīng)變片測(cè)量，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度時(shí)，第一電磁繼電器斷開，線路L3斷電，第一交流接觸器斷開，線路LI斷電，高頻感應(yīng)加熱器斷電，感應(yīng)線圈停止對(duì)測(cè)試試樣加熱，然后，第二電磁繼電器閉合，L4線路通電，第二交流接觸器閉合，L2線路通電，電磁閥通電接通，冷卻水由水箱通過(guò)水管噴向測(cè)試試樣，對(duì)其進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最低溫度時(shí)，第二電磁繼電器斷開，線路L4斷電，第二交流接觸器斷開，線路L2斷電，電磁閥斷電閉合，停止向測(cè)試試樣噴冷卻水，這時(shí)，熱疲勞實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)循環(huán)；
[0013]第七步:重復(fù)第6步，并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄循環(huán)次數(shù)；
[0014]第八步:公式σ=Εα AT，其中σ為溫度變化引起的熱應(yīng)力、E為實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量，有實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得獲得、α為實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得、Λ T為溫度變化，根據(jù)上述公式計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過(guò)程中應(yīng)變變化繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線；
[0015]Manson-Coffin方程:Λ ερ Nf°_5=C，式中Λ ε ρ為塑性應(yīng)變范圍，有實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)力應(yīng)變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實(shí)驗(yàn)材料延性有關(guān)的常數(shù)，等于真實(shí)斷裂應(yīng)變，由實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得，根據(jù)上述方程計(jì)算出合金熱疲勞壽命。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明方法完全自動(dòng)化、運(yùn)行靈活，可以定量測(cè)量合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，并根據(jù)公式計(jì)算熱疲勞壽命，測(cè)試方法簡(jiǎn)便，幾乎可以完全避免因人為因素影響而導(dǎo)致的誤差，準(zhǔn)確度高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明方法使用的試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下:
[0019]實(shí)施例:
[0020]一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0021]第一步:制備測(cè)試試樣7 ；
[0022]第二步:由拉伸試驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)α ;
[0023]第三步:定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，包括加熱系統(tǒng)1、測(cè)量系統(tǒng)2、控制系統(tǒng)3、計(jì)算機(jī)4和冷卻系統(tǒng)5，所述加熱系統(tǒng)I包括可以調(diào)節(jié)功率的高頻感應(yīng)加熱器11和感應(yīng)線圈12，通過(guò)調(diào)節(jié)高頻感應(yīng)加熱器11的功率改變加熱速率。所述測(cè)量系統(tǒng)包括固定在感應(yīng)線圈12中的用于固定測(cè)試試樣7的試樣固定支架8、熱電偶21和應(yīng)變片22，所述冷卻系統(tǒng)5包括水箱51、電磁閥52和水管53，水管53的出水口正對(duì)測(cè)試試樣7，所述控制系統(tǒng)3包括控制芯片31、溫度變送器32、應(yīng)變變送器33、第一交流接觸器341、第二交流接觸器342、第一電磁繼電器351以及第二電磁繼電器352，所述高頻感應(yīng)加熱器11與第一交流接觸器341以及第一電磁繼電器351依次連接，所述電磁閥52與第二交流接觸器342以及第二電磁繼電器352依次連接，所述應(yīng)變片22與應(yīng)變變送器33連接，所述熱電偶21與溫度變送器32連接，所述控制芯片31與計(jì)算機(jī)4通過(guò)485轉(zhuǎn)232接口 6相連接，溫度變送器32、應(yīng)變變送器33、第一電磁繼電器351以及第二電磁繼電器352分別與控制芯片31相連接。所述第一交流接觸器341、第二交流接觸器342、第一電磁繼電器351以及第二電磁繼電器352分別與電源線路L1、L2、L3、L4相連接，所述電源線路L1、L2、L3、L4中分別設(shè)有電源開關(guān)Κ1、Κ2、Κ3、Κ4和熔斷器F1、F2、F3、F4。
[0024]所述計(jì)算機(jī)4通過(guò)控制芯片31控制第一電磁繼電器351以及第二電磁繼電器352的運(yùn)行狀態(tài)，所述溫度變送器32以及應(yīng)變變送器33將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)控制芯片31傳輸?shù)接?jì)算機(jī)4中。
[0025]將上述試驗(yàn)機(jī)的電源連接好，把試驗(yàn)機(jī)的熱電偶焊21接到在測(cè)試試樣7上，將應(yīng)變片粘結(jié)到測(cè)試試樣7上；
[0026]第四步:將測(cè)試試樣7用固定支架8固定在試驗(yàn)機(jī)加熱系統(tǒng)I的感應(yīng)線圈12中；
[0027]第五步:關(guān)閉電源開關(guān)K1、K2、K3、K4，在計(jì)算機(jī)操作界面中設(shè)定最高溫度和最低溫度;
[0028]第六步:打開開始按鈕，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，第一電磁繼電器351閉合，L3電路通電，第一交流接觸器341閉合，LI線路通電，高頻感應(yīng)加熱器11通電，感應(yīng)線圈12開始對(duì)測(cè)試試樣7加熱，測(cè)試試樣7上的溫度由焊接在試樣5上的熱電偶21測(cè)量，測(cè)試試樣7上的應(yīng)變由粘接在試樣5上的應(yīng)變片22測(cè)量，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度時(shí)，第一電磁繼電器351斷開，線路L3斷電，第一交流接觸器341斷開，線路LI斷電，高頻感應(yīng)加熱器11斷電，感應(yīng)線圈12停止對(duì)測(cè)試試樣7加熱，然后，第二電磁繼電器352閉合，L4線路通電，第二交流接觸器342閉合，L2線路通電，電磁閥42通電接通，冷卻水由水箱41通過(guò)水管43噴向測(cè)試試樣7，對(duì)其進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最低溫度時(shí)，第二電磁繼電器352斷開，線路L4斷電，第二交流接觸器342斷開，線路L2斷電，電磁閥42斷電閉合，停止向測(cè)試試樣7噴冷卻水，這時(shí)，熱疲勞實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)循環(huán)；
[0029]第七步:重復(fù)第6步，并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄循環(huán)次數(shù)；
[0030]第八步:公式σ=Εα AT，其中σ為溫度變化引起的熱應(yīng)力、E為實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量，有實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得獲得、a為實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得、Λ T為溫度變化，根據(jù)上述公式計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過(guò)程中應(yīng)變變化繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線；
[0031]Manson-Coffin方程:Λ ￡pNf°_5=C，式中Λ ε ρ為塑性應(yīng)變范圍，有實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)力應(yīng)變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實(shí)驗(yàn)材料延性有關(guān)的常數(shù)，等于真實(shí)斷裂應(yīng)變，由實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得，根據(jù)上述方程計(jì)算出合金熱疲勞壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:制備測(cè)試試樣(7)； 第二步:由拉伸試驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)a ； 第三步:將定量測(cè)量合金熱疲勞性能及預(yù)測(cè)合金壽命的試驗(yàn)機(jī)電源連接好，將試驗(yàn)機(jī)熱電偶焊接到在測(cè)試試樣(7)上，將應(yīng)變片粘結(jié)到測(cè)試試樣(7)上； 第四步:將測(cè)試試樣(7)用固定支架(8)固定在試驗(yàn)機(jī)加熱系統(tǒng)(I)的感應(yīng)線圈(12)中； 第五步:關(guān)閉電源開關(guān)K1、K2、K3、K4，在計(jì)算機(jī)操作界面中設(shè)定最高溫度和最低溫度；第六步:打開開始按鈕，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，第一電磁繼電器(351)閉合，L3電路通電，第一交流接觸器(341)閉合，LI線路通電，高頻感應(yīng)加熱器(11)通電，感應(yīng)線圈(12)開始對(duì)測(cè)試試樣(7)加熱，測(cè)試試樣(7)上的溫度由焊接在試樣(5)上的熱電偶(21)測(cè)量，測(cè)試試樣(7)上的應(yīng)變由粘接在試樣(5)上的應(yīng)變片(22)測(cè)量，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度時(shí)，第一電磁繼電器(351)斷開，線路L3斷電，第一交流接觸器(341)斷開，線路LI斷電，高頻感應(yīng)加熱器(11)斷電，感應(yīng)線圈(12 )停止對(duì)測(cè)試試樣(7 )加熱，然后，第二電磁繼電器(352)閉合，L4線路通電，第二交流接觸器(342)閉合，L2線路通電，電磁閥(42)通電接通，冷卻水由水箱(41)通過(guò)水管(43)噴向測(cè)試試樣(7)，對(duì)其進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定最低溫度時(shí)，第二電磁繼電器(352)斷開，線路L4斷電，第二交流接觸器(342)斷開，線路L2斷電，電磁閥(42)斷電閉合，停止向測(cè)試試樣(7)噴冷卻水，這時(shí)，熱疲勞實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)循環(huán)；第七步:重復(fù)第6步,并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄循環(huán)次數(shù)； 第八步:公式S=EaDT,其中s為溫度變化引起的熱應(yīng)力、E為實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量，有實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得獲得、a為實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得、DT為溫度變化，根據(jù)上述公式計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過(guò)程中應(yīng)變變化繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線； Manson-Coffin方程:Dep Nf°_5 =C，式中Dep為塑性應(yīng)變范圍，有實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)力應(yīng)變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實(shí)驗(yàn)材料延性有關(guān)的常數(shù)，等于真實(shí)斷裂應(yīng)變，由實(shí)驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)得，根據(jù)上述方程計(jì)算出合金熱疲勞壽命。
【文檔編號(hào)】G01N3/60GK104237043SQ201310241369
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】夏鵬成, 崔洪芝, 謝鯤, 岳麗杰, 曹梅青, 韓冠鵬 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)