定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)的制造方法
【專利摘要】一種定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，包括加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和冷卻系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括高頻感應(yīng)加熱器和感應(yīng)線圈，所述測量系統(tǒng)包括固定在感應(yīng)線圈中的用于固定測試試樣的試樣固定支架、熱電偶和應(yīng)變片，所述冷卻系統(tǒng)包括水箱、電磁閥和水管，水管的出水口正對測試試樣，所述控制系統(tǒng)包括控制芯片、溫度變送器、應(yīng)變變送器、第一交流接觸器、第二交流接觸器、第一電磁繼電器以及第二電磁繼電器。本發(fā)明完全自動化、運(yùn)行靈活，通過計(jì)算機(jī)控制加熱冷卻循環(huán)過程，溫度控制準(zhǔn)確，避免了人為因素導(dǎo)致的誤差，能夠得到規(guī)范化的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)解放人力，在測試過程中只需要做很少量的工作就可以完成測試。
【專利說明】定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料試驗(yàn)設(shè)備，特別涉及一種定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)。

【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)動機(jī)熱端部件和航天火箭發(fā)動機(jī)各種高溫部件，是現(xiàn)代航空、航天發(fā)動機(jī)必不可少的關(guān)鍵部件。在航空、航天發(fā)動機(jī)中，高溫合金在600?1200°C高溫和復(fù)雜應(yīng)力作用下長期工作，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)動機(jī)導(dǎo)向葉片提前破壞的主要原因。燃?xì)獍l(fā)動機(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)常會產(chǎn)生熱疲勞裂紋，以及發(fā)生破壞。因此，對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，國內(nèi)外對熱疲勞試驗(yàn)方法作了不少研究，已制定了一些試驗(yàn)規(guī)范，但到目前為止還沒有國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。在我國，對熱疲勞的研究也有很多方法，但都沒得到一致認(rèn)可?，F(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)生的裂紋長度作為材料熱疲勞抗力的標(biāo)準(zhǔn)。在國外，比較常用的設(shè)備是流態(tài)化床裝置。但在國內(nèi)，對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)只能定性檢測合金在一定條件下，抵抗熱疲勞性能的好壞，也可以對幾種合金的熱疲勞性能進(jìn)行簡單比較，不能定量研究合金的熱疲勞性能。專利號為200710042765.1的發(fā)明專利攻來了一種鋼的熱疲勞性能測試和分析方法:采用感應(yīng)加熱方法測試鋼的熱疲勞性能，通過分析熱疲勞裂紋長度、寬度和深度來定量研究鋼熱疲勞性能。通過照片測量熱疲勞裂紋的長度、寬度和深度，特別是裂紋的深度，存在一定誤差。不能定量說明合金在熱疲勞過程中應(yīng)力應(yīng)變變化及繪制合金在熱疲勞過程中穩(wěn)定的滯后回線，也不能預(yù)測耐熱合金零部件的使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種完全自動化的、運(yùn)行靈活、能定量測量合金在熱疲勞循環(huán)過程中應(yīng)力應(yīng)變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過程中穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，包括加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和冷卻系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括高頻感應(yīng)加熱器和感應(yīng)線圈，所述測量系統(tǒng)包括固定在感應(yīng)線圈中的用于固定測試試樣的試樣固定支架、熱電偶和應(yīng)變片，所述冷卻系統(tǒng)包括水箱、電磁閥和水管，水管的出水口正對測試試樣，所述控制系統(tǒng)包括控制芯片、溫度變送器、應(yīng)變變送器、第一交流接觸器、第二交流接觸器、第一電磁繼電器以及第二電磁繼電器，所述高頻感應(yīng)加熱器與第一交流接觸器以及第一電磁繼電器依次連接，所述電磁閥與第二交流接觸器以及第二電磁繼電器依次連接，所述應(yīng)變片與應(yīng)變變送器連接，所述熱電偶與溫度變送器連接，所述控制芯片分別與計(jì)算機(jī)、溫度變送器、應(yīng)變變送器、第一電磁繼電器以及第二電磁繼電器相連接。
[0007]優(yōu)選的是，所述計(jì)算機(jī)通過控制芯片控制第一電磁繼電器以及第二電磁繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，所述溫度變送器以及應(yīng)變變送器將采集到的數(shù)據(jù)通過控制芯片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。
[0008]優(yōu)選的是，所述計(jì)算機(jī)中設(shè)有控制程序，通過該控制程序設(shè)定測試試樣的最高加熱溫度、最低冷卻溫度以及熱疲勞循環(huán)次數(shù)，計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過程中應(yīng)力變化，繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，并估算合金熱疲勞壽命。優(yōu)選的是，所述計(jì)算機(jī)通過485轉(zhuǎn)232接口和控制芯片相連接。
[0009]優(yōu)選的是，所述高頻感應(yīng)加熱器為可調(diào)節(jié)加熱功率式加熱器。
[0010]優(yōu)選的是，所述第一交流接觸器、第二交流接觸器、第一電磁繼電器以及第二電磁繼電器分別與電源線路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) K1、K2、K3、K4 和熔斷器 F1、F2、F3、F4。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明完全自動化、運(yùn)行靈活，通過計(jì)算機(jī)控制加熱冷卻循環(huán)過程，溫度控制準(zhǔn)確，避免了人為因素導(dǎo)致的誤差，能夠得到規(guī)范化的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)解放人力，在測試過程中只需要做很少量的工作就可以完成測試；本發(fā)明可以定量測量合金在熱疲勞循環(huán)過程中應(yīng)力應(yīng)變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過程中穩(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，測試方法簡便，準(zhǔn)確度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下:
[0014]實(shí)施例:
[0015]如圖1所示，一種定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，包括加熱系統(tǒng)1、測量系統(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。所述測量系統(tǒng)包括固定在感應(yīng)線圈12中的用于固定測試試樣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的出水口正對測試試樣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)K1、K2、K3、K4和熔斷器F1、F2、F3、F4。
[0016]所述計(jì)算機(jī)4通過控制芯片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)通過控制芯片31傳輸?shù)接?jì)算機(jī)4中。
[0017]所述計(jì)算機(jī)4中設(shè)有控制程序，通過該控制程序設(shè)定測試試樣7的最高加熱溫度、最低冷卻溫度以及熱疲勞循環(huán)次數(shù)，計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過程中應(yīng)力變化，繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，并估算合金熱疲勞壽命。
[0018]控制程序根據(jù)公式σ=Εα ΔΤ (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、a為實(shí)驗(yàn)材料的膨脹系數(shù)、AT為溫度變化可以計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過程中應(yīng)力變化)，結(jié)合合金在熱疲勞過程中應(yīng)變變化繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，再根據(jù)Manson-Coffin公式(Λ ε ρ= ε f, N/，式中Λ ε ρ為塑性應(yīng)變范圍、Nf為熱疲勞壽命、ε f,和c為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù))估算合金熱疲勞壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:包括加熱系統(tǒng)(I)、測量系統(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)包括高頻感應(yīng)加熱器(11)和感應(yīng)線圈(12)，所述測量系統(tǒng)包括固定在感應(yīng)線圈(12)中的用于固定測試試樣(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 )的出水口正對測試試樣(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)分別與計(jì)算機(jī)(4)、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)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)(4)通過控制芯片(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)通過控制芯片(31)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(4)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)(4)中設(shè)有控制程序，通過該控制程序設(shè)定測試試樣(7)的最高加熱溫度、最低冷卻溫度以及熱疲勞循環(huán)次數(shù)，計(jì)算合金在冷熱循環(huán)過程中應(yīng)力變化，繪制合金穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，并估算合金熱疲勞壽命。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)(4)通過485轉(zhuǎn)232接口(6)和控制芯片(31)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:所述高頻感應(yīng)加熱器(11)為可調(diào)節(jié)加熱功率式加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量測量合金熱疲勞性能及預(yù)測合金壽命的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于: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)K1、K2、K3、K4和熔斷器F1、F2、F3、F4。
【文檔編號】G01N3/60GK104237044SQ201310241859
【公開日】2014年12月24日 申請日期: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, 曹梅青, 岳麗杰, 韓冠鵬 申請人:山東科技大學(xué)