專利名稱：一種熱機械疲勞實驗的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對材料樣品進行熱機械疲勞實驗的裝置和方法。
背景技術(shù)：
熱機械疲勞是指同時存在機械載荷循環(huán)與溫度循環(huán)條件下的疲勞行為，通常機械 循環(huán)載荷與溫度循環(huán)具有不同的相位。現(xiàn)有的熱機械疲勞試驗設(shè)備基本由軸向、軸扭雙向 液壓伺服疲勞試驗機結(jié)合加熱、冷卻裝置來實現(xiàn)。雖然液壓伺服疲勞試驗機的機械頻率可 達100Hz，但對于溫度循環(huán)，由于對樣品進行整體加熱，冷卻主要依靠氣體強制對流冷卻，冷 卻速度較低。因此決定了實驗過程的溫度循環(huán)頻率較低。目前，這類熱機械疲勞實驗頻率 主要都在0. 1-0. 01Hz范圍內(nèi)變化。除此之外，液壓伺服疲勞試驗機本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗較 高。因此，目前采用這種裝置進行的熱機械疲勞實驗基本上進行的是低周疲勞實驗，而不能 進行高周或超高周疲勞試驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)備復(fù)雜、能耗高、升溫降溫 周期長的限制，從而提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、低能耗、快速升降溫、能進行高周或者超高周疲 勞試驗的熱機械疲勞實驗裝置，以及利用該裝置進行疲勞試驗的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于包括旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載裝置和對樣品 施加熱載荷的加熱裝置。進一步，所述的加熱裝置為激光源與聚焦鏡頭，或交流電源與感應(yīng)線圈。進一步，所述的加熱裝置的加熱端設(shè)置在樣品測試段附近，對樣品的測試段表面 局部區(qū)域進行加熱。進一步，所述的加熱裝置還包括對樣品測試段進行整體加熱的裝置。進一步，還包括測溫裝置，所述測溫裝置能夠測量樣品的表面溫度并將測得的溫 度反饋到加熱裝置，以實現(xiàn)對樣品的表面溫度的精確控制。進一步，還包括實驗氣體控制裝置，該裝置包括氣源和氣體噴嘴，氣源內(nèi)貯存的環(huán) 境氣體經(jīng)過氣體噴嘴噴射到樣品表面，以改變樣品所處的氣體環(huán)境。進一步，所述的加熱裝置的加熱端相對于樣品可以從不同的角度進行設(shè)置，以改 變機械載荷與熱載荷之間的相位差。進一步，氣體噴嘴相對于樣品可以從不同的角度進行設(shè)置。一種熱機械疲勞實驗的方法，其特征在于包含以下步驟1)將樣品設(shè)置到旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體的旋轉(zhuǎn)軸上；2)在樣品加載端施加彎矩以控制樣品承受的機械載荷幅值；3)通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變樣品所受機械載荷的頻 率；
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4)通過改變加熱裝置的加熱端相對樣品表面的設(shè)置位置以控制樣品所受機械載 荷波形與溫度載荷波形之間的相位差；5)打開氣體噴嘴使樣品的表面處于試驗所需的氣體環(huán)境下；6)打開加熱裝置對樣品表面進行加熱；7)通過測溫裝置測得樣品的表面最高溫度，并反饋控制加熱裝置的輸出功率以達 到試驗所需施加的溫度波形極大值；8)繼續(xù)進行試驗直到樣品疲勞破壞，記錄斷裂周次并保存斷裂的樣品。本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載裝置對樣品施加機械彎矩，從而控制樣品表面的載 荷幅值。通過旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速來控制樣品表面機械載荷正弦波的頻率。利用加熱裝置對樣品表 面微區(qū)進行加熱，被加熱的微區(qū)隨后利用材料自身熱傳導進行快速的冷卻，從而實現(xiàn)與機 械載荷波形同頻率的溫度波形的控制。本發(fā)明利用測溫裝置對樣品表面的溫度進行測量， 并反饋控制加熱裝置的輸出功率而實現(xiàn)對溫度波形極值的控制。通過加熱裝置的加熱端布 置在樣品試驗段圓周的不同角度可以控制機械載荷波形與溫度波形之間的相位差。加熱端 軸線與豎直方向沿旋轉(zhuǎn)方向的夾角基本等于機械載荷與溫度波形之間的相位差，根據(jù)測溫 裝置測量獲得的溫度分布進一步調(diào)整該夾角可實現(xiàn)對機械載荷與溫度波形之間相位差的 精確控制。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明結(jié)合旋轉(zhuǎn)彎曲實驗機與快速加熱技術(shù)，保證了對材料 疲勞樣品的載荷波形、溫度波形、載荷與溫度場波形之間相位差的精確控制。這樣可以對樣 品進行不同載荷幅值、不同溫度范圍、不同載荷與溫度相位差、不同氣體環(huán)境下的熱機械疲 勞實驗。由于加熱區(qū)域較小，熱傳導升、降溫速率較快，保證了樣品的升降溫循環(huán)可以在較 短的周期內(nèi)完成，從而可用于高周和超高周的熱機械疲勞實驗。尤其適合用于內(nèi)燃發(fā)動機 的熱機械疲勞行為模擬。


圖1是實施例1中的熱機械疲勞實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例1的樣品加熱裝置設(shè)置位置的左視示意圖，樣品軸線垂直于紙面；圖3是實施例2中熱機械疲勞實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實施例2的樣品加熱裝置設(shè)置位置的左視示意圖，樣品軸線垂直于紙面；圖面說明1、連續(xù)激光光源，2、光纖，3、聚焦鏡頭，4、紅外測溫裝置，5a、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主 體，5b、砝碼，6、疲勞樣品，7、氣源，8、氣體噴嘴，9、交流電源，10、導線，11、感應(yīng)線圈。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖1所示的裝置，該試驗裝置包括旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載裝 置和對樣品施加熱載荷的加熱裝置、溫度測量裝置、氣體控制裝置。實施例1 如圖1所示的裝置，加載裝置為砝碼5b ；樣品6設(shè)置在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的 旋轉(zhuǎn)軸上，在樣品另一端由砝碼5b提供機械加載。加熱裝置包括，激光光源1，聚焦鏡頭2，也可以包括對實驗樣品整體加熱的加熱裝置(圖中未顯示)。連續(xù)激光光源1發(fā)出的激光 通過光纖2的傳遞，再由聚焦鏡頭3聚焦在樣品6的表面上，對樣品6表面進行加熱，在需 要對試驗樣品整體加熱時，可啟動整體加熱裝置對樣品進行加熱。溫度測量裝置為紅外測 溫裝置，也可以采用其它可精確測量溫度的測溫裝置。樣品加熱點的溫度由溫度測量裝置 4進行測量，并將測量到的溫度反饋回加熱裝置中，以保證在試驗的全過程對樣品加熱溫度 進行精確控制。試驗裝置還包括實驗氣體控制裝置，該裝置包括氣源和氣體噴嘴，氣源7內(nèi) 貯存試驗所需的環(huán)境氣體，在試驗過程中，氣源內(nèi)所儲存的環(huán)境氣體經(jīng)過氣體噴嘴8噴射 到樣品表面，實現(xiàn)對熱機械疲勞試驗過程中的環(huán)境氣氛控制。如圖2所示，聚焦鏡頭3和氣體噴嘴8相對于樣品6可以從不同的角度進行設(shè)置。 其數(shù)量也可以根據(jù)實驗需要進行調(diào)整。聚焦鏡頭3發(fā)出的激光可以是點光源，也可以是片 光源，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模擬溫度波型而選用。如圖1所示，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，可以改變樣品6所受 機械載荷的頻率。通過調(diào)整砝碼5b的質(zhì)量，可以改變樣品6所受機械載荷的幅值。通過調(diào) 整連續(xù)激光光源1功率，可以改變樣品6所受熱載荷的溫度范圍。根據(jù)反饋的紅外測溫裝 置4測量得到的樣品表面溫度，調(diào)整連續(xù)激光光源1的輸出功率，可實現(xiàn)樣品溫度循環(huán)的精 確控制。通過調(diào)整聚焦鏡頭3相對于樣品6的角度，可以改變機械載荷與熱載荷之間的相 位差。例如聚焦鏡頭3設(shè)置于樣品6的受拉側(cè)則為同相位；聚焦鏡頭3設(shè)置于樣品6的 受壓側(cè)則為反相位。通過氣源7，可以為疲勞實驗提供不同的氣體環(huán)境。例如需要防止 樣品氧化時，可選擇通氬氣，；模擬氧化性環(huán)境時，可選擇通氧氣。利用本實施例的熱機械疲勞試驗裝置進行試驗的方法如下1)將加工好的樣品設(shè)置到旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的旋轉(zhuǎn)軸上；2)在樣品6加載端設(shè)置砝碼以控制樣品表面機械載荷的幅值；3)通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變樣品6所受機械載荷的 頻率；4)調(diào)整聚集鏡頭3相對于樣品6的設(shè)置角度到所需控制的機械載荷波形與溫度載 荷波形之間的相位差；5)打開氣體噴嘴8使樣品6的表面處于試驗所需的氣體環(huán)境下；6)打開連續(xù)激光光源1，使其發(fā)出的激光通過光纖2傳遞，再由聚焦鏡頭3聚焦在 樣品6的表面進行加熱；7)通過紅外測溫裝置4測得樣品6的表面最高溫度，控制連續(xù)激光光源1的輸出 功率以控制達到試驗所需施加的溫度波形極大值；8)繼續(xù)進行試驗直到樣品疲勞破壞，記錄斷裂周次并保存斷裂的樣品。實施例2 如圖3中所示的裝置，樣品6設(shè)置在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的旋轉(zhuǎn)軸上，在樣品 另一端由砝碼5b提供機械加載。本實施例中，加熱裝置為交流電源與感應(yīng)線圈；交流電源 9通過導線10連接到感應(yīng)線圈11，感應(yīng)線圈11產(chǎn)生高頻電磁場在樣品6的表面/亞表面 激發(fā)感應(yīng)電流，這樣對樣品表面進行加熱。樣品加熱點的溫度由紅外測溫裝置4進行測量。 氣源7貯存的環(huán)境氣體經(jīng)過氣體噴嘴8噴射到樣品表面實現(xiàn)對熱機械疲勞過程的環(huán)境氣氛 控制。
如圖4所示，感應(yīng)線圈11和氣體噴嘴8相對于樣品6可以從不同的角度進行設(shè)置。 其數(shù)量也可以根據(jù)實驗需要進行調(diào)整。對如圖3所示的裝置，通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以改變樣品6所 受機械載荷的頻率。通過調(diào)整砝碼5b的質(zhì)量，可以改變樣品6所受機械載荷的幅值。通過 調(diào)整交流電源9功率，可以改變樣品6所受熱載荷的溫度范圍。根據(jù)反饋的紅外測溫裝置4 測量得到的樣品表面溫度，調(diào)整交流電源9的輸出功率，可實現(xiàn)樣品溫度循環(huán)的精確控制。 通過調(diào)整感應(yīng)線圈11相對于樣品6的角度可以改變機械載荷與熱載荷之間的相位差。例 如感應(yīng)線圈11設(shè)置于樣品6的受拉側(cè)則為同相位；感應(yīng)線圈11設(shè)置于樣品6的受壓側(cè) 則為反相位。通過氣源7，可以為疲勞試驗提供不同的氣體環(huán)境。例如需要防止樣品氧化 時，可選擇通氬氣；模擬氧化性環(huán)境時，可選擇通氧氣。利用本實施例的熱機械疲勞試驗裝置進行試驗的方法如下1)加工好的樣品設(shè)置到旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的旋轉(zhuǎn)軸上；2)在樣品6加載端設(shè)置砝碼以控制樣品表面機械載荷的幅值；3)通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體5a的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變樣品6所受機械載荷的 頻率；4)調(diào)整感應(yīng)線圈11相對于樣品6的設(shè)置角度到所需控制的機械載荷波形與溫度 載荷波形之間的相位差；5)打開氣體噴嘴8使樣品6的表面處于試驗所需的氣體環(huán)境下；6)打開通過導線10連接到感應(yīng)線圈11上的交流電源9，感應(yīng)線圈11產(chǎn)生的電磁 場在樣品6的表面激發(fā)感應(yīng)電流，對樣品表面進行加熱；7)通過紅外測溫裝置4測得的樣品6表面最高溫度，控制交流電源9的輸出功率 以控制達到試驗所需的施加的溫度波形極大值；8)繼續(xù)進行試驗直到樣品疲勞破壞，記錄斷裂周次并保存斷裂的樣品。以上介紹的是本發(fā)明的幾個實施例。然而，應(yīng)該理解的是，在不悖離本發(fā)明的精神 和范圍的前提下，可以進行各種修改，例如其他可對試樣加載的裝置以及可對試樣表面或 整體加熱的裝置也可以應(yīng)用在本發(fā)明中，例如火焰噴槍等。可根據(jù)試樣的具體情況來選擇 加載裝置和加熱裝置的種類。因此，其他實施例涵蓋在隨附的權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
一種熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于包括旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載裝置和對樣品施加熱載荷的加熱裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于所述的加熱裝置為激 光源與聚焦鏡頭，或交流電源與感應(yīng)線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于所述的加熱裝置的加 熱端設(shè)置在樣品測試段附近，對樣品的測試段表面局部區(qū)域進行加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于所述的加熱裝置還包 括對樣品測試段進行整體加熱的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于還包括測溫裝置， 所述測溫裝置能夠測量樣品的表面溫度并將測得的溫度反饋到加熱裝置，以實現(xiàn)對樣品的 表面溫度的精確控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于還包括實驗氣體 控制裝置，該裝置包括氣源和氣體噴嘴，氣源內(nèi)貯存的環(huán)境氣體經(jīng)過氣體噴嘴噴射到樣品 表面，以改變樣品所處的氣體環(huán)境。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于 所述的加熱裝置的加 熱端相對于樣品可以從不同的角度進行設(shè)置，以改變機械載荷與熱載荷之間的相位差。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱機械疲勞實驗的裝置，其特征在于氣體噴嘴相對于樣品 可以從不同的角度進行設(shè)置。
9.一種熱機械疲勞實驗的方法，其特征在于包含以下步驟1)將樣品設(shè)置到旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體的旋轉(zhuǎn)軸上；2)在樣品加載端施加彎矩以控制樣品承受的機械載荷幅值；3)通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機主體的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速改變樣品所受機械載荷的頻率；4)通過改變加熱裝置的加熱端相對樣品表面的設(shè)置位置以控制樣品所受機械載荷波 形與溫度載荷波形之間的相位差；5)打開氣體噴嘴使樣品的表面處于試驗所需的氣體環(huán)境下；6)打開加熱裝置對樣品表面進行加熱；7)通過測溫裝置測得樣品的表面最高溫度，并反饋控制加熱裝置的輸出功率以達到試 驗所需施加的溫度波形極大值；8)繼續(xù)進行試驗直到樣品疲勞破壞，記錄斷裂周次并保存斷裂的樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱機械疲勞實驗的裝置和方法。該裝置包括一旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載裝置；還包括向疲勞樣品提供溫度載荷的加熱裝置；還包括控制樣品表面氣體環(huán)境的裝置及測溫裝置。本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞和高速加熱的裝置和方法，保證了樣品在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載的條件下，受到不同相位差的溫度載荷作用。疲勞樣品的機械載荷由旋轉(zhuǎn)彎曲加載裝置施加和控制，溫度載荷由加熱裝置以及測溫裝置施加和控制，溫度波形與機械載荷波形的相位差由加熱裝置的加熱端數(shù)量與位置來控制。本發(fā)明的熱機械疲勞實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、低能耗、能實現(xiàn)快速升降溫以及機械載荷波形與溫度波形的精確的相位差控制。
文檔編號G01N3/34GK101876611SQ20091023747
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者武曉東, 洪友士, 謝季佳, 趙愛國 申請人:中國科學院力學研究所