一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法
【專利摘要】一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法,利用定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命試驗機反復將材料加熱冷卻，定量測量合金在熱疲勞循環(huán)過程中應力應變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過程中穩(wěn)定的應力應變滯后回線，并根據(jù)Manson-Coffin方程計算熱疲勞壽命。本發(fā)明方法完全自動化、運行靈活，測試方法簡便，幾乎可以完全避免因人為因素影響而導致的誤差，準確度高。
【專利說明】一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料性能的測試方法，特別涉及一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法。

【背景技術】
[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)生熱應力，當溫度反復變化時，這種熱應力也反復變化，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)動機熱端部件和航天火箭發(fā)動機各種高溫部件，是現(xiàn)代航空、航天發(fā)動機必不可少的關鍵部件。在航空、航天發(fā)動機中，高溫合金在600?1200°C高溫和復雜應力作用下長期工作，條件比較惡劣。尤其當燃燒室內(nèi)燃燒不均勻，工作不良時，作為導向葉片的合金受熱負荷更大，在這種情況下，易產(chǎn)生疲勞裂紋。因此熱疲勞為渦輪發(fā)動機導向葉片提前破壞的主要原因。燃氣發(fā)動機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)生在進排氣邊，呈多條細小的裂紋。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力，導致輪盤槽底裂紋。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)動機的進排氣管道，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。
[0003]雖然熱疲勞現(xiàn)象受到普遍關注，國內(nèi)外對熱疲勞試驗方法作了不少研究，已制定了一些試驗規(guī)范，但到目前為止還沒有國際上公認的標準試驗方法。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準。在國外，比較常用的設備是流態(tài)化床裝置。但在國內(nèi)，對熱疲勞研究得比較少，試驗方法和設備也不一樣，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，難以保證試驗的準確性。
[0004]專利號為200410100451.9的發(fā)明專利公開了一種熱疲勞試驗機，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。以上熱疲勞試驗機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力應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)有技術之不足，提供一種利用定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命試驗機自動化靈活、定量測量合金在熱疲勞循環(huán)過程中應力應變變化,繪制合金在熱疲勞循環(huán)過程中穩(wěn)定的應力應變滯后回線，預測合金熱疲勞壽命的熱疲勞試驗方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法，包括以下步驟:
[0007]第一步:制備測試試樣；
[0008]第二步:由拉伸試驗測定實驗材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得實驗材料的膨脹系數(shù)α ;
[0009]第三步:將定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的試驗機電源連接好，將試驗機熱電偶焊接到在測試試樣上，將應變片粘結(jié)到測試試樣上；
[0010]第四步:將測試試樣用固定支架固定在試驗機加熱系統(tǒng)的感應線圈中；
[0011]第五步:關閉電源開關KU Κ2、Κ3、Κ4，在計算機操作界面中設定最高溫度和最低溫度;
[0012]第六步:打開開始按鈕，在計算機程序的控制下，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，高頻感應加熱器通電，感應線圈開始對測試試樣加熱，測試試樣上的溫度由焊接在試樣上的熱電偶測量，測試試樣上的應變由粘接在試樣上的應變片測量，當溫度達到設定最高溫度時，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，高頻感應加熱器斷電，感應線圈停止對測試試樣加熱，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，冷卻水由水箱通過水管噴向測試試樣，對其進行冷卻，當溫度達到設定最低溫度時，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，停止向測試試樣噴冷卻水，這時，熱疲勞實驗完成一個循環(huán)；
[0013]第七步:重復第6步，并由計算機自動記錄循環(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力、E為實驗材料的彈性模量，有實驗材料的拉伸試驗測得獲得、α為實驗材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得、Λ T為溫度變化，根據(jù)上述公式計算合金在冷熱循環(huán)過程中應力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過程中應變變化繪制合金穩(wěn)定應力應變滯后回線；
[0015]Manson-Coffin方程:Λ ερ Nf°_5=C，式中Λ ε ρ為塑性應變范圍，有實驗材料應力應變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實驗材料延性有關的常數(shù)，等于真實斷裂應變，由實驗材料的拉伸試驗測得，根據(jù)上述方程計算出合金熱疲勞壽命。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明方法完全自動化、運行靈活，可以定量測量合金在熱疲勞循環(huán)過程中應力應變變化，繪制合金在熱疲勞循環(huán)過程中穩(wěn)定的應力應變滯后回線，并根據(jù)公式計算熱疲勞壽命，測試方法簡便，幾乎可以完全避免因人為因素影響而導致的誤差，準確度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明方法使用的試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的【具體實施方式】如下:
[0019]實施例:
[0020]一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0021]第一步:制備測試試樣7 ；
[0022]第二步:由拉伸試驗測定實驗材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得實驗材料的膨脹系數(shù)α ;
[0023]第三步:定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的試驗機，包括加熱系統(tǒng)1、測量系統(tǒng)2、控制系統(tǒng)3、計算機4和冷卻系統(tǒng)5，所述加熱系統(tǒng)I包括可以調(diào)節(jié)功率的高頻感應加熱器11和感應線圈12，通過調(diào)節(jié)高頻感應加熱器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，所述應變片22與應變變送器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與計算機4通過485轉(zhuǎn)232接口 6相連接，溫度變送器32、應變變送器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中分別設有電源開關Κ1、Κ2、Κ3、Κ4和熔斷器F1、F2、F3、F4。
[0024]所述計算機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的運行狀態(tài)，所述溫度變送器32以及應變變送器33將采集到的數(shù)據(jù)通過控制芯片31傳輸?shù)接嬎銠C4中。
[0025]將上述試驗機的電源連接好，把試驗機的熱電偶焊21接到在測試試樣7上，將應變片粘結(jié)到測試試樣7上；
[0026]第四步:將測試試樣7用固定支架8固定在試驗機加熱系統(tǒng)I的感應線圈12中；
[0027]第五步:關閉電源開關K1、K2、K3、K4，在計算機操作界面中設定最高溫度和最低溫度;
[0028]第六步:打開開始按鈕，在計算機程序的控制下，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，高頻感應加熱器11通電，感應線圈12開始對測試試樣7加熱，測試試樣7上的溫度由焊接在試樣5上的熱電偶21測量，測試試樣7上的應變由粘接在試樣5上的應變片22測量，當溫度達到設定最高溫度時，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，高頻感應加熱器11斷電，感應線圈12停止對測試試樣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通過水管43噴向測試試樣7，對其進行冷卻，當溫度達到設定最低溫度時，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，停止向測試試樣7噴冷卻水，這時，熱疲勞實驗完成一個循環(huán)；
[0029]第七步:重復第6步，并由計算機自動記錄循環(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力、E為實驗材料的彈性模量，有實驗材料的拉伸試驗測得獲得、a為實驗材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得、Λ T為溫度變化，根據(jù)上述公式計算合金在冷熱循環(huán)過程中應力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過程中應變變化繪制合金穩(wěn)定應力應變滯后回線；
[0031]Manson-Coffin方程:Λ ￡pNf°_5=C，式中Λ ε ρ為塑性應變范圍，有實驗材料應力應變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實驗材料延性有關的常數(shù)，等于真實斷裂應變，由實驗材料的拉伸試驗測得，根據(jù)上述方程計算出合金熱疲勞壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:制備測試試樣(7)； 第二步:由拉伸試驗測定實驗材料的彈性模量E，材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得實驗材料的膨脹系數(shù)a ； 第三步:將定量測量合金熱疲勞性能及預測合金壽命的試驗機電源連接好，將試驗機熱電偶焊接到在測試試樣(7)上，將應變片粘結(jié)到測試試樣(7)上； 第四步:將測試試樣(7)用固定支架(8)固定在試驗機加熱系統(tǒng)(I)的感應線圈(12)中； 第五步:關閉電源開關K1、K2、K3、K4，在計算機操作界面中設定最高溫度和最低溫度；第六步:打開開始按鈕，在計算機程序的控制下，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，高頻感應加熱器(11)通電，感應線圈(12)開始對測試試樣(7)加熱，測試試樣(7)上的溫度由焊接在試樣(5)上的熱電偶(21)測量，測試試樣(7)上的應變由粘接在試樣(5)上的應變片(22)測量，當溫度達到設定最高溫度時，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，高頻感應加熱器(11)斷電，感應線圈(12 )停止對測試試樣(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)通過水管(43)噴向測試試樣(7)，對其進行冷卻，當溫度達到設定最低溫度時，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，停止向測試試樣(7)噴冷卻水，這時，熱疲勞實驗完成一個循環(huán)；第七步:重復第6步,并由計算機自動記錄循環(huán)次數(shù)； 第八步:公式S=EaDT,其中s為溫度變化引起的熱應力、E為實驗材料的彈性模量，有實驗材料的拉伸試驗測得獲得、a為實驗材料的膨脹系數(shù)，可由材料熱膨脹系數(shù)測試儀測得、DT為溫度變化，根據(jù)上述公式計算合金在冷熱循環(huán)過程中應力變化，結(jié)合合金在熱疲勞過程中應變變化繪制合金穩(wěn)定應力應變滯后回線； Manson-Coffin方程:Dep Nf°_5 =C，式中Dep為塑性應變范圍，有實驗材料應力應變滯后回線獲得、Nf為熱疲勞壽命、C為與實驗材料延性有關的常數(shù)，等于真實斷裂應變，由實驗材料的拉伸試驗測得，根據(jù)上述方程計算出合金熱疲勞壽命。
【文檔編號】G01N3/60GK104237043SQ201310241369
【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, 岳麗杰, 曹梅青, 韓冠鵬 申請人:山東科技大學