CN105571973A - 一种恒应力加载的热疲劳实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热疲劳实验领域，具体为一种恒应力加载的热疲劳实验装置和实验方法，能够满足特殊环境下应用材料热疲劳性能的测试。该装置包括分别与样品相对应的横梁加载部分、感应加热部分、样品冷却单元、应变测量单元和数据记录***，通过调节砝码来增加或减少样品载荷，通过改变感应加热电源功率来控制样品加热温度，通过样品冷却单元对样品进行冷却，通过应变测量单元的引伸计来测量样品表面标距内的热应变，通过数据记录***记录实验数据，供科学研究使用。本发明不但能提供热疲劳寿命和温度参数，还能提供升样品多个有代表性为主升温曲线和降温曲线及升降温过程中标距段的应变曲线，同时可以进行温度的载荷加载。

Description

一种恒应力加载的热疲劳实验装置和实验方法

技术领域

本发明涉及热疲劳实验领域，具体为一种恒应力加载的热疲劳实验装置和实验方法，能够满足特殊环境下应用材料热疲劳性能的测试。

背景技术

当今中国已经成为现代化工业的国家，外太空、高寒铁路、航空航天、核电等特殊环境对材料的热疲劳性能测量提出了更高的要求，传统的热疲劳测试方法测试条件简单，提供信息少，无法满足日益增长的现代科研需要。中国科技取得长足的进步，高寒环境的高速铁路、探月器的发射、载入航天技术的发展、压水堆核燃料元件制造实等都需要精确全面的提供热疲劳实验技术参数，包括应力、应变和温度变化曲线等，早期的热疲劳实验方法仅能提供一疲劳寿命不能全面表述材料的热疲劳性能。传统的热疲劳无法提供以下几种参数：样品的升温降温曲线、样品在温度变化中应变变化曲线，无法施加载荷。

在气体或液态的传输过程中，通常使用管道来进行，管道内介质压力可以在管壁产生应力，随管道介质温度的变化管壁也受到热疲劳的作用。为了提高其设计制造水平，需要研究材料的热机械疲劳性能。一般的热机械疲劳试验***在降温时采用压缩空气冷却，如果最低温度接近室温，则冷却很慢，需占用大量机时，试验成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒应力加载的热疲劳实验装置和实验方法，能够满足特殊环境下应用材料热疲劳性能的测试。

本发明的技术方案是：

一种恒应力加载的热疲劳实验装置，该装置包括分别与样品相对应的横梁加载部分、感应加热部分、样品冷却单元、应变测量单元，还包括与应变测量单元连接的数据记录***，通过调节砝码来增加或减少样品载荷，通过改变感应加热部分的电源功率来控制样品加热温度，通过样品冷却单元对样品进行冷却，通过应变测量单元的引伸计来测量样品表面标距内的热应变，应变测量单元的实验数据通过数据记录***记录，供科学研究使用；其中，

横梁加载部分包括：横梁、砝码、试验台、万向节连接装置、支点，具体结构如下：支点上设置横梁，横梁的一端安装砝码，横梁的另一端安装万向节连接装置，万向节连接装置与其下方试验台上的连接件之间安装样品。

所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，感应加热部分包括：MTS控制器、温度控制器、热电偶、感应加热电源和感应加热电源冷却水部分，采用欧陆温度测量转换表和感应加热电源组成温度加热***，温度加热***还包括感应加热电源冷却水部分、感应加热电源冷却水保护流量开关和热电偶，感应加热电源冷却水部分用于对感应加热电源进行冷却，感应加热电源冷却水部分设置感应加热电源冷却水保护流量开关，热电偶的一端点焊在样品上，热电偶的另一端连接到温度控制器，温度控制器显示温度，并将热电偶信号变换成0～10V信号传送给MTS控制器记录数据；通过观察温度控制器的温度，来调节感应加热电源输出功率来控制样品的温度。

所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，感应加热电源冷却水部分选用国内生产的3KW制冷机组，感应加热电源冷却水保护流量开关选择直流0～70V开关来控制24V继电器来形成流量保护，感应加热电源冷却水保护流量开关连接于感应加热电源的出水端。

所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，样品冷却单元由分压阀、去离子水过滤器、喷嘴、电磁阀、控制单元组成，自来水通过分压阀进行流量调节，控制单元将电磁阀导通，自来水经去离子水过滤器进入喷嘴，喷嘴向样品喷水冷却；用电磁阀导通时间的长短来控制冷却降低的温度，用电磁阀关闭时间的长短和感应加热功率大小一起控制最高加热的温度；喷水时间越长，样品降低的温度越低；关闭时间越长，样品温度越高。

所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，应变测量单元由MTS引伸计、信号调理器、MTS控制器、数据记录***连接组成，在MTS控制器的作用下，MTS引伸计采集的应变信号通过信号调理器，将应变信号变成数字信号后进入数据记录***。

所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，数据记录***采用MTSFlexTest40控制器，实现模拟和数字信号输入输出；采用MTS***的MPE软件进行编程采集，通过设置MTS控制器模拟信号输入来记录温度参数，0～10V对应0～1200℃，采样速度为5点每秒。

所述装置的恒应力加载的热疲劳实验方法，具体步骤如下：

将点焊热电偶的热疲劳样品连接在横梁下端，装入加热线圈、喷嘴；连接应变计进行应变测量，加载相应载荷的砝码，设置实验温度，设置喷水时间和喷水压力参数，开始实验测试并记录数据，完成实验并由实验结果形成实验数据和报告。

本发明的优点及有益效果是：

采用传统的热疲劳测试，仅能取得热疲劳寿命和实验温度参数，不能满足现代科学技术要求。本发明不但能提供热疲劳寿命和温度参数，还能提供升样品多个有代表性为主升温曲线和降温曲线及升降温过程中标距段的应变曲线，同时可以进行温度的载荷加载。对研究特殊环境下的材料性能具有重要意义，能够很好的表征材料在特殊环境下的热疲劳性能。

附图说明

图1为热疲劳条件下的横梁加载部分装配示意图。图中，1横梁；2砝码；3试验台；4样品；5万向节连接装置；6支点。

图2为本发明恒应力加载的热疲劳实验装置结构示意图。图中，1横梁；2砝码；3试验台；4样品；5万向节连接装置；6支点；7感应加热部分；8样品冷却单元；9应变测量单元；10数据记录***。

图3为热疲劳条件下的感应加热部分工作原理示意图。

图4为热疲劳条件下的样品冷却单元工作原理示意图。

图5为热疲劳条件下的应变测量单元工作原理示意图。

图6(a)-(b)为热疲劳条件下的样品温度曲线和表面图。其中，图6(a)为样品温度曲线，横坐标为时间(s)，左侧纵坐标为温度(℃)，右侧纵坐标为应变(mm/mm)；图6(b)为样品表面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明横梁加载部分主要包括：横梁1、砝码2、试验台3、万向节连接装置5、支点6和连接件等，具体结构如下：

支点6上设置横梁1，横梁1的一端安装砝码2，横梁1的另一端安装万向节连接装置5，万向节连接装置5与其下方试验台3上的连接件之间安装样品4。其中，横梁1不能产生塑性变形，与样品4连接要有万向节连接装置5保证样品受轴向力，砝码2加载要平稳方便。

如图1-图2所示，本发明恒应力加载的热疲劳实验装置，包括分别与样品4相对应的横梁加载部分、感应加热部分7、样品冷却单元8、应变测量单元9，还包括与应变测量单元9连接的数据记录***10。通过调节砝码2来增加或减少样品4载荷，通过改变感应加热部分7的电源功率来控制样品4加热温度，通过样品冷却单元8对样品4进行冷却，通过应变测量单元9的引伸计来测量样品4表面标距内的热应变，应变测量单元9的实验数据通过数据记录***10记录，供科学研究使用。

如图3所示，本发明感应加热部分主要包括：MTS控制器、温度控制器、热电偶、样品、欧陆温度测量转换表、感应加热电源和制冷机组，采用欧陆温度测量转换表和感应加热电源组成温度加热***，温度加热***还包括感应加热电源冷却水部分、感应加热电源冷却水保护流量开关和热电偶，感应加热电源冷却水部分用于对感应加热电源进行冷却，感应加热电源冷却水部分设置感应加热电源冷却水保护流量开关，热电偶的一端点焊在样品上，热电偶的另一端连接到温度控制器，温度控制器显示温度，并将热电偶信号变换成0～10V信号传送给MTS控制器用于记录数据。同时，通过观察温度控制器的温度，来调节感应加热电源输出功率来控制样品的温度。感应加热电源冷却水部分选用国内生产的3KW制冷机组，感应加热电源冷却水保护流量开关选择直流0～70V开关来控制24V继电器来形成流量保护，感应加热电源冷却水保护流量开关连接于感应加热电源的出水端。MTS控制器为常规技术，MTS控制器为MTS***(中国)公司生产。

如图4所示，本发明样品冷却单元由分压阀、去离子过滤器、多喷口喷嘴、电磁阀、控制单元等连接组成，其工作原理如下：自来水通过分压阀进行流量调节，控制单元将电磁阀导通，自来水经去离子水过滤器进入多喷口喷嘴，多喷口喷嘴向样品喷水冷却。用电磁阀导通时间的长短来控制冷却降低的温度，用电磁阀关闭时间的长短和感应加热功率大小一起控制最高加热的温度。一般喷水时间越长，样品降低的温度越低；关闭时间越长，样品温度越高。

如图5所示，本发明应变测量单元由MTS引伸计(或应变计)、信号调理器、MTS控制器、数据记录***连接组成，在MTS控制器的作用下，MTS引伸计采集的应变信号通过信号调理器，将应变信号变成数字信号后进入数据记录***。从而，能够测量样品标距段内的应变变化，引伸计标距采用50mm，能够测量样品大范围内的变形提高准确率。MTS引伸计测量采用石英杆作为高温应变引出杆，用弹簧拉紧引伸计，稳定可靠调整方便。MTS引伸计和MTS控制器为常规技术，采用MTS***(中国)公司生产。

本发明中，数据记录***采用MTS***(中国)公司生产的MTSFlexTest40控制器，其功能强大，有多种输入输出模块供选择，可以方便的实现模拟和数字信号输入输出。MTSFlexTest40控制器的MPE软件是一款功能多样编程灵活方便的软件，可以编写任意波形加载程序和任何逻辑控制加载数据采集程序。本发明采用MTS***的MPE软件进行编程采集，通过设置MTS控制器模拟信号输入来记录温度参数，0～10V对应0～1200℃，采样速度为5点每秒，可长时间记录数据，采用单独的动态引伸计测量记录单元也是可以的。

本发明试验的具体操作是：

采用MTS疲劳试验机的数据记录***、AMERICATHERM公司的感应加热部分、欧陆温度测量转换表，加工设计恒加载装置。第一步将点焊多个热电偶的热疲劳样品连接在横梁下端，装入加热线圈、多喷口喷嘴等，连接在底座上；连接应变计进行应变测量，加载相应载荷的砝码，设置实验温度，设置喷水时间和喷水压力等参数，开始实验测试并记录数据，完成实验并由实验结果形成实验数据和报告。

根据实际需求，本发明设计制造了一种带水冷、可加载的热疲劳试验装置，包括横梁加载部分、应变测量单元、感应加热部分和样品冷却单元，适于最低温度接近室温时的热疲劳试验。从而，可以对样品进行恒力加载，并测量其在热循环时的变形。

本发明的热疲劳试验装置用于模拟管道受力和热疲劳作用工况下的试验，采用感应加热和喷水冷却相结合，大大加快了试样的降温速度，提高热疲劳试验效率。在热循环的同时进行恒力加载，测量并记录温度和应变随时间变化规律。

实施例

某型号不锈钢管的热疲劳实验，样品尺寸外径20mm，内径15mm，平行段长度40mm，加热温度20℃～400℃，加热时间60秒，冷却时间35秒，输出功率2.3KW。样品温度曲线和表面图片见图6(a)-(b)，从图6(a)可以看出，伴随温度的升高应变增加，温度降低应变减小。从图6(b)可以看出，通过2万次实验后，样品表面形成热裂纹。

实施例结果表明，本发明装置是一种恒应力加载热应变测量的热疲劳实验设备，能够在20℃～800℃温度范围进行带应变测量的热疲劳实验，并为热疲劳实验提供了一种新的实验设计思路和新设备。

Claims (7)

1.一种恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，该装置包括分别与样品相对应的横梁加载部分、感应加热部分、样品冷却单元、应变测量单元，还包括与应变测量单元连接的数据记录***，通过调节砝码来增加或减少样品载荷，通过改变感应加热部分的电源功率来控制样品加热温度，通过样品冷却单元对样品进行冷却，通过应变测量单元的引伸计来测量样品表面标距内的热应变，应变测量单元的实验数据通过数据记录***记录，供科学研究使用；其中，

横梁加载部分包括：横梁、砝码、试验台、万向节连接装置、支点，具体结构如下：支点上设置横梁，横梁的一端安装砝码，横梁的另一端安装万向节连接装置，万向节连接装置与其下方试验台上的连接件之间安装样品。

2.按照权利要求1所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，感应加热部分包括：MTS控制器、温度控制器、热电偶、感应加热电源和感应加热电源冷却水部分，采用欧陆温度测量转换表和感应加热电源组成温度加热***，温度加热***还包括感应加热电源冷却水部分、感应加热电源冷却水保护流量开关和热电偶，感应加热电源冷却水部分用于对感应加热电源进行冷却，感应加热电源冷却水部分设置感应加热电源冷却水保护流量开关，热电偶的一端点焊在样品上，热电偶的另一端连接到温度控制器，温度控制器显示温度，并将热电偶信号变换成0～10V信号传送给MTS控制器记录数据；通过观察温度控制器的温度，来调节感应加热电源输出功率来控制样品的温度。

3.按照权利要求1所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，感应加热电源冷却水部分选用国内生产的3KW制冷机组，感应加热电源冷却水保护流量开关选择直流0～70V开关来控制24V继电器来形成流量保护，感应加热电源冷却水保护流量开关连接于感应加热电源的出水端。

4.按照权利要求1所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，样品冷却单元由分压阀、去离子水过滤器、喷嘴、电磁阀、控制单元组成，自来水通过分压阀进行流量调节，控制单元将电磁阀导通，自来水经去离子水过滤器进入喷嘴，喷嘴向样品喷水冷却；用电磁阀导通时间的长短来控制冷却降低的温度，用电磁阀关闭时间的长短和感应加热功率大小一起控制最高加热的温度；喷水时间越长，样品降低的温度越低；关闭时间越长，样品温度越高。

5.按照权利要求1所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，应变测量单元由MTS引伸计、信号调理器、MTS控制器、数据记录***连接组成，在MTS控制器的作用下，MTS引伸计采集的应变信号通过信号调理器，将应变信号变成数字信号后进入数据记录***。

6.按照权利要求1所述的恒应力加载的热疲劳实验装置，其特征在于，数据记录***采用MTSFlexTest40控制器，实现模拟和数字信号输入输出；采用MTS***的MPE软件进行编程采集，通过设置MTS控制器模拟信号输入来记录温度参数，0～10V对应0～1200℃，采样速度为5点每秒。

7.一种利用权利要求1所述装置的恒应力加载的热疲劳实验方法，其特征在于，具体步骤如下：

将点焊热电偶的热疲劳样品连接在横梁下端，装入加热线圈、喷嘴；连接应变计进行应变测量，加载相应载荷的砝码，设置实验温度，设置喷水时间和喷水压力参数，开始实验测试并记录数据，完成实验并由实验结果形成实验数据和报告。