[发明专利]板状试样的热疲劳试验方法及其系统

说明书

感应加热是材料热疲劳试验的一种加热形式，它要求实现试验件的快速加热，且保证非接触加热形式，但目前现有的基于感应加热的方法在裂纹缺口处感应电流产生聚集，电磁热与感应电流的平方成正比，进而导致在试样的缺口和裂纹处局部温度过高，导致热疲劳试验失败。目前现有感应加热的热疲劳试验方法仅适用于圆柱型或者近似圆柱型试样的热疲劳试验，感应加热还没有应用在板状热疲劳试验，本文设计来了一种新型感应线圈应用于板状热疲劳试样，可实现对带有缺口和裂纹的板状试样的均匀加热及实时温度采集与控制，更精确的完成板状试样的热疲劳试验，除此之外还可对零件进行局部感应加热。

技术领域

本发明属于材料测试方法领域，涉及一种板状试样的热疲劳试验方法及其系统，尤其是利用电磁感应快速加热的板状试样热疲劳试验及大型零件局部热疲劳试验的试验方法，该方法适用于各种金属材料热疲劳性能测试及航空航天发动机、交通运输制动盘等服役过程中经受循环温度加载的热疲劳性能测试。

背景技术

热疲劳是指当材料经历循环温度变化时，其在加热过程中受热膨胀材料内部会受到压应力，除此之外，材料表面和内部的温度梯度应力，随着温度升高材料局部应力超过其屈服强度进而长生局部塑性变形，当材料解热接受冷却时，体积收缩，由于原来的塑性变形不可逆进而会使材料产生残余压应力，该应力同样会造成材料的局部塑性变形，经过循环加热冷却最终材料断裂破坏。

热疲劳广泛存在与航空航天、交通运输等存在高温的设备中。举例说明：(1)航空航天发动机涡轮叶片和涡轮盘长期处于高温高压、复杂载荷以及环境腐蚀等恶劣工况下,一旦发生疲劳破坏将会带来严重的后果。所以在材料选择设计及研发阶段，需要对材料的热疲劳性能进行测试，本方法可实现热疲劳试验中的快速加热到高温，降低试验周期。(2)各种列车、高铁、汽车及货车的制动盘在服役过程中会受到循环温度的加载，尤其是高速列车的制动盘材料，在制动过程中最高温度可达到750℃甚至更早，最低温度根据季节变化在-30℃-30℃范围内变化，在如此大的热循环加载条件下服役致使制动盘的失效主要模式为热疲劳失效，因此材料的热疲劳性能测试试验日益引起相关学者的关注，热疲劳试验研究亟需从定向研究到定量研究，同时也需要尽最大可能缩短热疲劳性能测试周期。

目前现有的热疲劳试验方法的加热方式主要包括电阻炉加热和感应加热，其中炉中加热试讲炉内设定温度值，然后将热疲劳试验置于炉内，通过炉内热辐射对试验加热，将炉内温度作为试验温度或高于试验温度一定值进行标定，不能直接根据试样温度进行温度调节，实验精确度低，因为试样在加热过程处于炉内高温环境内，无法使用红外热成像仪对试样面温度进行实时采集。其优点是可针对各种形状尺寸的试样进行试验；缺点是加热速度不可控，不仅受设定温度值影响还与试验大小尺寸有关，试验过程的无温度循环记录。目前的感应加热的热疲劳试验方法虽然可实现试验的快速试验，但是对试验的形状尺寸有要求：试验形状为圆柱状或者近似圆柱状，除此之外由于肌肤效应，使试样表面与内部形成温度差，只可定性研究热疲劳性能。此外，目前现有的基于感应加热的方法在裂纹缺口处感应电流产生聚集，电磁热与感应电流的的平方成正比，进而导致在试样的缺口和裂纹处局部温度过高，导致热疲劳试验失败。目前现有感应加热的热疲劳试验方法仅适用于圆柱型或者近似圆柱型试样的热疲劳试验，感应加热还无法应用在板状热疲劳试验。

综上所述，目前还没有针对板状热疲劳试验的感应加热的热疲劳试验方法。而本方法不仅可实现对板状热疲劳试验的快速加热，降低热疲劳性能测试周期，还可以精确控制试验温度，使研究人员能够更精确地进行的热疲劳试验研究。

发明内容

本发明旨在解决现有试验技术难题，实现板状感应热疲劳试验并降低试验周期和提高试验控温准确性，增加试验与实际工况的匹配性，为热疲劳机理研究提供精确的试验方法。为此本发明一个目的是提出一种快速感应加热板状热疲劳试验方法，该方法实现了对板状热疲劳试样的感应均匀加热，并且不受热疲劳缺口和裂纹的影响，还可精确控制热疲劳试样的温度循环，不仅能够采集试验一维点温度，还可实现对试样二维面温度的采集，增加热疲劳试验的可重复性与准确性。