专利名称：一种热机械疲劳实验的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种对材料样品进行热机械疲劳实验的装置和方法。
背景技术：
热机械疲劳是指同时存在机械载荷循环与温度循环条件下的疲劳行为，通常机械 循环载荷与温度循环具有不同的相位。现有的热机械疲劳试验设备基本由轴向、轴扭双向 液压伺服疲劳试验机结合加热、冷却装置来实现。虽然液压伺服疲劳试验机的机械频率可 达100Hz，但对于温度循环，由于对样品进行整体加热，冷却主要依靠气体强制对流冷却，冷 却速度较低。因此决定了实验过程的温度循环频率较低。目前，这类热机械疲劳实验频率 主要都在0. 1-0. 01Hz范围内变化。除此之外，液压伺服疲劳试验机本身结构复杂，能耗较 高。因此，目前采用这种装置进行的热机械疲劳实验基本上进行的是低周疲劳实验，而不能 进行高周或超高周疲劳试验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中设备复杂、能耗高、升温降温 周期长的限制，从而提供了一种结构简单、低能耗、快速升降温、能进行高周或者超高周疲 劳试验的热机械疲劳实验装置，以及利用该装置进行疲劳试验的方法。本发明的技术方案为一种热机械疲劳实验的装置，其特征在于包括旋转弯曲疲劳加载装置和对样品 施加热载荷的加热装置。进一步，所述的加热装置为激光源与聚焦镜头，或交流电源与感应线圈。进一步，所述的加热装置的加热端设置在样品测试段附近，对样品的测试段表面 局部区域进行加热。进一步，所述的加热装置还包括对样品测试段进行整体加热的装置。进一步，还包括测温装置，所述测温装置能够测量样品的表面温度并将测得的温 度反馈到加热装置，以实现对样品的表面温度的精确控制。进一步，还包括实验气体控制装置，该装置包括气源和气体喷嘴，气源内贮存的环 境气体经过气体喷嘴喷射到样品表面，以改变样品所处的气体环境。进一步，所述的加热装置的加热端相对于样品可以从不同的角度进行设置，以改 变机械载荷与热载荷之间的相位差。进一步，气体喷嘴相对于样品可以从不同的角度进行设置。一种热机械疲劳实验的方法，其特征在于包含以下步骤1)将样品设置到旋转弯曲疲劳机主体的旋转轴上；2)在样品加载端施加弯矩以控制样品承受的机械载荷幅值；3)通过调整旋转弯曲疲劳机主体的旋转轴的转速改变样品所受机械载荷的频 率；
3
4)通过改变加热装置的加热端相对样品表面的设置位置以控制样品所受机械载 荷波形与温度载荷波形之间的相位差；5)打开气体喷嘴使样品的表面处于试验所需的气体环境下；6)打开加热装置对样品表面进行加热；7)通过测温装置测得样品的表面最高温度，并反馈控制加热装置的输出功率以达 到试验所需施加的温度波形极大值；8)继续进行试验直到样品疲劳破坏，记录断裂周次并保存断裂的样品。本发明利用旋转弯曲疲劳加载装置对样品施加机械弯矩，从而控制样品表面的载 荷幅值。通过旋转轴转速来控制样品表面机械载荷正弦波的频率。利用加热装置对样品表 面微区进行加热，被加热的微区随后利用材料自身热传导进行快速的冷却，从而实现与机 械载荷波形同频率的温度波形的控制。本发明利用测温装置对样品表面的温度进行测量， 并反馈控制加热装置的输出功率而实现对温度波形极值的控制。通过加热装置的加热端布 置在样品试验段圆周的不同角度可以控制机械载荷波形与温度波形之间的相位差。加热端 轴线与竖直方向沿旋转方向的夹角基本等于机械载荷与温度波形之间的相位差，根据测温 装置测量获得的温度分布进一步调整该夹角可实现对机械载荷与温度波形之间相位差的 精确控制。本发明的优点在于本发明结合旋转弯曲实验机与快速加热技术，保证了对材料 疲劳样品的载荷波形、温度波形、载荷与温度场波形之间相位差的精确控制。这样可以对样 品进行不同载荷幅值、不同温度范围、不同载荷与温度相位差、不同气体环境下的热机械疲 劳实验。由于加热区域较小，热传导升、降温速率较快，保证了样品的升降温循环可以在较 短的周期内完成，从而可用于高周和超高周的热机械疲劳实验。尤其适合用于内燃发动机 的热机械疲劳行为模拟。
图1是实施例1中的热机械疲劳实验装置的结构示意图；图2是实施例1的样品加热装置设置位置的左视示意图，样品轴线垂直于纸面；图3是实施例2中热机械疲劳实验装置的结构示意图；图4是实施例2的样品加热装置设置位置的左视示意图，样品轴线垂直于纸面；图面说明1、连续激光光源，2、光纤，3、聚焦镜头，4、红外测温装置，5a、旋转弯曲疲劳机主 体，5b、砝码，6、疲劳样品，7、气源，8、气体喷嘴，9、交流电源，10、导线，11、感应线圈。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。如图1所示的装置，该试验装置包括旋转弯曲疲劳机主体、旋转弯曲疲劳加载装 置和对样品施加热载荷的加热装置、温度测量装置、气体控制装置。实施例1 如图1所示的装置，加载装置为砝码5b ；样品6设置在旋转弯曲疲劳机主体5a的 旋转轴上，在样品另一端由砝码5b提供机械加载。加热装置包括，激光光源1，聚焦镜头2，也可以包括对实验样品整体加热的加热装置(图中未显示)。连续激光光源1发出的激光 通过光纤2的传递，再由聚焦镜头3聚焦在样品6的表面上，对样品6表面进行加热，在需 要对试验样品整体加热时，可启动整体加热装置对样品进行加热。温度测量装置为红外测 温装置，也可以采用其它可精确测量温度的测温装置。样品加热点的温度由温度测量装置 4进行测量，并将测量到的温度反馈回加热装置中，以保证在试验的全过程对样品加热温度 进行精确控制。试验装置还包括实验气体控制装置，该装置包括气源和气体喷嘴，气源7内 贮存试验所需的环境气体，在试验过程中，气源内所储存的环境气体经过气体喷嘴8喷射 到样品表面，实现对热机械疲劳试验过程中的环境气氛控制。如图2所示，聚焦镜头3和气体喷嘴8相对于样品6可以从不同的角度进行设置。 其数量也可以根据实验需要进行调整。聚焦镜头3发出的激光可以是点光源，也可以是片 光源，根据预先设定的模拟温度波型而选用。如图1所示，通过调整旋转弯曲疲劳机主体5a旋转轴转速，可以改变样品6所受 机械载荷的频率。通过调整砝码5b的质量，可以改变样品6所受机械载荷的幅值。通过调 整连续激光光源1功率，可以改变样品6所受热载荷的温度范围。根据反馈的红外测温装 置4测量得到的样品表面温度，调整连续激光光源1的输出功率，可实现样品温度循环的精 确控制。通过调整聚焦镜头3相对于样品6的角度，可以改变机械载荷与热载荷之间的相 位差。例如聚焦镜头3设置于样品6的受拉侧则为同相位；聚焦镜头3设置于样品6的 受压侧则为反相位。通过气源7，可以为疲劳实验提供不同的气体环境。例如需要防止 样品氧化时，可选择通氩气，；模拟氧化性环境时，可选择通氧气。利用本实施例的热机械疲劳试验装置进行试验的方法如下1)将加工好的样品设置到旋转弯曲疲劳机主体5a的旋转轴上；2)在样品6加载端设置砝码以控制样品表面机械载荷的幅值；3)通过调整旋转弯曲疲劳机主体5a的旋转轴的转速改变样品6所受机械载荷的 频率；4)调整聚集镜头3相对于样品6的设置角度到所需控制的机械载荷波形与温度载 荷波形之间的相位差；5)打开气体喷嘴8使样品6的表面处于试验所需的气体环境下；6)打开连续激光光源1，使其发出的激光通过光纤2传递，再由聚焦镜头3聚焦在 样品6的表面进行加热；7)通过红外测温装置4测得样品6的表面最高温度，控制连续激光光源1的输出 功率以控制达到试验所需施加的温度波形极大值；8)继续进行试验直到样品疲劳破坏，记录断裂周次并保存断裂的样品。实施例2 如图3中所示的装置，样品6设置在旋转弯曲疲劳机主体5a的旋转轴上，在样品 另一端由砝码5b提供机械加载。本实施例中，加热装置为交流电源与感应线圈；交流电源 9通过导线10连接到感应线圈11，感应线圈11产生高频电磁场在样品6的表面/亚表面 激发感应电流，这样对样品表面进行加热。样品加热点的温度由红外测温装置4进行测量。 气源7贮存的环境气体经过气体喷嘴8喷射到样品表面实现对热机械疲劳过程的环境气氛 控制。
如图4所示，感应线圈11和气体喷嘴8相对于样品6可以从不同的角度进行设置。 其数量也可以根据实验需要进行调整。对如图3所示的装置，通过旋转弯曲疲劳机主体5a转速的调整可以改变样品6所 受机械载荷的频率。通过调整砝码5b的质量，可以改变样品6所受机械载荷的幅值。通过 调整交流电源9功率，可以改变样品6所受热载荷的温度范围。根据反馈的红外测温装置4 测量得到的样品表面温度，调整交流电源9的输出功率，可实现样品温度循环的精确控制。 通过调整感应线圈11相对于样品6的角度可以改变机械载荷与热载荷之间的相位差。例 如感应线圈11设置于样品6的受拉侧则为同相位；感应线圈11设置于样品6的受压侧 则为反相位。通过气源7，可以为疲劳试验提供不同的气体环境。例如需要防止样品氧化 时，可选择通氩气；模拟氧化性环境时，可选择通氧气。利用本实施例的热机械疲劳试验装置进行试验的方法如下1)加工好的样品设置到旋转弯曲疲劳机主体5a的旋转轴上；2)在样品6加载端设置砝码以控制样品表面机械载荷的幅值；3)通过调整旋转弯曲疲劳机主体5a的旋转轴的转速改变样品6所受机械载荷的 频率；4)调整感应线圈11相对于样品6的设置角度到所需控制的机械载荷波形与温度 载荷波形之间的相位差；5)打开气体喷嘴8使样品6的表面处于试验所需的气体环境下；6)打开通过导线10连接到感应线圈11上的交流电源9，感应线圈11产生的电磁 场在样品6的表面激发感应电流，对样品表面进行加热；7)通过红外测温装置4测得的样品6表面最高温度，控制交流电源9的输出功率 以控制达到试验所需的施加的温度波形极大值；8)继续进行试验直到样品疲劳破坏，记录断裂周次并保存断裂的样品。以上介绍的是本发明的几个实施例。然而，应该理解的是，在不悖离本发明的精神 和范围的前提下，可以进行各种修改，例如其他可对试样加载的装置以及可对试样表面或 整体加热的装置也可以应用在本发明中，例如火焰喷枪等。可根据试样的具体情况来选择 加载装置和加热装置的种类。因此，其他实施例涵盖在随附的权利要求范围中。
权利要求
一种热机械疲劳实验的装置，其特征在于包括旋转弯曲疲劳加载装置和对样品施加热载荷的加热装置。
2.根据权利要求1所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于所述的加热装置为激 光源与聚焦镜头，或交流电源与感应线圈。
3.根据权利要求1所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于所述的加热装置的加 热端设置在样品测试段附近，对样品的测试段表面局部区域进行加热。
4.根据权利要求1所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于所述的加热装置还包 括对样品测试段进行整体加热的装置。
5.根据权利要求1或2所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于还包括测温装置， 所述测温装置能够测量样品的表面温度并将测得的温度反馈到加热装置，以实现对样品的 表面温度的精确控制。
6.根据权利要求1或2所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于还包括实验气体 控制装置，该装置包括气源和气体喷嘴，气源内贮存的环境气体经过气体喷嘴喷射到样品 表面，以改变样品所处的气体环境。
7.根据权利要求2所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于 所述的加热装置的加 热端相对于样品可以从不同的角度进行设置，以改变机械载荷与热载荷之间的相位差。
8.根据权利要求6所述的热机械疲劳实验的装置，其特征在于气体喷嘴相对于样品 可以从不同的角度进行设置。
9.一种热机械疲劳实验的方法，其特征在于包含以下步骤1)将样品设置到旋转弯曲疲劳机主体的旋转轴上；2)在样品加载端施加弯矩以控制样品承受的机械载荷幅值；3)通过调整旋转弯曲疲劳机主体的旋转轴的转速改变样品所受机械载荷的频率；4)通过改变加热装置的加热端相对样品表面的设置位置以控制样品所受机械载荷波 形与温度载荷波形之间的相位差；5)打开气体喷嘴使样品的表面处于试验所需的气体环境下；6)打开加热装置对样品表面进行加热；7)通过测温装置测得样品的表面最高温度，并反馈控制加热装置的输出功率以达到试 验所需施加的温度波形极大值；8)继续进行试验直到样品疲劳破坏，记录断裂周次并保存断裂的样品。
全文摘要
本发明涉及一种热机械疲劳实验的装置和方法。该装置包括一旋转弯曲疲劳加载装置；还包括向疲劳样品提供温度载荷的加热装置；还包括控制样品表面气体环境的装置及测温装置。本发明结合现有的旋转弯曲疲劳和高速加热的装置和方法，保证了样品在旋转弯曲疲劳加载的条件下，受到不同相位差的温度载荷作用。疲劳样品的机械载荷由旋转弯曲加载装置施加和控制，温度载荷由加热装置以及测温装置施加和控制，温度波形与机械载荷波形的相位差由加热装置的加热端数量与位置来控制。本发明的热机械疲劳实验装置结构简单、低能耗、能实现快速升降温以及机械载荷波形与温度波形的精确的相位差控制。
文档编号G01N3/34GK101876611SQ20091023747
公开日2010年11月3日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者武晓东, 洪友士, 谢季佳, 赵爱国 申请人:中国科学院力学研究所