板状试样的热疲劳试验方法及其系统与流程

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。

技术实现要素：

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。

根据本发明一方面，提供了一种板状试样的热疲劳试验方法，其特征在于包括以下步骤：

采用感应加热线圈对板状试样进行加热，该感应加热线圈沿着该板状试样的长度或宽度方向布置，且与板状试样平行地间隔设置，以在板状试样的厚度方向上形成感应电流回路；

通过冷却系统对板状试样降温；

通过温度采集系统对板状试样进行温度采集并输出试验热冷循环曲线。

根据本发明另一方面，温度采集系统为红外测温仪和/或热电偶，其中红外测温仪不仅对特定点进行温度检测，还对板状试样的平面进行温度检测，其中，冷却系统实现对试验温度下限的控制。

根据本发明又一方面，冷却系统的冷却方式不仅具有热疲劳试验单一淬水冷却，还包括通过冷却气体进行冷却，进而实现对冷却速度的控制。

根据本发明又一方面，红外测温仪监测到的温度分布用于后续板状试样模拟仿真的温度场输入和机器学的数据库建立，还作为板状试样的温度-应力模拟仿真的验证。

根据本发明又一方面，冷却方式包括采用浇淋冷却液对板状试样进行冷却，以及使用不同冷却气体对板状试样进行冷却，其中，气体的流量流速可控，配合温度采集系统进而实现不同温度下限及不同冷却速度的热疲劳试验。

根据本发明又一方面，冷却气体为惰性气体，将板状试样置于防护罩内进行惰性气体保护，避免板状试样在试验过程中的氧化。

根据本发明又一方面，改变冷却系统的冷却方式来调节冷却速度，通过控制器控制实现试验的自动运行。

根据本发明又一方面，所述板状试样带有缺口和/或裂纹。

根据本发明又一方面，一种实现上述方法的板状试样热疲劳试验系统，其特征在于包括：感应加热线圈，用于对板状试样进行加热，该感应加热线圈沿着该板状试样的长度或宽度方向布置，且与板状试样平行地间隔设置，以在板状试样的厚度方向上形成感应电流回路；冷却系统，用于对板状试样降温；以及温度采集系统，用于对板状试样进行温度采集并输出试验热冷循环曲线。

本发明的有益效果在于：本发明实现了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。

附图说明：

图1是根据本发明优选实施例的实验装备示意图。

图2是现有技术中感应加热方式产生的感应电流示意图。

图3是根据本发明优选实施例的感应加热感应电流示意图。

图4是根据本发明优选实施例的加热线圈与试样的放置位置示意图，线圈与试样相对为左右位置。

图5是根据本发明优选实施例的加热线圈与试样的放置位置示意图，线圈与试样相对为上下位置。

图6是根据本发明优选实施例的螺旋加热线圈示意图，本图为整个线圈示意图；同样也可采用多个感应回路，则本图可对应整个感应线圈中包括的一个圆圈。

图7是根据本发明优选实施例的水平弯曲线圈示意图，本图为整个线圈示意图；同样也可采用多个感应回路，则本图可对应整个感应线圈中包括的一个圆圈。

图8是根据本发明优选实施例的垂直弯曲线圈示意图，本图为整个线圈示意图；同样也可采用多个感应回路，则本图可对应整个感应线圈中包括的一个圆圈。

图9是根据本发明优选实施例的螺旋回形线圈示意图，本图为整个线圈示意图；同样也可采用多个感应回路，则本图可对应整个感应线圈中包括的一个圆圈。

具体实施方式

下面结合附图，通过优选实施例来描述本发明的最佳实施方式，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

优选地，一种板状试样的热疲劳试验方法，其特征在于包括以下步骤：

采用感应加热线圈对板状试样进行加热，该感应加热线圈沿着该板状试样的长度或宽度方向布置，且与板状试样平行地间隔设置，以在板状试样的厚度方向上形成感应电流回路；

通过冷却系统对板状试样降温；

通过温度采集系统对板状试样进行温度采集并输出试验热冷循环曲线。

优选地，温度采集系统为红外测温仪和/或热电偶，其中红外测温仪不仅对特定点进行温度检测，还对板状试样的平面进行温度检测，其中，冷却系统实现对试验温度下限的控制。

优选地，冷却系统的冷却方式不仅具有热疲劳试验单一淬水冷却，还包括通过冷却气体进行冷却，进而实现对冷却速度的控制。

优选地，红外测温仪监测到的温度分布用于后续板状试样模拟仿真的温度场输入和机器学的数据库建立，还作为板状试样的温度-应力模拟仿真的验证。

优选地，冷却方式包括采用浇淋冷却液对板状试样进行冷却，以及使用不同冷却气体对板状试样进行冷却，其中，气体的流量流速可控，配合温度采集系统进而实现不同温度下限及不同冷却速度的热疲劳试验。

优选地，冷却气体为惰性气体，将板状试样置于防护罩内进行惰性气体保护，避免板状试样在试验过程中的氧化。

优选地，改变冷却系统的冷却方式来调节冷却速度，通过控制器控制实现试验的自动运行。

优选地，所述板状试样带有缺口和/或裂纹。

优选地，一种实现上述方法的板状试样热疲劳试验系统，其特征在于包括：感应加热线圈，用于对板状试样进行加热，该感应加热线圈沿着该板状试样的长度或宽度方向布置，且与板状试样平行地间隔设置，以在板状试样的厚度方向上形成感应电流回路；冷却系统，用于对板状试样降温；以及温度采集系统，用于对板状试样进行温度采集并输出试验热冷循环曲线。

本发明的有益效果在于：本发明实现了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。

实施例2

优选地，本发明提供了一种特殊的加热相对位置，本试验中的加热线圈与试样的放置位置为平行放置如示意图4、图5所示，其中圆形为感应导线截面，该截面形状可根据实际效果和试验需求改变为方形或其他形状，正视图如图6、图7、图8、图9所示，板状试样与线圈距离可控。

优选地，均匀加热带有缺口和裂纹的板状试样的技术原理为：传统感应加热将试样至于交变感应线圈内，当线圈中通过交变电流引发磁场变化会在试样内产生感应电流，感应电流示意图如图2所示，感应电流会在缺口和裂纹位置集聚，进而使缺口处和裂纹位置的电流密度高于其他位置，电磁热与感应电流的平方成正比，所以缺口和裂纹位置的温度会高于其他位置，使缺口和裂纹缺位置温度过高，导致试样不能均匀加热。本发明为避免这一现象的发生，改变试件与感应线圈位置，使试样厚度方向平面与感应线圈平行，此时试样内部的感应电流回路将会放生改变，此时感应电流示意图如图3所示，此时则感应电流会在厚度方向形成回路(本发明中的厚度方向特指图3中示出的电流回路方向)，该感应电流不会受到缺口和裂纹的影响。

优选地，多种冷却气体的冷却方式，通过控制气体的流量及流速控制试样的冷却速度；特定的热疲劳感应加热线圈形状如图6、图7、图8、图9所示，该特定线圈包括通过对图中所示线圈基于常识进行简单形状改变演变而成的线圈结构，以及改变线圈的致密程度均属于本专利的保护范围。

优选地，热电偶点温度采集及红外测温仪点温度双温度采集反馈系统，温度反馈为实时采集反馈，配合温度控制模块实现对试验温度的精确控制。

优选地，还提供了一种快速感应加热板状热疲劳试验方法，其特征在于：该方法采用感应加热的方法可实现对板状热疲劳试样进行快速加热，通过改变冷却形式来调节冷速度，同时采用温度采集系统对试样进行温度采集并可以输出试验热循环曲线，通过控制器控制实现试验的自动运行。

优选地，该方法的温度采集为红外测温仪和热电偶双采集系统可根据不同的试验需求进行选择，其中红外测温系统不仅可对特定点进行温度检测，还可利用红外热成像仪对试样平面进行温度检测，结合冷却方式实现对试验温度下限的控制。

优选地，该方法的冷却方式不仅具有热疲劳试验单一淬水冷却，还可选择其他冷却气体进行试验，进而实现对冷却速度的控制。

优选地，该方法的热红外成像仪监测到的温度分布可用于后续热疲劳试样模拟仿真的温度场输入和机器学的数据库建立，还可作为疲劳试验试样的温度-应力模拟仿真的验证。

优选地，该方法的冷却方式除了采用使用浇淋冷却液对试样进行冷却，还可使用不同气体对试验进行冷却，气体的流量、流速可控，配合温度反馈系统进而可实现不同温度下限及不同冷却速度的热疲劳试验。

优选地，该方法的气体冷却方式可使用惰性气体，将试样置于防护罩内进行气体保护，实现避免试样在实验过程中的氧化。

实施例3

水冷方式板状试样热疲劳试验

实验前将热电偶焊在试样上，然后将固定在实验台上，通过试验台调节试样与感应线圈的相对位置与距离；将红外温度仪对准试样缺口附近用于检测试样温度，同时调整红外热成像仪对试样缺口平面进行温度采集，开启实验设备，将冷却方式设置为水冷方式，并调节冷却水出水口与试样的位置、冷却水流量及流速(水流或水雾)，设置试验温度上下限及相应时间进行实验，根据实验需求在相应次数停止试样进行相应的观察分析。

实施例4

气冷方式板状试样热疲劳试验

实验前将热电偶焊在试样上，然后将固定在实验台上，通过试验台调节试样与感应线圈的相对位置与距离；将红外温度仪对准试样缺口附近用于检测试样温度，同时调整红外热成像仪对试样缺口平面进行温度采集，开启实验设备，将冷却方式设置为气冷方式，并调节冷却气体出气口与试样的相对位置、气体流速及气体流量，设置试验温度上下限及相应时间进行实验，根据实验需求在相应次数停止试样进行相应的观察分析。

本发明的有益效果在于：本发明实现了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。

在本说明书的描述中,参考术语“一种线圈”、“一种冷却方式”、“示意性实施例”、“相对位置”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。