高转速-高温作用下材料力学性能的高通量测试方法

本发明涉及金属材料力学性能测试领域的一种材料性能测试方法，尤其涉及一种在高转速-高温作用下金属材料力学性能的高通量测试方法。

背景技术：

1、国家标准gb/t 38822-2020《金属材料蠕变-疲劳试验方法》和gb/t6825.1-2008《静单轴试验机的检验第1部分：拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准》等均规定金属材料力学性能的测试方法，一方面这些标准规定的测试环境均为1g(g＝9.8m/s2)，可以满足金属材料本身力学性能的研究，另一方面，这些测试标准一次只能测试一种条件下的材料力学性能，测试效率低，成本高。然而，随着材料基因组计划和两机专项的实施，以及涡轮推进系统，如航空发动机、航天发动机、工业和舰艇用燃气轮机、汽车和火车用涡轮增压器等动力系统的关键部件，如压气机叶片、风扇叶片、涡轮工作叶片等研发任务的迫切性，尤其这些系统部件材料在正常工作时均处于高速旋转状态，即服役环境通常为离心超重力环境。

技术实现思路

1、针对目前1g下金属材料静态力学性能测试的不足，针对目前没有适合高转速-高温作用下金属材料力学性能测试过程中的原位加热装置及智能控温技术，以及新材料研发对金属材料高通量力学性能测试的迫切需求，本发明提供了一种适合高转速-高温作用下金属材料高通量力学性能测试方法，解决目前金属材料力学性能测试效率低、成本高的问题，是可在高速旋转环境下给金属材料施加原位加热的装置以及智能控温度、及其金属材料力学性能的高通量测试方法。

2、本发明所述的高转速环境下金属材料原位加热是指在金属材料或部件力学性能测试过程中，高速旋转的测试材料或部件始终处于原位加热状态，直至测试结束。

3、本发明所述的高温是指实验时施加给试样指定区域的加热温度不低于500℃，且原位加热持续的时间不低于测试时间。

4、本发明所述的高转速是指实验时离心机的最高转速不低于5000转/min。

5、本发明所述的高通量是指单次实验测试材料(1)在温度相同的条件下，应力状态不低于10种；(2)在应力梯度保持不变的情况下，温度不少于5种。

6、本发明采用的技术方案：

7、第一步：根据实验条件确定离心机的主轴转速和轮盘半径；

8、第二步：确定测试试样中质量块的尺寸和重量、标距段的尺寸和几何中心；

9、第三步：确定试验温度和标距段几何中心施加的离心应力，进而确定标距段的几何中心的离心应力对应的转速；

10、第四步：将测试试样安装在样品卡盘的卡槽中，并确定标距段几何中心到离心机的主轴中心之间的距离；

11、第五步：在测试试样的标距段几何中心位置固定上控温热电偶；

12、在测试试样的标距段几何中心位置固定应变片，将应变片经应变片延长导线接入数据采集模块；

13、第六步：启动感应加热系统、循环水冷却系统和控温系统，通过控温系统控制感应加热系统、循环水冷却系统工作对测试试样施加温度载荷；

14、第七步：当温度到达设定温度后，启动离心机，使离心机的主轴旋转且转速达到设定转速条件；

15、第八步：保持温度和转速不变，直到测试试样被拉断断裂；

16、从离心机的主轴开始旋转到测试试样被拉断断裂之间的过程中，通过控温热电偶和应变片实时采集温度变化和应力变化的数据，作为高通量测试的数据，获取材料高通量力学性能测试过程中的温度-时间、应变-时间曲线；

17、第九步：在测试试样被拉断断裂后，关闭感应加热系统和控温系统，离心机停电，测试试样空冷至常温。

18、所述第六步中，启动感应加热系统对测试试样施加温度载荷，具体为按照均温加热模式施加一个恒定且均匀的温度场、按照周期性变化的交变温加热模式施加一个周期性变化的交变温度场、按照温度梯度的加热模式施加一个固定范围的且具有梯度变化的温度场。

19、所述第七步中，启动离心机使离心机的主轴旋转，具体是为调整转速使得测试试样不同位置沿离心力方向被施加不同的离心拉应力，或者测试试样不同位置沿离心力方向被施加恒定的应力σi载荷。

20、所述第七步中，启动离心机，使离心机的主轴旋转且转速达到离心应力对应的固定转速。

21、方法采用高通量测试装置，装置包括样品卡盘、感应加热系统、循环水冷却系统和控温系统；所述的样品卡盘同轴安装在离心机的主轴上且随离心机的主轴同步旋转，所述的样品卡盘上安装测试试样，感应加热系统同轴安装在离心机上且不随离心机的主轴旋转，感应加热系统和循环水冷却系统连接，控温系统分别和循环水冷却系统、测试试样连接。

22、所述的样品卡盘包括盘体、卡槽和法兰，盘体中心的两端同轴安装有法兰，盘体通过法兰和离心机的主轴同轴固定连接，盘体周围沿周向开设有多个卡槽，多个卡槽沿周向间隔布置，每个卡槽用于安装一个测试试样。

23、所述的测试试样呈条状，包括依次衔接的质量块、标矩段、承力段和装配榫头，质量块、标矩段、承力段和装配榫头均沿测试试样的条状依次布置，装配榫头嵌装在样品卡盘的卡槽中。

24、所述的感应加热系统包括上感应线圈、上固定板、下感应线圈和下固定板；上固定板和下固定板分别上下间隔平行地固定布置，上固定板和下固定板之间的间隔中布置样品卡盘；环形的上感应线圈和下感应线圈分别通过上感应线圈绝缘层、下感应线圈绝缘层固定在上固定板的底面和下固定板和顶面。

25、所述的循环水冷却系统包括设置在感应加热系统中的管道组件以及流通进水管、流通出水管、正电极、内绝缘套、金属套管、负电极、铜管、绝缘压套、固定法兰、绝缘压套、压紧圆螺母、密封件、电极绝缘压套、外接出水管、外接正电极板、外接进水管和外接负电极板；铜管外套装有用于和金属套管绝缘的绝缘压套，绝缘压套外套装有金属套管；金属套管中部通过绝缘压套和轴用密封圈密封套装在固定法兰的中心孔中，固定法兰固定于离心机的实验腔盖上，铜管、绝缘压套和金属套管的两端分别通过内绝缘套和密封件固定密封安装；铜管一端穿过内绝缘套后和流通出水管同轴对接，且在铜管一端穿过内绝缘套后的端部设置正电极；外接正电极板通过电极绝缘压套和铜管电连接，使得正电极直接经铜管后和外接正电极板电连接；铜管另一端和外接出水管对接，使得流通出水管直接经铜管和外接出水管流通；绝缘压套和金属套管之间具有环形管道间隙用于作为进水通道，进水通道一端经金属管道和流通进水管连通连接，流通进水管在端部附近设置负电极；外接负电极板通过压紧圆螺母和金属套管电连接，使得负电极依次经金属管道、金属套管后和外接负电极板电连接；金属套管在连接密封件的的一端管壁开设有通槽，通槽和外接进水管流通连接，使得流通进水管依次经金属管道、进水通道、通槽后和外接进水管流通；

26、所述的管道组件包括加热进水管、进水管密封套、加热出水管和出水管密封套；加热进水管、加热出水管的一端分别经进水管密封套、出水管密封套和流通进水管、流通出水管连接，加热进水管和加热出水管的另一端分别连通到感应加热系统中的上感应线圈和下感应线圈所在的内腔环境中，上感应线圈和下感应线圈所在的内腔环境相互连通。

27、所述的控温系统包括热电偶、热电偶延长线、高速滑环、数据采集模块、数据转换传输模块和高频交流电源柜；所述的感应加热系统的上感应线圈和下感应线圈所正对应的测试试样表面上均固定设有热电偶，热电偶经热电偶延长线、高速滑环和数据采集模块连接，数据采集模块经数据转换传输模块和高频交流电源柜通信连接、高频交流电源柜和循环水冷却系统的外接正电极板、外接负电极板电连接。

28、本发明的有益效果是：

29、(1)目前常规实验室性能测试，一次只能测试一个条件下的材料力学性能，测试效率低，本发明将提供一次可以同时测试一种材料多种条件下的材料力学性能，极大地提高了材料性能测试的效率；

30、(2)目前常规实验室性能测试，一次只能测试一个条件下、一种材料的力学性能，本发明将提供一次可以同时测试一种条件下、多种材料的材料力学性能，极大地方便了在同一测试条件下不同材料的力学性能的对比试验。