一种热疲劳试验方法.pdf

垫垫塑壁垒堕二二堑垦坌堕 坚堡婴堑 一种热疲劳试验方法 赵春燕 ( 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 2 8 ) 摘要：试验采用高频感应平面加热方式，利用自行设计的可编程逻辑控制器，控制高频电流的大小、感应加热的速度、上限 加热温度、喷水冷却时间、热疲劳周期等多参数，对灰口铸铁及其表面w C c o 涂层试件实施热疲劳试验，设计了在热疲劳 试件表面用划定单元区域的方法，对单元区域测量热疲劳裂纹数量和长度，累计计算总热疲劳裂纹数量和长度，作为试件 抗热疲劳性能较为定量的判定方法。用此方法判定了灰口铸铁、灰口铸铁表面激光熔敷w c C o 涂层及涂层激光熔敷参数 的不同条件下试件的抗热疲劳性能。 关键词：高频感应加热；可编程逻辑控制器；热疲劳 中图分类号：T G 4 0 5 At h e r m a lf a t i g u et e s tm e t h o d Z h a oC h u n y a n ( M e c h a n i c a lI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n 0 1 0 钉，H a r b i nW e l d i n gI n s t i t u t e ，H a r b i n15 0 0 2 8 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h i se x p e r i m e n t ，h i g h - f k q u e n c yi n d u c t i o np l a n eh e a t i n gm e t h o dw a su s e dt ot e s tt h e 珊a lf a t i g u eo f t h eW C C oc o a t i n go nt h es u r f a c eo ft l e 伊e yc a s ti r o nw i t hs e n d e s 适n e dp m 铲a m m a b l el o g i cc o n t I o U e rb yc o n t m l l i n gt h ep a r a m e t e r so fh i g h f k q u e n c yc u r r e n t ，i n d u c t i o nh e a t i n gs p e e d ，u p p e rl i m i to fh e a t i n gt e m p e m t u r e ， w a t e rc o o l i n gt i m e ，t h e 瑚a 1f a t i g u ec y c l e T h em e t h o do fd e l i m i t i n gu n i ta r e ao nt h es u d a c eo fs p e c i m e nw a sd e - s i g n e d B ym e a s u r i n gt h en u m b e ra I l dl e n 昏ho ft h e 珊a lf a t i g u ec r a c ko nt h eu n i ta L r e a ，a c c u m u l a t i V en u m b e ra n d l e n 殍hw a sa sam o r eq u a n t i t a t i v em e t h o dt oj u d g et h ef a t i g u er e s i s t a n c e T h i sm e t h o dc a nb eu s e d t oj u d g et h e f a t i g u er e s i s t a n c eo fg r e yc a s ti r o na n dl a s e rc l a d d i n gl a y e rW C C oo nt h es u d a c eo ft h eg r e yc a s ti r o nu n d e rd i f f e r e n tl a s e rc l a d d i n gp a r a m e t e r s K e yw O r d s ：h i g h f k q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g ；p r o 铲a m m a b l e1 0 9 i cc o n t r o l l e r ；t h e n n a lf a t i g u e O 前言 冷热疲劳是指材料在交变温度下，由于热应力使 材料损伤以致开裂的现象 I 2 j 。为了研究金属材料的 热疲劳性能，国内外对热疲劳试验方法作了不少研究， 在国内已制定了热作模具钢热疲劳试验的G B T 1 5 8 2 4 _ 2 0 0 8 国家标准，但到目前为止还没有国际上公 认的标准试验方法。因此各家的热疲劳试验设备、试 样形状( 圆柱，圆片等) 、尺寸、加热方式( 流态床、炉中、 火焰、高频等) 、加热温度、速度( 分钟级别、秒级别) 、保 温时间、冷却介质( 水、气体等) 、冷却方式( 喷、吹、浸入 等) 、冷却速度、环境介质( 空气、腐蚀介质、真空等) 、载 荷( 有、无) 、热疲劳损伤的定性( 与裂纹图谱对照) 和定 量( 裂纹数量及长度) 判定等诸方面因素也各不相同。 试验采用了加热速度接近承受热疲劳工件工况条件的 高频感应平面加热方式，利用自行设计的可编程逻辑 控制器，控制感应加热的速度，上限加热温度，喷水冷 却时间，热疲劳周期，疲劳次数计数等多参数，对灰口 2 0 1 6 年第2 期 4 l 万方数据 焊接现场机械制造文摘焊接分册 铸铁及其表面W C C o 涂层试件实施热疲劳试验，同时 设计了划定单元区域，对单元区域测量热疲劳裂纹长 度和数量，累计计算总热疲劳裂纹数量和长度，为试件 抗热疲劳性能较为定量的判定方法。 1 试验条件 1 1 设备 由高频发生器，程序控制器水冷系统组成热疲劳 试验装置，如图1 所示。 黛叠j o 。o 囊翳i 囊攀 m - t ， j 霹僻攀擎” 薄 ? 寤鲞 图1高频发生器，控制器 高频发生器：型号x G 一2 l B ，频率2 0 6 0k H z ，功率 2 5k w ；程序控制器：自行设计；感应圈：纯铜管绕制，外径 卿m m ，内径拍5m m ，匝间距离4m m ；测温仪：B M 8 8 0 C 红外线测温仪；水冷系统：7 5 0w 水泵，水箱4m 3 ；塞尺，卡 尺，探伤液，3 0 6 0 倍放大镜，如图2 所示。 图2 感应圈，喷水嘴。试件 1 。2 试件 0 号试件：为球墨合金铸铁，表面状态如图3 所示， 化学成分见表l 。 图30 号试件表面状态 表1球墨合金铸铁合金成分( 质量分数，) 1 号试件：球墨合金铸铁的表面，用w C - c o 合金粉 末作为涂层材料，表面激光合金化处理，激光熔敷参数 为1 ，合金化层深度1 1m m 左右。表面状态如图4 所 示。 2 号试件：球墨合金铸铁的表面，用w C C o 合金粉 末作为涂层材料，表面激光合金化处理，激光熔敷参数 为2 ，合金化层深度1 1m m 左右。表面状态如图5 所 示。 试件尺寸见表2 。 4 22 0 1 6 年第2 期 图41 号试样表面状态 万方数据 机械制造文摘焊接分册 焊接现场 图52 号试样表面状态 表2 试件尺寸 2 热疲劳试验 2 1 试验程序 试件在感应圈下面，同轴、平行放置。按动启动按 钮，感应圈通过高频电流，产生高频磁场，在试件表面 产生感应涡流，试件表面被定时加热，约达到6 0 0 0 ，感 应电流停止，水泵启动，喷嘴喷水冷却试件表面，定时 停止喷水，完成一个热疲劳周期。继续感应加热，完成 2 0 0 次热疲劳次数。 感应加热深度6 可由经验公式( 1 ) ，( 2 ) 估算： 2 0 时 6 ：罂( 1 ) 彬 8 0 0 时 6 ：辈( 2 ) 遗 式中为频率。 该试验试件加热深度约为2m m 左右。 2 2 试验参数 设定热疲劳试验参数见表3 ，采用表3 的规范参 数，分别对三个试件进行热疲劳试验。 表3 热疲劳试验参数 3 试验结果 3 1 清理表面 首先，用棉球蘸5 0 H c l 水溶液清洗掉试件 表面水垢，再用酒精溶液试件表面冲净干净，热 风吹干。 3 2 显现表面裂纹 用着色探伤液显示出试件表面裂纹。 3 3 绘制方格 在显示出裂纹的三个试件表面，划出大小( 5m m 5m m ) 、数量相等的方格，如图6 8 所示。 图6 画方格的O 号试件热疲劳表面 2 0 1 6 年第2 期 4 3 万方数据 焊接现场 机械制造文摘焊接分册 3 5 测量裂纹 记录每一试件各方格中裂纹的数量，测量裂纹的 长度，将每一试件表面所有方格中裂纹数量和长度分 别累计相加，得出该试件裂纹累计条数和裂纹累计长 度。将每一试件的裂纹累计条数和裂纹累计长度，分 类按数值大小分别排序。条数、长度序号数值小的，即 序号在前，说明该试件抗热疲劳性能佳，反之为差。试 验结果见表4 。 4 分析 根据表4 显示的裂纹累计条数序号和裂纹累计长 度序号，0 号试件的两个序号均为1 ，1 号试样的两个序 号均为2 ，2 号试样的两个序号均为3 ，说明：0 号试样 的抗热疲劳陛优于1 号，2 号，抗热疲劳性最佳；1 号试 件的抗热疲劳性低于0 号试件，优于2 号试件，抗热疲 劳性属中等；2 号抗热疲劳性低于0 号试件、1 号试件， 抗热疲劳性最差。 图7 画方格的1 号试样热疲劳表面 图8 画方格的2 号试样热疲劳表面 表4热疲劳试验后各试件表面裂纹累计条数及裂纹累计长度 5 结论 ( 1 ) 利用高频感应加热设备加热、喷水冷却对 试件进行热疲劳试验，采用自行设计的程序控制 器控制各参数，能够较真实地模拟工件的工况条 件。 ( 2 ) 利用划分方格的方式，记录每一试件各方格中 裂纹的数量，在方格中，用卡尺测量每条裂纹始末端的 距离近似的作为该裂纹的长度，将每一试件表面所有 方格中裂纹条数和长度分别累计相加，得出该试件裂 纹总条数和裂纹总长度，以此较定量判定热疲劳性能 是可行的。 ( 3 ) 对球墨合金铸铁及其表面用W C C o 合金粉末 作为涂层材料，激光表面合金化处理的涂层进行热疲 4 4 2 0 1 6 年第2 期 劳试验数据可靠，对比了母材，母材加涂层及涂层激光 熔敷参数的不同，它们热疲劳性能不同。 参考文献 1 夏鹏成，陈蕴博，葛学元，王淼辉热作模具钢热疲劳性能 的研究现状与发展趋势 J 金属热处理，2 0 0 8 ( 1 2 ) ：1 6 2 刘振华，陈章兰，高博焊接残余应力对船体结构疲劳强 度的影响分析 J 焊接，2 0 1 5 ( 9 ) ：2 5 2 9 收稿日期：2 0 1 6 0 2 1 0 赵春燕简介：1 9 6 3 年出生，大学本科，高级工程师。现从事焊接 材料的研制工作。 万方数据