本實用新型涉及材料測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型多工位材料熱疲勞性能測試裝置。

背景技術(shù)：

當工件或材料經(jīng)受周期性的快速加熱和快速冷卻時，因其自由膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致材料表面龜裂而破壞的現(xiàn)象稱為熱疲勞。

熱疲勞損傷廣泛存在于高溫設(shè)備、熱作模具、發(fā)動機、精密電子儀器等設(shè)備當中，舉例說明：(1)核電站在正常運行過程中，主管道的高溫水與支管道的低溫水混合時，支管道內(nèi)流體邊界層發(fā)生周期性的變化，使支管道溫度周期性的變化，引起熱疲勞損傷；(2)熱鍛模具在汽車制造中起著舉足輕重的作用，汽車熱鍛模具應(yīng)用于軸類毛坯件的粗鍛階段時，由于坯料溫度達到1200～1300℃，熱鍛模型腔與高溫坯料接觸，溫度快速升高，工作過程中需要適時冷卻，致使熱鍛模型腔表面承受冷熱交替循環(huán)的溫度變化，在表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，影響模具的精度和服役壽命；(3)熱軋軋輥，在其一次旋轉(zhuǎn)中咬入被軋制材料時，軋輥表面的溫度上升，在材料拖出后軋輥表面溫度又下降，經(jīng)歷若干次加熱和冷卻循環(huán)后，軋輥表面受到熱疲勞損傷，產(chǎn)生龜裂和剝落；(4)汽車發(fā)動機在啟動-停車過程中遭受熱疲勞損傷，容易在氣缸或氣缸蓋表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，破壞氣缸氣密性，惡化發(fā)動機性能；(5)衛(wèi)星在太空近地軌道繞地球飛行時，衛(wèi)星太陽能帆板朝陽面和背陽面溫度差異巨大，太陽能帆板由于處于飛行狀態(tài)斷續(xù)的接受太陽光加熱，使其處于一個溫度循環(huán)當中，產(chǎn)生熱循環(huán)應(yīng)力，并在太陽能帆板表面形成熱疲勞裂紋。

由于材料熱疲勞現(xiàn)象的復(fù)雜性，熱疲勞試驗的測試技術(shù)在材料熱疲勞研究中占有重要的地位和作用。國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量研究，設(shè)計和提出了各種熱疲勞試驗裝置和方法。材料熱疲勞試驗機的加熱方式主要有紅外加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱等，其中感應(yīng)加熱具有加熱速度快、效率高、控制簡單等優(yōu)點，應(yīng)用最為普遍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供了一種新型多工位材料熱疲勞性能測試裝置，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作方便，測試效率提高，試驗成本降低，可大大縮短材料熱疲勞試驗周期。

本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種新型多工位材料熱疲勞性能測試裝置，包括試樣旋轉(zhuǎn)盤、傳動系統(tǒng)、電機、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，電機通過傳動系統(tǒng)帶動試樣旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，試樣旋轉(zhuǎn)盤上設(shè)置有多個固定工位，試樣測試時試樣放置于固定工位上，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置于試樣旋轉(zhuǎn)盤的上方，分別對應(yīng)于試樣旋轉(zhuǎn)盤上不同固定工位布置，控制系統(tǒng)控制電機、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。

按照上述技術(shù)方案，加熱系統(tǒng)包括平面感應(yīng)加熱線圈和電源，平面感應(yīng)加熱線圈與電源連接，平面感應(yīng)加熱線圈相對試樣旋轉(zhuǎn)盤上其中一個固定工位設(shè)置。

按照上述技術(shù)方案，加熱系統(tǒng)還包括紅外測溫儀，紅外測溫儀設(shè)置于平面感應(yīng)加熱線圈的一側(cè)，對準平面感應(yīng)加熱線圈下方固定工位上的試樣進行測溫。

按照上述技術(shù)方案，冷卻系統(tǒng)包括冷卻風扇，冷卻風扇相對試樣旋轉(zhuǎn)盤上其中一個固定工位設(shè)置。

按照上述技術(shù)方案，冷卻系統(tǒng)還包括冷卻水溶液噴霧裝置，冷卻水溶液噴霧裝置包括冷卻水溶液噴嘴，冷卻水溶液噴嘴設(shè)置于冷卻風扇的一側(cè)，對準冷卻風扇下方的固定工位設(shè)置。

按照上述技術(shù)方案，所述的測試裝置還包括環(huán)境氣氛施加系統(tǒng)，環(huán)境氣氛施加系統(tǒng)包括氣體噴嘴和氣瓶，氣體噴嘴與氣瓶連通，氣體噴嘴設(shè)置于加熱系統(tǒng)一側(cè)，對準加熱系統(tǒng)下方固定工位上的試樣。

按照上述技術(shù)方案，控制系統(tǒng)包括控制柜，控制柜內(nèi)設(shè)有PLC和控制電路，PLC通過控制電路分別與電機、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接。

按照上述技術(shù)方案，傳動系統(tǒng)包括多個錐齒輪，電機帶動錐齒輪適時轉(zhuǎn)動，精確控制電機的轉(zhuǎn)動角度，使試樣旋轉(zhuǎn)盤均勻轉(zhuǎn)動至所需位置，確保裝夾的試樣旋轉(zhuǎn)至平面感應(yīng)加熱線圈下方進行加熱。

按照上述技術(shù)方案，試樣旋轉(zhuǎn)盤上的每個固定工位上均設(shè)有試樣緊固夾，試樣緊固夾用于試樣的固定夾緊，所述固定工位上設(shè)有卡槽，卡槽的輪廓與試樣緊固夾的外輪廓一致，試樣緊固夾卡入卡槽內(nèi)。

按照上述技術(shù)方案，試樣緊固夾的上端設(shè)有凹槽，凹槽的一側(cè)設(shè)有螺紋通孔，試樣放入凹槽內(nèi)，螺釘旋入螺紋通孔，將試樣頂緊在凹槽內(nèi)。

本實用新型具有以下有益效果：

通過加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)同時對試樣旋轉(zhuǎn)盤上不同的試樣進行加熱環(huán)境和冷卻環(huán)境模擬，電機帶動試樣旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，使試樣簡單快速在加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中進行切換，模擬出冷熱交替循環(huán)的溫度變化，在加熱及冷卻中以研究其對材料熱疲勞性能的影響，尤其是在同批次試驗測試中，可實現(xiàn)多種材料樣品的熱疲勞性能測試評定與優(yōu)選，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作方便，測試效率提高，試驗成本降低，可大大縮短材料熱疲勞試驗周期。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例中新型多工位材料熱疲勞性能測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例中試樣旋轉(zhuǎn)盤的主視圖；

圖3是圖2的左視圖；

圖4是本實用新型實施例中試樣緊固夾的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-伺服電機，2-控制系統(tǒng)，3-高頻電源，4-紅外測溫儀，5-平面感應(yīng)線圈，6-氣體噴嘴，7-冷卻風扇，8-冷卻水溶液噴嘴，9-試樣，10-試樣緊固夾，11-試樣旋轉(zhuǎn)盤，12-錐齒輪。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明。

參照圖1～圖4所示，本實用新型提供的一種實施例中新型多工位材料熱疲勞性能測試裝置，包括試樣旋轉(zhuǎn)盤11、傳動系統(tǒng)、電機、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2，電機通過傳動系統(tǒng)帶動試樣旋轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)動，試樣旋轉(zhuǎn)盤11上設(shè)置有多個固定工位，試樣9測試時試樣9放置于固定工位上，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置于試樣旋轉(zhuǎn)盤11的上方，分別對應(yīng)于試樣旋轉(zhuǎn)盤11上不同固定工位設(shè)置，控制系統(tǒng)2控制電機、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)2控制每次電機的轉(zhuǎn)角，來實現(xiàn)加熱工件的準確切換，通過控制系統(tǒng)2設(shè)定電機轉(zhuǎn)動次數(shù)來實現(xiàn)一個周期試驗中對材料試樣9熱疲勞循環(huán)次數(shù)的控制；通過加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)同時對試樣旋轉(zhuǎn)盤11上不同的試樣9進行加熱環(huán)境和冷卻環(huán)境模擬，電機帶動試樣旋轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)動，使試樣9簡單快速在加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中進行切換，模擬出冷熱交替循環(huán)的溫度變化，在加熱及冷卻中以研究其對材料熱疲勞性能的影響，尤其是在同批次試驗測試中，可實現(xiàn)多種材料樣品的熱疲勞性能測試評定與優(yōu)選，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作方便，測試效率提高，試驗成本降低，可大大縮短材料熱疲勞試驗周期。

進一步地，試樣旋轉(zhuǎn)盤11水平設(shè)置，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置于試樣旋轉(zhuǎn)盤11上方。

進一步地，電機為伺服電機1。

進一步地，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置于試樣旋轉(zhuǎn)盤11上方兩端。

進一步地，加熱系統(tǒng)包括平面感應(yīng)加熱線圈和電源(具體實施例中電源為高頻電源3)，平面感應(yīng)加熱線圈與電源連接，電源為平面感應(yīng)加熱線圈供電，平面感應(yīng)加熱線圈相對試樣旋轉(zhuǎn)盤11上其中一個固定工位設(shè)置；平面感應(yīng)加熱線圈與試樣旋轉(zhuǎn)盤11保持合適的距離，使加熱效果達到最佳。

進一步地，加熱系統(tǒng)還包括紅外測溫儀4，紅外測溫儀4為非接觸式紅外測溫儀4，紅外測溫儀4設(shè)置于平面感應(yīng)加熱線圈的一側(cè)，對準平面感應(yīng)加熱線圈下方安設(shè)于固定工位上的試樣9進行測溫。

進一步地，冷卻系統(tǒng)包括冷卻風扇7，冷卻風扇7相對試樣旋轉(zhuǎn)盤11上其中一個固定工位設(shè)置。

進一步地，冷卻系統(tǒng)還包括冷卻水溶液噴霧裝置，冷卻水溶液噴霧裝置包括冷卻水溶液噴嘴8，冷卻水溶液噴嘴8設(shè)置于冷卻風扇7的一側(cè)，對準冷卻風扇7下方的固定工位設(shè)置。

進一步地，所述的測試裝置還包括環(huán)境氣氛施加系統(tǒng)，環(huán)境氣氛施加系統(tǒng)包括氣體噴嘴6和氣瓶，氣體噴嘴6與氣瓶連通，氣體噴嘴6設(shè)置于加熱系統(tǒng)一側(cè)，對準加熱系統(tǒng)下方固定工位上的試樣9；噴出氣體的種類可依據(jù)試樣9材料的服役條件加以選擇，在加熱系統(tǒng)對試樣9加熱時模擬各種環(huán)境氣氛，在加熱及冷卻中引入環(huán)境介質(zhì)以研究其對材料熱疲勞性能的影響。

進一步地，控制系統(tǒng)2包括控制柜，控制柜內(nèi)設(shè)有PLC和控制電路，PLC通過控制電路分別與電機、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接；通過PLC精確控制電機轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動次數(shù)，同時PLC控制加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。

進一步地，控制柜內(nèi)還設(shè)有計數(shù)器和控溫儀表，控制柜的面板上安放有計時器、記錄儀、加熱鍵、冷卻鍵、溫控開關(guān)、氣體噴嘴閥門開關(guān)和自動控制開關(guān)，加熱鍵與加熱系統(tǒng)連接，冷卻鍵與冷卻系統(tǒng)連接，溫控開關(guān)分別與控溫儀表連接，PLC通過控制電路分別與計數(shù)器、計時器、自動控制開關(guān)和記錄儀連接。

進一步地，傳動系統(tǒng)包括多個錐齒輪12，電機帶動錐齒輪12適時轉(zhuǎn)動，精確控制電機的轉(zhuǎn)動角度，使試樣旋轉(zhuǎn)盤11均勻轉(zhuǎn)動至所需位置，確保裝夾的試樣9旋轉(zhuǎn)至平面感應(yīng)加熱線圈下方進行加熱。

進一步地，試樣旋轉(zhuǎn)盤11上的每個固定工位上均設(shè)有試樣緊固夾10，試樣緊固夾10用于試樣9的固定夾緊，所述固定工位上設(shè)有卡槽，卡槽的輪廓與試樣緊固夾10的外輪廓一致，試樣緊固夾10卡入卡槽內(nèi)。

進一步地，試樣緊固夾10的上端設(shè)有凹槽，凹槽的一側(cè)設(shè)有螺紋通孔，試樣9放入凹槽內(nèi)，螺釘旋入螺紋通孔，將試樣9頂緊在凹槽內(nèi)。

本實用新型的一個實施例中，本實用新型的工作過程：

如圖1所示，本實用新型提供一種多工位材料試樣9熱疲勞性能測試裝置，包括機架、伺服電機1、試樣旋轉(zhuǎn)盤11、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、環(huán)境氣氛施加系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2。

傳動系統(tǒng)包括多個錐齒輪12，試樣旋轉(zhuǎn)盤11上設(shè)有試樣緊固夾10，伺服電機1作為整個實驗過程的動力源，通過螺釘將其固定在試驗裝置的機架上，加熱系統(tǒng)包括平面感應(yīng)線圈5和高頻電源3，冷卻系統(tǒng)包括冷卻風扇7和冷卻水溶液噴嘴8。

試樣緊固夾10用于裝夾試樣9，進行熱疲勞試驗前，先將試樣9安裝在試樣緊固夾10上，并用螺栓緊固試樣9，實現(xiàn)了試樣9的安裝與緊固，調(diào)整平面感應(yīng)線圈5和工件之間的高度，使感應(yīng)加熱的效果達到最佳。

本實用新型的熱疲勞試驗裝置可以用于熱鍛、熱軋、壓力鑄造等一些成型過程中所使用的構(gòu)件材料的熱疲勞性能的試驗與測試評定。

采用紅外測溫方法，與接觸式測溫方法相比，具有響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點，同時能避免接觸式測溫方法中，因試樣9交替進行加熱冷卻，需要重新調(diào)整熱電偶與工件接觸位置帶來的不便。

充分考慮成本及方便操作，所以采用計數(shù)器、計時器、伺服電機1和PLC控制，通過精確控制每次電機的轉(zhuǎn)角，來實現(xiàn)加熱試樣9的準確切換；通過設(shè)定電機轉(zhuǎn)動次數(shù)來實現(xiàn)一個周期試驗中對材料試樣9熱疲勞循環(huán)次數(shù)的控制。

實施例1

在熱鍛工藝過程中，熱疲勞是熱作模具最普遍的失效形式之一，是造成熱作模具使用壽命下降的主要因素。目前，主要通過在模具型面的表面堆焊涂層來改善模具的使用壽命。

實驗中，選用H13鋼作為基體材料，覆層材料選用鎳基合金粉末進行堆焊，制備6塊試樣9，并分別對試樣9進行標號A1、A2、A3、A4、A5、A6，循環(huán)次數(shù)設(shè)為500次，加熱溫度設(shè)定為800℃，每次加熱到800℃后，保溫2min；風扇風冷加冷卻水溶液噴霧冷卻，時間2min。冷卻方式：風扇風冷加冷卻水溶液噴霧冷卻。

具體試驗步驟如下：

1.安裝試樣A1、A2、A3、A4、A5、A6，并用螺栓緊固，完成試樣9的裝夾安裝；

2.啟動加熱鍵，A1試樣在電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動到平面感應(yīng)線圈5下方開始加熱，當溫度上升到800℃時，進入保溫階段，設(shè)定保溫時間2min，運用計時器，記錄保溫時間；

3.A1試樣加熱保溫結(jié)束后，試樣旋轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)動60°轉(zhuǎn)角，下一個A2試樣開始加熱，A1試樣轉(zhuǎn)動移位到冷卻風扇7所在位置，風扇風冷加冷卻水溶液噴霧冷卻；

4.啟動自動控制開關(guān)，設(shè)定循環(huán)次數(shù)500次，試驗機將自動旋轉(zhuǎn)，直至最終完成所有6個試樣9的熱循環(huán)試驗，極大減輕了實驗者的重復(fù)工作量，排除了人為因素的影響，提高了材料熱疲勞性能試驗測試的精度和準確度。

實施例2

熱軋工藝過程中，高溫軋件及冷卻介質(zhì)對軋輥表面產(chǎn)生劇烈的熱沖擊，長期循環(huán)下去，軋輥表面受到熱疲勞損傷產(chǎn)生龜裂和剝落。

實驗中，實驗材料選用高鉻鑄鐵合金，加熱溫度700℃，保溫時間30s，冷卻方式：風扇風冷加冷卻水溶液噴霧冷卻2min。

具體的實驗步驟參照實施例1。

以上的僅為本實用新型的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本實用新型之權(quán)利范圍，因此依本實用新型申請專利范圍所作的等效變化，仍屬本實用新型的保護范圍。