Vol.19 No.1 王建国等：金属材料热机械疲劳试验研究的现状 ·3· 直接影响试验过程中的加载频率.因此，热机械疲劳属低循环疲劳范围 热机械疲劳从表观上来看，是低循环疲劳与热疲劳的叠加，所以其试验设备、方法、各参 量的定义是以低循环疲劳和热疲劳为基础而演化形成的. 2.1试验设备 与高温低循环疲劳试验系统一样，在热机械疲劳试验系统中也有2个相互独立的控制闭 环回路，即机械加载和热循环加载闭环回路，所不同的是，热机械疲劳试验过程中需要温度不 断变化，因此要求加温装置应具有一定的变温能力，并配置性能良好的程序控制系统. (1)加载装置一机械疲劳部分 热机械疲劳试验系统的加载部分一般采用电液伺服试验机.配备有电液伺服试验机的系 统加载反馈与控制速度快，测量与控制精度高，并可实现多轴非比例加载和谱载疲劳试验，是 目前被普遍应用的材料试验设备，但其价格昂贵， (2)加热装置一热疲劳部分 加热装置、测温元件和温度控制系统组成热循环加载闭环回路，即热疲劳闭环回路.测温 元件大多采用热电偶和红外测温装置.前者结构简单，但重复性和稳定性取决于操作人员，而 后者重复性和稳定性较好，但结构复杂，并要求已知试样材料的黑度值 热机械疲劳试验系统加热方式分为：电阻丝炉加热、直接通电加热和高频感应加热 电阻丝加热炉的特点是：可以保证试样标距内的温度场非常均匀，标距内轴向温度梯度 最大仅为3℃，径向温度梯度更小；除金属材料外可对陶瓷、复合材料和其他非金属材料加 热，但变温能力较差；试样的安装不方便，试验中也无法观察到试样表面情况 直接通电加热方法的特点是：设备简单，加热速度快，容易观察到试样表面的情况，但试 样标距内的温度场非常不均匀，轴向温度梯度可高达100~200℃，如图3()所示；对于电阻 (a) (b)500- 0 600 30 400 IA 受圣用 30 1-A0300 I-E 遥0盛号 U-B 20 06。 2 I-E 200 I-c 。上升 热循环：200~500℃ B ·下降 周期：50s3 I-8 -1 .0 15 -10-50510 断面水平位移/mm 水平位移mm 图3不同加热方式下试样标距内温度分布()直接通电加热，(b)感应加热) 值较小的有色金属材料不易加热，如果端部无辅助加热，要获得均匀温度场是困难的，而且要 求试样应与载荷架具有良好的绝缘性， 高频感应加热具备上述2种加热设备的优点：试样标距内轴向温度梯度的大小介于电阻 丝加热方式和直接通电加热方式之间，但与感应加热圈的几何形状、材料、试样几何形状等密 切相关，其中最关键的因素是感应圈的几何形状，感应圈的绕制应在考虑得到均匀温度的同V ol . 1 9 N o . 1 王 建 国等 : 金属材料热机械疲劳试验研究 的现状 · 3 · 直接 影响试 验过 程 中的加载 频率 . 因此 , 热机械 疲劳 属低 循环疲 劳 范围 . 热 机械 疲 劳从 表观 上来 看 , 是低 循 环疲 劳 与 热疲 劳 的叠加 , 所 以 其 试 验设 备 、 方法 、 各 参 量的定 义是 以 低 循环 疲劳和 热疲 劳 为基 础而演 化形 成 的 . 2 . 1 试验 设备 与高 温低循 环疲 劳试 验 系统一样 , 在热 机械疲 劳试 验 系统 中也有 2 个相 互 独立 的控制 闭 环 回 路 , 即机械 加载 和热循 环加 载 闭环 回 路 . 所不 同的是 , 热 机械 疲劳 试验过 程 中需要 温度 不 断变 化 , 因此要 求加 温装置 应具 有一定 的变温 能力 , 并配 置性能 良好 的程 序控 制系 统 . ( 1) 加载装 置 — 机械 疲 劳部分 热 机械疲 劳试 验系 统的加 载部 分一 般采 用 电液伺服 试验 机 . 配备有 电液 伺服 试验 机的 系 统加 载反 馈 与控 制 速度快 , 测量 与控 制精 度 高 , 并 可实 现多 轴非 比例加 载和谱载疲 劳试 验 , 是 目前 被普遍 应 用的材 料试验 设备 , 但 其价 格 昂贵 . (2 ) 加 热装 置 — 热疲 劳部 分 加热 装置 、 测温 元件 和温度 控 制系 统组 成热循 环加 载 闭环 回 路 , 即热疲 劳 闭环 回路 . 测 温 元件 大多 采用热 电偶 和红外 测 温装 置 . 前者 结构 简单 , 但重 复性和 稳定性 取决 于操 作人 员 , 而 后者 重复性 和稳 定性 较好 , 但结 构复 杂 , 并要求 已知 试样 材料 的黑度 值 . 热机 械疲 劳试验 系统加 热方 式分 为 : 电阻 丝 炉 加热 、 直接通 电加 热和 高频感 应加 热 . 电阻 丝加 热炉 的特 点是 : 可 以 保 证 试样 标距 内 的温度 场 非常 均匀 , 标距 内轴 向温度 梯度 最 大 仅 为 3 ℃ , 径 向温度 梯 度 更小 ; 除 金 属 材料 外 可 对 陶 瓷 、 复 合 材 料和 其 他 非金 属 材 料加 热 , 但变 温能 力较差 ; 试样 的安 装不 方便 , 试验 中 也无法观 察到 试样 表面情 况 . 直接 通 电加 热方 法 的特点 是 : 设备 简 单 , 加热 速度 快 , 容 易观 察到 试样 表 面的情 况 , 但试 样标距 内的温度 场非 常不均 匀 , 轴 向温 度梯 度 可高 达 10 一 2 0 ℃ , 如 图 3 (a) 所示 ; 对于电阻 ( a ) 庄王告3 0 旺牙1 一 A 二不矛竺一一二~已一卜卜 ,气夭 户刁加 , 州山 . . ` 一一 ~ _ ; 二 - 一 . r 闷贬 州川卜 , J ` ·一 . 一一“ 凡 一 一 ~ 勺门比 . “ . ` ` 户 ` . 一 , r 一 , 户叫 . 二 .训~卜~ J . 叫 ~ , 甲 . 口 叼声` 祠 , 二 曰. ~ -门` 一 . 一 一 } 。 上升 热循 环 : 2 0 一 . 下降 周期 : 50 5 . 1 { 二二矛竺一一立~匕一卜卜阅久叱 户刁加 , 州山 . . ` 一一 ~ _ ; 二 - 一 . 州川卜 , J ` · r 阅贬 一 . 一一“ 凡 一 一 ~ 勺门比 . “ . ` ` 户 ` . 一 , r 一 , 户叫 . 二 .训~卜~ J . 叫 ~ , 甲 . 口 叼声` 祠 , 二 曰. ~ -门` 一 . 一 一 , 一一口一叫卜一叫 r ~ 0 上升 热循 环 : 2 0 0 - . 下降 周期 : 50 5 一 、 l 尸、0 断面 水平位移 / m m 水平位移 / ~ 图 3 不同加热方式下试样标距 内温度分布’lI (( a) 直接通 电加热 , (b) 感应加热 ) 值较 小的有 色金 属材料 不易 加热 , 如果 端部 无辅 助加 热 , 要 获得 均 匀温度场 是 困难 的 , 而且 要 求试 样应 与载荷架 具有 良好 的绝缘性 . 高频感 应加 热具 备上 述 2 种加 热 设备 的优 点: 试样 标距 内轴 向温 度梯 度的 大小介 于 电阻 丝加 热方式 和直 接通 电加热 方式之 间 , 但 与感应 加热 圈 的几何 形状 、 材料 、 试样 几何 形状等 密 切相 关 . 其 中最 关键 的因素是感 应 圈 的几 何形 状 , 感应 圈 的绕制应 在 考虑 得到 均 匀温 度的 同