一種熱疲勞試驗方法

趙春燕

摘要： 試驗采用高頻感應平面加熱方式，利用自行設(shè)計的可編程邏輯控制器，控制高頻電流的大小、感應加熱的速度、上限加熱溫度、噴水冷卻時間、熱疲勞周期等多參數(shù)，對灰口鑄鐵及其表面WCCo涂層試件實施熱疲勞試驗，設(shè)計了在熱疲勞試件表面用劃定單元區(qū)域的方法，對單元區(qū)域測量熱疲勞裂紋數(shù)量和長度，累計計算總熱疲勞裂紋數(shù)量和長度，作為試件抗熱疲勞性能較為定量的判定方法。用此方法判定了灰口鑄鐵、灰口鑄鐵表面激光熔敷WCCo涂層及涂層激光熔敷參數(shù)的不同條件下試件的抗熱疲勞性能。

關(guān)鍵詞： 高頻感應加熱；可編程邏輯控制器；熱疲勞

中圖分類號： TG405

Abstract： In this experiment， highfrequency induction plane heating method was used to test thermal fatigue of the WCCo coating on the surface of the grey cast iron with selfdesigned programmable logic controller by controlling the parameters of highfrequency current， induction heating speed， upper limit of heating temperature， water cooling time， thermal fatigue cycle. The method of delimiting unit area on the surface of specimen was designed. By measuring the number and length of thermal fatigue crack on the unit area， accumulative number and length was as a more quantitative method to judge the fatigue resistance. This method can be used to judge the fatigue resistance of grey cast iron and laser cladding layer WCCo on the surface of the grey cast iron under different laser cladding parameters.

Key words： highfrequency induction heating； programmable logic controller； thermal fatigue

0 前言冷熱疲勞是指材料在交變溫度下，由于熱應力使材料損傷以致開裂的現(xiàn)象[1-2]。為了研究金屬材料的熱疲勞性能，國內(nèi)外對熱疲勞試驗方法作了不少研究，在國內(nèi)已制定了熱作模具鋼熱疲勞試驗的GB/T 15824—2008國家標準，但到目前為止還沒有國際上公認的標準試驗方法。因此各家的熱疲勞試驗設(shè)備、試樣形狀（圓柱，圓片等）、尺寸、加熱方式（流態(tài)床、爐中、火焰、高頻等）、加熱溫度、速度（分鐘級別、秒級別）、保溫時間、冷卻介質(zhì)（水、氣體等）、冷卻方式（噴、吹、浸入等）、冷卻速度、環(huán)境介質(zhì)（空氣、腐蝕介質(zhì)、真空等）、載荷（有、無）、熱疲勞損傷的定性（與裂紋圖譜對照）和定量（裂紋數(shù)量及長度）判定等諸方面因素也各不相同。試驗采用了加熱速度接近承受熱疲勞工件工況條件的高頻感應平面加熱方式，利用自行設(shè)計的可編程邏輯控制器，控制感應加熱的速度，上限加熱溫度，噴水冷卻時間，熱疲勞周期，疲勞次數(shù)計數(shù)等多參數(shù)，對灰口鑄鐵及其表面WCCo涂層試件實施熱疲勞試驗，同時設(shè)計了劃定單元區(qū)域，對單元區(qū)域測量熱疲勞裂紋長度和數(shù)量，累計計算總熱疲勞裂紋數(shù)量和長度，為試件抗熱疲勞性能較為定量的判定方法。

1 試驗條件

1.1 設(shè)備

由高頻發(fā)生器，程序控制器水冷系統(tǒng)組成熱疲勞試驗裝置，如圖1所示。

高頻發(fā)生器：型號 XG-21B， 頻率 20～60 kHz，功率 25 kW；程序控制器：自行設(shè)計；感應圈：純銅管繞制，外徑60 mm，內(nèi)徑6.5 mm，匝間距離4 mm；測溫儀：BM880C紅外線測溫儀；水冷系統(tǒng)：750 W水泵，水箱4 m3；塞尺，卡尺，探傷液，30～60倍放大鏡，如圖2所示。

1.2 試件

0號試件：為球墨合金鑄鐵，表面狀態(tài)如圖3所示，化學成分見表1。

1號試件：球墨合金鑄鐵的表面，用WCCo合金粉末作為涂層材料，表面激光合金化處理，激光熔敷參數(shù)為1，合金化層深度1.1 mm左右。表面狀態(tài)如圖4所示。

2號試件：球墨合金鑄鐵的表面，用WCCo合金粉末作為涂層材料，表面激光合金化處理，激光熔敷參數(shù)為2，合金化層深度1.1 mm左右。表面狀態(tài)如圖5所示。

試件尺寸見表2。

2 熱疲勞試驗

2.1 試驗程序

試件在感應圈下面，同軸、平行放置。按動啟動按鈕，感應圈通過高頻電流，產(chǎn)生高頻磁場，在試件表面產(chǎn)生感應渦流，試件表面被定時加熱，約達到600°，感應電流停止，水泵啟動，噴嘴噴水冷卻試件表面，定時停止噴水，完成一個熱疲勞周期。繼續(xù)感應加熱，完成200次熱疲勞次數(shù)。

2.2 試驗參數(shù)

設(shè)定熱疲勞試驗參數(shù)見表3，采用表3的規(guī)范參數(shù)，分別對三個試件進行熱疲勞試驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 清理表面

首先，用棉球蘸50%HCl水溶液清洗掉試件表面水垢，再用酒精溶液試件表面沖凈干凈，熱風吹干。

3.2 顯現(xiàn)表面裂紋

用著色探傷液顯示出試件表面裂紋。

3.3 繪制方格

在顯示出裂紋的三個試件表面，劃出大?。? mm×5 mm）、數(shù)量相等的方格，如圖6～8所示。

3.5 測量裂紋

記錄每一試件各方格中裂紋的數(shù)量，測量裂紋的長度，將每一試件表面所有方格中裂紋數(shù)量和長度分別累計相加，得出該試件裂紋累計條數(shù)和裂紋累計長度。將每一試件的裂紋累計條數(shù)和裂紋累計長度，分類按數(shù)值大小分別排序。條數(shù)、長度序號數(shù)值小的，即序號在前，說明該試件抗熱疲勞性能佳，反之為差。試驗結(jié)果見表4。

4 分析

根據(jù)表4顯示的裂紋累計條數(shù)序號和裂紋累計長度序號，0號試件的兩個序號均為1，1號試樣的兩個序號均為2，2號試樣的兩個序號均為3，說明：0號試樣的抗熱疲勞性優(yōu)于1號，2號，抗熱疲勞性最佳；1號試件的抗熱疲勞性低于0號試件，優(yōu)于2號試件，抗熱疲勞性屬中等；2號抗熱疲勞性低于0號試件、1號試件，抗熱疲勞性最差。

5 結(jié)論

（1）利用高頻感應加熱設(shè)備加熱、噴水冷卻對試件進行熱疲勞試驗，采用自行設(shè)計的程序控制器控制各參數(shù)，能夠較真實地模擬工件的工況條件。

（2）利用劃分方格的方式，記錄每一試件各方格中裂紋的數(shù)量，在方格中，用卡尺測量每條裂紋始末端的距離近似的作為該裂紋的長度，將每一試件表面所有方格中裂紋條數(shù)和長度分別累計相加，得出該試件裂紋總條數(shù)和裂紋總長度，以此較定量判定熱疲勞性能是可行的。

（3）對球墨合金鑄鐵及其表面用WCCo合金粉末作為涂層材料，激光表面合金化處理的涂層進行熱疲勞試驗數(shù)據(jù)可靠，對比了母材，母材加涂層及涂層激光熔敷參數(shù)的不同，它們熱疲勞性能不同。

參考文獻

[1] 夏鵬成，陳蘊博，葛學元，王淼輝. 熱作模具鋼熱疲勞性能的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 金屬熱處理，2008（12）：1-6.

[2] 劉振華，陳章蘭，高博.焊接殘余應力對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響分析[J]. 焊接，2015（9）：25-29.