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铂铑热电偶丝在等幅载荷下的疲劳寿命的研究

作时间:2016-11-18  来源:  作者:
   

摘要: 文章研究了铂铑热电偶丝在等幅载荷下的疲劳寿命并得到了具体的疲劳寿命数据,也发现了影响铂铑偶丝疲劳寿命的因素。结果表明: 随着偶丝铑含量的增加,偶丝的疲劳寿命降低; 随着偶丝线径的变粗,偶丝的疲劳寿命降低; 真空熔炼炉制造的偶丝疲劳寿命优于高频熔炼炉; 水冷铜模铸造的偶丝疲劳寿命优于石墨模铸造。

现代世界制造工业和研究实验室中,每小时都要发生成千上万次测温。在当代温度测量中,铂—铂铑热电偶无疑是最精确、最稳定、测量温度范围最大和应用领域最广泛的测量工具[1]。铂和铂铑热电偶丝是功能材料,首先是保证测温的精度,其次是保证材料的寿命。在各专业文献中,关于铂和铂铑偶丝的疲劳寿命的研究很少,本单位作为铂和铂铑偶丝的主要生产单位之一,在这方面做了一些基础研究。

1 实验
1. 1 实验材料及仪器
试验样品用铂、铂铑6、铂铑10、铂铑13、铂铑15、铂铑20、铂铑30,为更真实的反应实际情况,特意增加了样品种类,即把铂铑15 和铂铑20 也看做是某种非标偶丝。扫描电镜,用于铂铑偶丝断面形貌分析; 自制实验设备,用于等幅载荷疲劳寿命研究。
1. 2 实验方法
将铂铑偶丝夹持到自制设备,研究偶丝线径、铑含量、坩埚、熔炼方法对铂铑偶丝的影响。图1是自制设备示意图。其中A 表示振动部分,B 表示偶丝,C 表示幅度限位部分,D 表示夹持部分。采用对称循环方式,即σm = ( σmax + σmin) /2 = 0。

自制设备示意图

2 结果与讨论
2. 1 铑含量对偶丝疲劳寿命的影响
试验偶丝采用高频熔炼方式,浇铸采用水冷铜模,偶丝线径为Φ1. 0 mm。如图2 所示,随着铑含量的增加铂铑偶丝的疲劳寿命减少,铂铑30可承受的循环次数仅为6 次。

铂铑偶丝疲劳寿命与铑含量的关系

通过试验数据可以很明显看出,铂铑偶丝在等幅载荷下的疲劳寿命和铑含量成简单线性关系。可得出经验公式:
N = - 10 × C + 214( C≤10) ( 1)
N = - 5. 5 × C + 171( 10 < C≤30) ( 2)
式中,N 代表循环次数,即疲劳寿命; C 代表铑含量,即铑在铂铑合金中的质量分数。产生这种现象的原因可能是随着铑的质量百分数的增加,铂铑合金的硬度是增加的。硬度的增加导致偶丝的疲劳寿命下降。而根据文献【Benner L S,Suzuki T,Meguro K,et al. Precious metalsscience and technology [M]. Austin in USA: The International Precious Metals Institute,1991.】记载,Rh 对铂金硬度的影响在很大范围内是呈现线性的,如图3 所示。

铑对铂室温硬度的影响

2. 2 线径对偶丝疲劳寿命的影响
试验偶丝采用高频熔炼方式,浇铸采用水冷铜模,以铂铑10 和铂铑13 为研究对象。如图4 所示,随着偶丝线径的增加,偶丝疲劳寿命降低。一般认为,材料的应力梯度是造成疲劳尺寸效应的原因,即尺寸不同的材料,在受力条件相同时,危险点峰值应力相等,因此大尺寸材料由于应力梯度小而疲劳强度低。图5 是铂铑偶丝典型断口的电镜照片,从电镜图片可以很明显看出,该断口具有光亮的疲劳源、光滑的贝纹线以及粗糙的瞬断区。

2. 3 浇铸模对偶丝疲劳寿命的影响
试验偶丝采用高频熔炼方式,偶丝线径为Φ1. 0 mm,以铂铑15 为研究对象。如表1 所示,水冷铜模浇铸的偶丝疲劳寿命大大优于石墨模浇铸。

浇铸模对偶丝疲劳寿命的影响铂铑偶丝疲劳寿命与偶丝线径的关系铂铑偶丝疲劳断口表面形貌

石墨模铸造偶丝断口形貌

产生的原因如图6 所示,石墨模中的碳使铂铑偶丝中出现了大量的缺陷与夹杂。

2. 4 熔炼方法对偶丝疲劳寿命的影响
试验偶丝线径Φ1. 0 mm,水冷铜模浇铸,以铂铑15 为研究对象。如表2 所示,真空熔炼能提高偶丝的疲劳寿命。

熔炼方式对偶丝疲劳寿命的影响

产生的原因可能是真空熔炼铸锭中的气体量远小于高频熔炼。而气体的存在,使材料的脆性增大,从而使偶丝疲劳寿命降低。

3 结论
根据试验结果得到以下结论:
( 1) 铂铑偶丝的疲劳寿命和铑的质量百分数有很大关系。一般来说,铑含量越高铂铑偶丝的疲劳寿命越低。因此在偶丝使用过程中,因受周期性弯折时,正极更容易断丝。在实际有分度号的三类偶丝当中,S、R 两种型号差距不大,B 型的正极疲劳寿命极低,基本弯折10 次以内就会断裂。
( 2) 偶丝的线径对疲劳寿命有影响。一般来说,偶丝越粗,偶丝的疲劳寿命越差。因此在工业生产中,可以选择合适线径的偶丝。比如,在铂铑玻纤漏板上使用的偶丝如果用Φ0. 8 mm 取代传统的Φ1. 0 mm 可以大大减少偶丝在漏板浇筑时断丝的概率。
( 3) 水冷铜模铸造的偶丝疲劳寿命高于石墨模铸造。
( 4) 真空熔炼方式制作的偶丝疲劳寿命高于高频炉制作。

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