鉑銠熱電偶絲在等幅載荷下的疲勞壽命的研究

摘要: 文章研究了鉑銠熱電偶絲在等幅載荷下的疲勞壽命并得到了具體的疲勞壽命數據，也發現了影響鉑銠偶絲疲勞壽命的因素。結果表明: 隨著偶絲銠含量的增加，偶絲的疲勞壽命降低; 隨著偶絲線徑的變粗，偶絲的疲勞壽命降低; 真空熔煉爐制造的偶絲疲勞壽命優于高頻熔煉爐; 水冷銅模鑄造的偶絲疲勞壽命優于石墨模鑄造。

現代世界制造工業和研究實驗室中，每小時都要發生成千上萬次測溫。在當代溫度測量中，鉑—鉑銠熱電偶無疑是最精確、最穩定、測量溫度范圍最大和應用領域最廣泛的測量工具［1］。鉑和鉑銠熱電偶絲是功能材料，首先是保證測溫的精度，其次是保證材料的壽命。在各專業文獻中，關于鉑和鉑銠偶絲的疲勞壽命的研究很少，本單位作為鉑和鉑銠偶絲的主要生產單位之一，在這方面做了一些基礎研究。

1 實驗
1. 1 實驗材料及儀器
試驗樣品用鉑、鉑銠6、鉑銠10、鉑銠13、鉑銠15、鉑銠20、鉑銠30，為更真實的反應實際情況，特意增加了樣品種類，即把鉑銠15 和鉑銠20 也看做是某種非標偶絲。掃描電鏡，用于鉑銠偶絲斷面形貌分析; 自制實驗設備，用于等幅載荷疲勞壽命研究。
1. 2 實驗方法
將鉑銠偶絲夾持到自制設備，研究偶絲線徑、銠含量、坩堝、熔煉方法對鉑銠偶絲的影響。圖1是自制設備示意圖。其中A 表示振動部分，B 表示偶絲，C 表示幅度限位部分，D 表示夾持部分。采用對稱循環方式，即σm = ( σmax + σmin) /2 = 0。

2 結果與討論
2. 1 銠含量對偶絲疲勞壽命的影響
試驗偶絲采用高頻熔煉方式，澆鑄采用水冷銅模，偶絲線徑為Φ1. 0 mm。如圖2 所示，隨著銠含量的增加鉑銠偶絲的疲勞壽命減少，鉑銠30可承受的循環次數僅為6 次。

通過試驗數據可以很明顯看出，鉑銠偶絲在等幅載荷下的疲勞壽命和銠含量成簡單線性關系�？傻贸鼋涷灩�式:
N = － 10 × C + 214( C≤10) ( 1)
N = － 5. 5 × C + 171( 10 ＜ C≤30) ( 2)
式中，N 代表循環次數，即疲勞壽命; C 代表銠含量，即銠在鉑銠合金中的質量分數。產生這種現象的原因可能是隨著銠的質量百分數的增加，鉑銠合金的硬度是增加的。硬度的增加導致偶絲的疲勞壽命下降。而根據文獻【Benner L S，Suzuki T，Meguro K，et al. Precious metalsSLKience and technology ［M］． Austin in USA: The International Precious Metals Institute，1991.】記載，Ｒh 對鉑金硬度的影響在很大范圍內是呈現線性的，如圖3 所示。

2. 2 線徑對偶絲疲勞壽命的影響
試驗偶絲采用高頻熔煉方式，澆鑄采用水冷銅模，以鉑銠10 和鉑銠13 為研究對象。如圖4 所示，隨著偶絲線徑的增加，偶絲疲勞壽命降低。一般認為，材料的應力梯度是造成疲勞尺寸效應的原因，即尺寸不同的材料，在受力條件相同時，危險點峰值應力相等，因此大尺寸材料由于應力梯度小而疲勞強度低。圖5 是鉑銠偶絲典型斷口的電鏡照片，從電鏡圖片可以很明顯看出，該斷口具有光亮的疲勞源、光滑的貝紋線以及粗糙的瞬斷區。

2. 3 澆鑄模對偶絲疲勞壽命的影響
試驗偶絲采用高頻熔煉方式，偶絲線徑為Φ1. 0 mm，以鉑銠15 為研究對象。如表1 所示，水冷銅模澆鑄的偶絲疲勞壽命大大優于石墨模澆鑄。

產生的原因如圖6 所示，石墨模中的碳使鉑銠偶絲中出現了大量的缺陷與夾雜。

2. 4 熔煉方法對偶絲疲勞壽命的影響
試驗偶絲線徑Φ1. 0 mm，水冷銅模澆鑄，以鉑銠15 為研究對象。如表2 所示，真空熔煉能提高偶絲的疲勞壽命。

產生的原因可能是真空熔煉鑄錠中的氣體量遠小于高頻熔煉。而氣體的存在，使材料的脆性增大，從而使偶絲疲勞壽命降低。

3 結論
根據試驗結果得到以下結論:
( 1) 鉑銠偶絲的疲勞壽命和銠的質量百分數有很大關系。一般來說，銠含量越高鉑銠偶絲的疲勞壽命越低。因此在偶絲使用過程中，因受周期性彎折時，正極更容易斷絲。在實際有分度號的三類偶絲當中，S、Ｒ 兩種型號差距不大，B 型的正極疲勞壽命極低，基本彎折10 次以內就會斷裂。
( 2) 偶絲的線徑對疲勞壽命有影響。一般來說，偶絲越粗，偶絲的疲勞壽命越差。因此在工業生產中，可以選擇合適線徑的偶絲。比如，在鉑銠玻纖漏板上使用的偶絲如果用Φ0. 8 mm 取代傳統的Φ1. 0 mm 可以大大減少偶絲在漏板澆筑時斷絲的概率。
( 3) 水冷銅模鑄造的偶絲疲勞壽命高于石墨模鑄造。
( 4) 真空熔煉方式制作的偶絲疲勞壽命高于高頻爐制作。