一、实验目的

本次实验依托高低温试验箱模拟自然环境极端温度交变工况，探究常用工程金属材料冷热循环下的失效规律与内在机理。一是量化温度骤变引发的金属热胀冷缩形变、硬度、表面形貌变化，明确温度交变幅值与材料损伤的关联；二是对比碳钢、铝合金两类主流结构金属的耐温变性能差异，梳理裂纹萌生、氧化剥落、塑性变形三类典型失效成因；三是优化金属构件温控服役工况，规避高低温交变导致的设备故障，为机械、车载金属零部件选材提供实验依据。本次选用THL-A50设备，依托其±0.5℃控温精度、≤2℃箱内温场均匀度优势，保障实验数据准确性。

二、实验器材

核心设备：THL-A50高低温试验箱，温控区间-20℃~120℃，升温速率3℃/min、降温速率2.5℃/min；辅助设备：维氏硬度计、金相显微镜、游标卡尺、电子天平；实验试样：45#碳钢、6061铝合准拉伸试样，尺寸统一为50mm×10mm×3mm，每组3个平行试样，实验前打磨去除表面氧化层。

三、实验步骤

1.试样预处理：测量两组金属试样初始硬度、尺寸、表面形貌，记录基线数据，清理试样表面油污，避免杂质干扰温变实验结果；

2.设备调试：启动THL-A50高低温试验箱，空载预热30min，校准温控传感器，设定交变实验程序：常温25℃→高温100℃保温90min→降温至-15℃保温90min→回升25℃，单次循环3.5h，累计开展15次温度交变循环；

3.装载实验：将试样悬空放置试验箱中部置物架，避免贴合箱壁造成局部温差，封闭箱门启动自动交变程序，全程实时记录箱内实际温度；

4.阶段性检测：每完成5次循环，取出试样静置常温30min，检测尺寸形变、表面氧化状态、显微硬度，排查微观裂纹；

5.收尾复盘：全部循环结束后，利用金相显微镜观测金属晶粒结构，整理实验数据，对比前后性能差异，分析失效机理，降温停机，清理试验箱腔体。

四、实验数据记录表

五、实验风险管控

，严禁超THL-A50额定温域运行，避免压缩机过载损坏设备；第二，低温阶段开箱需缓慢泄压，防止冷热气流冲击损坏温控探头；第三，金属试样摆放间距大于2cm，保障温场流通，规避实验误差；第四，高温实验结束静置降温，杜绝高温试样灼伤实验人员。

六、实验结论

本次依托THL-A50高低温试验箱完成极端温度交变实验，设备温控稳定性达标，实验数据有效。极端冷热交变会引发金属材料不可逆性能劣化，温度循环次数越多，形变、损伤越严重；两类材料失效机理存在差异：45#碳钢主要发生冷作硬化，硬度小幅上升，失效以晶间开裂、高温氧化锈蚀为主；6061铝合金热膨胀系数更大，反复温变产生内应力，引发晶粒解离、硬度衰减，优先出现塑性形变与表面开裂，耐极端温变性能弱于碳钢；金属失效核心诱因是**热胀冷缩不均产生的循环热应力**，长期交变载荷破坏金属晶粒结合力，叠加高低温氧化反应加速材料失效。实际工程应用中，温差波动大于110℃工况优先选用碳钢构件，铝合金构件需增设隔热防护，降低温变冲击。