Com canvia el nivell de treball en fred (5% enfront del . 20% de reducció) d'un tub d'escalfador de titani abans del recuit la mida del gra recristal·litzat i la posterior resistència a l'esquerdament per fatiga tèrmica a l'aire a 300 graus?

La secció transversal dels tubs d'escalfador de titani es redueix en un cert percentatge per estirat en fred abans del recuit final en la producció de tubs d'escalfament de titani. El factor impulsor de la recristal·lització durant el recuit és l'extensió del treball en fred. Els grans recristal·litzats d'ASTM 4-5 (diàmetre 80-120 μm) es formen a un nivell baix de treball en fred del 5%. Amb un alt nivell de treball en fred d'un 20% de grans recristal·litzats d'ASTM 8-10 (diàmetre 11-22 µm) s'obtenen. El material de gra fi a l'aire a 300 graus mostra una resistència 3-5 vegades més forta a l'esquerdament per fatiga tèrmica a causa de l'àrea de límit de gra més gran disponible per a l'acomodació de la tensió tèrmica cíclica i la resistència a la propagació d'esquerdes en els grans més petits.

Resistència a la fatiga tèrmica i mecanisme d'efecte mida del gra

El tub de titani s'infla i es contrau al llarg del cicle tèrmic a 300 graus. El lliscament i el lliscament del límit del gra s'adapten a la tensió cíclica. El material-de gra fi té més límits de gra per unitat de volum, per tant, la tensió és més uniforme. L'inici de l'esquerda té lloc a les bandes de lliscament i els límits de gra, els grans més petits disminueixen la longitud de lliscament i la concentració d'esforços als límits de gra. La velocitat de propagació de la fractura per fatiga segueix da/dN ∝ d^0,5, on d és la mida del gra. Reduir a la meitat el diàmetre del gra va donar una reducció del 30% de la taxa de propagació de la fractura. A més, els grans fins són majors obstacles per al creixement de les esquerdes, ja que les esquerdes han de canviar de direcció i dissipar energia.

Treball en fred quantitatiu versus mida de gra recristal·litzat

Les següents mides de gra recristal·litzats es van determinar mitjançant el recuit controlat de tubs de titani de grau 2 a 700 graus durant 30 minuts després de diversos graus de treball en fred. La mida del gra recristal·litzat al 5% de treball en fred és ASTM 3–5 (diàmetre 50–125 µm) i la duresa després del recuit és de 160–180 HV. La mida del gra és ASTM 5-7 (32-64 micres) i la duresa és de 170-190 HV al 10% de treball en fred. La mida del gra és ASTM 7-8 (22-45 m) després d'un 15% de treball en fred i la duresa és de 180-200 HV. Amb un 20% de treball en fred, la mida del gra és ASTM 8 – 9 (16 – 32 μm) i la duresa és de 190 – 210 HV. La mida del gra al 30% de treball en fred és ASTM 9–10 (11–22 µm) i la duresa és de 200–220 HV. La mida del gra és ASTM 10-11 (8-16 µm) i la duresa és de 210-230 HV amb un 40% de treball en fred.

Dependència de la vida de la fatiga tèrmica de 300 graus de la mida del gra

Les profunditats d'esquerdes de fatiga tèrmica per al titani de grau 2 s'han determinat mitjançant proves cícliques a l'aire a 300 graus amb un canvi de temperatura de 250 graus (de 50 a 300 graus) durant 10.000 cicles. La profunditat de l'esquerda després de 10.000 cicles és de 150-300 μm per a la mida de gra ASTM 3-5 (5% de treball en fred) i la vida a fatiga fins a una fissura d'1 mm és de 30.000-50.000 cicles. La mida de gra ASTM 5-7 (10% de treball en fred) ofereix una profunditat de fissura de 80-150 µm i una vida útil d'1 mm de 60.000-100.000 cicles. Granulometria ASTM 7-8 (15% treball en fred) Profunditat de fissura: 40-80 um Vida útil fins a 1 mm: 120.000-200.000 cicles. Per a la mida de gra ASTM 8-9 (20% de treball en fred), la profunditat de l'esquerda és de 20-40 micres. La vida útil a 1 mm és de 250.000-400.000 cicles. La profunditat de l'esquerda és de 10-20 µm per a la mida de gra ASTM 9-10 (30% de treball en fred). La vida útil a 1 mm és superior a 500.000 cicles.

Gràfic de treball en fred i selecció de mida de gra per al servei d'aire a 300 graus

La taula següent ofereix la quantitat recomanada de treball en fred anterior i la mida del gra resultant per als tubs d'escalfament de titani per al servei a l'aire a 300 graus, depenent del nombre estimat de cicles tèrmics i de la vida a fatiga acceptable.

Vida útil a la fatiga desitjada (cicles fins a una fissura d'1 mm) Cicles tèrmics esperats per sobre de la vida útil Treball en fred previ recomanat (%) Mida del gra resultant (ASTM) Profunditat de fissura esperada després de 10.000 cicles (µm)<30,000 >30,000 5 3-5 150-300 30,000-60,000 >60,000 10 5-7 80-150 60,000-120,000 >120,000 15 7-8 40-80 120,000-250,000 >250,000 20 8-9 20-40 >250,000 >500,000 30 9-10 10-20 Enginyeria més enllà del control del treball en fred

The recrystallization behavior is dependent on the titanium grade. Grade 7 recrystallizes at a slightly higher temperature than Grade 2 due to the presence of palladium, but the final grain size for a given amount of cold work is similar. Grade 5 (Ti-6Al-4V) does not completely recrystallize under these conditions. Wall thickness does not directly affect grain size, but does affect crack propagation time. A 2.0 mm wall with a 20 µm crack has 98% of its wall remaining. The grain size is also affected by the annealing temperature and duration . A higher temperature or longer time coarsens the grains . Cold work > 20% is excellent for optimal thermal fatigue resistance. Too much cold labor (>El 40%) pot provocar esquerdes durant el dibuix.

Redacció d'una especificació intel·ligent

Especifiqueu un nivell de treball en fred previ del 20 al 30% abans del recuit final per a un tub d'escalfador de titani que funciona a l'aire a 300 graus amb un cicle tèrmic extens. Es requereix la mida del gra final recristal·litzat ASTM 8 o superior. El treball en fred del 10 al 15% és acceptable per a les aplicacions previstes per tenir menys de 60.000 cicles. Per a cicles intensos (arrencada diària-aturada durant 10 anys, ~3.650 cicles), la diferència entre ASTM 5 i ASTM 8 és insignificant i el treball en fred estàndard és suficient. • Per a aplicacions crítiques on hi haurà un cicle tèrmic ràpid (molts cicles per dia), especifiqueu un 30% de treball en fred i una mida de gra ASTM 9 o més fina. L'enginyer controla la quantitat de treball en fred abans del recuit per gestionar la mida del gra per obtenir la resistència a la fatiga tèrmica adequada a 300 graus.