En la fabricació de tubs d'escalfament de titani, l'estirat en fred redueix l'àrea de la-secció transversal en un percentatge determinat abans del recuit final. El nivell de treball en fred determina la força motriu per a la recristal·lització durant el recuit. Un baix nivell de treball en fred del 5% produeix grans recristal·litzats d'ASTM 4–5 (diàmetre 80–120 µm). Un alt nivell de treball en fred del 20% produeix grans recristal·litzats d'ASTM 8–10 (diàmetre 11–22 µm). A l'aire a 300 graus, el material de gra fi-exhibeix una resistència de 3 a 5 vegades més gran a l'esquerdament per fatiga tèrmica perquè els grans més petits proporcionen més àrea de límit de gra per adaptar-se a la tensió tèrmica cíclica i resistir la propagació de les esquerdes.

El mecanisme d'influència de la mida del gra en la resistència a la fatiga tèrmica

Durant el cicle tèrmic a 300 graus, el tub de titani s'expandeix i es contrau. La tensió cíclica s'acomoda pel lliscament i el lliscament del límit del gra. El material-de gra fi té més límits de gra per unitat de volum, la qual cosa permet que la tensió es distribueixi de manera més uniforme. L'inici de l'esquerda es produeix a les bandes de lliscament i als límits de gra; els grans més fins redueixen la longitud de lliscament i la concentració d'esforços als límits del gra. La taxa de creixement de l'esquerda per fatiga segueix da/dN ∝ d^0,5, on d és la mida del gra. Reduir a la meitat el diàmetre del gra redueix la taxa de creixement de l'esquerda en un 30%. A més, els grans fins proporcionen més barreres a la propagació de les esquerdes, forçant les esquerdes a canviar de direcció i dissipar energia.

Mida quantitativa del gra recristal·litzat com a funció del treball en fred

El recuit controlat de tubs de titani de grau 2 a 700 graus durant 30 minuts, seguint diferents nivells de treball en fred, ha establert les següents mides de gra recristal·litzat. Amb un 5% de treball en fred, la mida del gra recristal·litzat és ASTM 3–5 (diàmetre 50–125 µm) i la duresa després del recuit és de 160–180 HV. Amb un 10% de treball en fred, la mida del gra és ASTM 5–7 (32–64 µm) i la duresa és de 170–190 HV. Amb un 15% de treball en fred, la mida del gra és ASTM 7–8 (22–45 µm) 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. Amb un 30% de treball en fred, la mida del gra és ASTM 9–10 (11–22 µm) i la duresa és de 200–220 HV. Amb un 40% de treball en fred, la mida del gra és ASTM 10–11 (8–16 µm) i la duresa és de 210–230 HV.

Vida a la fatiga tèrmica a 300 graus en funció de la mida del gra

Les proves cícliques a l'aire a 300 graus amb una variació de temperatura de 250 graus (de 50 a 300 graus) durant 10.000 cicles han establert les següents profunditats de fissures de fatiga tèrmica per al titani de grau 2. Per a la mida de gra ASTM 3-5 (5% de treball en fred), la profunditat de l'esquerda després de 10.000 cicles és de 150-300 µm, i la vida a fatiga fins a una fissura d'1 mm és de 30.000-50.000 cicles. Per a la mida de gra ASTM 5–7 (10% de treball en fred), la profunditat de l'esquerda és de 80–150 µm i la vida útil fins a 1 mm és de 60.000–100.000 cicles. Per a la mida de gra ASTM 7–8 (15% de treball en fred), la profunditat de l'esquerda és de 40–80 µm i la vida útil fins a 1 mm és de 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 µm i la vida útil fins a 1 mm és de 250.000–400.000 cicles. Per a la mida de gra ASTM 9-10 (30% de treball en fred), la profunditat de l'esquerda és de 10-20 µm i la vida útil fins a 1 mm supera els 500.000 cicles.

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

La taula següent proporciona recomanacions per al nivell de treball en fred previ i la mida del gra resultant per als tubs d'escalfament de titani destinats al servei a l'aire a 300 graus, en funció dels cicles tèrmics esperats i de la vida útil a la fatiga desitjada.

Enginyeria més enllà del control del treball en fred

El grau de titani afecta el comportament de la recristal·lització. El grau 7 es recristal·litza a una temperatura lleugerament més alta que el grau 2 a causa del pal·ladi, però la mida final del gra per a un nivell de treball en fred determinat és similar. El grau 5 (Ti-6Al-4V) no es recristalitza completament en aquestes condicions. El gruix de la paret no afecta directament la mida del gra sinó que influeix en el temps de propagació de l'esquerda; una paret de 2,0 mm amb una esquerda de 20 µm té el 98% de la seva paret restant. La temperatura i el temps de recuit també afecten la mida del gra; temperatures més altes o temps més llargs en grans gruixuts. Per obtenir la màxima resistència a la fatiga tèrmica, el treball en fred per sobre del 20% és beneficiós, però el treball en fred excessiu (per sobre del 40%) pot provocar esquerdes durant el dibuix.

Elaboració d'una especificació informada

Per a un tub escalfador de titani que funcioni a l'aire a 300 graus amb un cicle tèrmic important, especifiqueu un nivell de treball en fred previ del 20 al 30% abans del recuit final. Requereix una mida final de gra recristal·litzat de ASTM 8 o més fina. Per a aplicacions amb menys de 60.000 cicles esperats, s'accepta un treball en fred del 10 al 15%. Per a cicles intensos (arrencada diària-aturada durant 10 anys, aproximadament 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 amb cicles tèrmics ràpids (molts cicles per dia), especifiqueu un 30% de treball en fred i una mida de gra ASTM 9 o més fina. En controlar el nivell de treball en fred abans del recuit, l'enginyer adapta la mida del gra per aconseguir la resistència a la fatiga tèrmica necessària a 300 graus.,