Як рівень холодної обробки (зменшення на 5% проти . 20%) титанової нагрівальної трубки перед відпалом змінює розмір рекристалізованого зерна та наступний опір розтріскуванню від термічної втоми на повітрі при 300 градусах?

Поперечний переріз титанових труб нагрівача зменшується на певний відсоток шляхом холодного волочіння перед остаточним відпалом у виробництві титанових трубок нагрівача. Рушійним фактором рекристалізації під час відпалу є ступінь холодної обробки. Великі рекристалізовані зерна ASTM 4–5 (діаметр 80–120 мкм) утворюються при низькому рівні холодної обробки 5%. При високому рівні холодної обробки 20% отримують дрібні рекристалізовані зерна ASTM 8-10 (діаметр 11-22 мкм). Дрібнозернистий матеріал на повітрі при 300 градусах демонструє в 3-5 разів більшу стійкість до розтріскування від термічної втоми завдяки більшій площі меж зерен, доступній для розміщення циклічної термічної деформації та стійкості до поширення тріщин у менших зернах.

Опір термічній втомі та механізм впливу розміру зерна

Титанова трубка набухає і стискається під час термічного циклу при 300 градусах. Ковзання та ковзання по межі зерна враховують циклічні деформації. Дрібно{3}}матеріал має більше меж зерен на одиницю об’єму, тому деформація більш рівномірна. Початок тріщини відбувається на смугах ковзання та межах зерен, менші зерна зменшують довжину ковзання та концентрацію напруги на границях зерен. Швидкість поширення втомного руйнування відповідає da/dN ∝ d^0,5, де d — розмір зерна. Зменшення діаметра зерна вдвічі дало 30% зниження швидкості поширення руйнування. Крім того, дрібні зерна є більшою перешкодою для росту тріщин, оскільки тріщини мають змінювати напрямок і розсіювати енергію.

Кількісна холодна обробка порівняно з розміром перекристалізованого зерна

Наступні розміри перекристалізованих зерен були визначені шляхом контрольованого відпалу титанових труб 2-го класу при 700 градусах протягом 30 хвилин після різних ступенів холодної обробки. Розмір перекристалізованого зерна при 5% холодної обробки становить ASTM 3–5 (діаметр 50–125 мкм), а твердість після відпалу становить 160–180 HV. Розмір зерна ASTM 5-7 (32-64 мікрон) і твердість 170-190 HV при 10% холодної обробки. Розмір зерна становить ASTM 7-8 (22-45 м) після 15% холодної обробки, а твердість становить 180-200 HV. При 20% холодної обробки розмір зерна становить ASTM 8-9 (16-32 мкм), а твердість становить 190-210 HV. Розмір зерна при 30% холодної обробки становить ASTM 9–10 (11–22 мкм), а твердість – 200–220 HV. Розмір зерна ASTM 10-11 (8-16 мкм), а твердість 210-230 HV при 40% холодної обробки.

Термічна втома 300 градусів залежить від розміру зерна

Глибина тріщин від термічної втоми для титану класу 2 була визначена шляхом циклічного випробування на повітрі при температурі 300 градусів із коливанням температури 250 градусів (від 50 градусів до 300 градусів) протягом 10 000 циклів. Глибина тріщини після 10 000 циклів становить 150–300 мкм для розміру зерна ASTM 3–5 (5% холодна робота), а втомна довговічність до тріщини 1 мм становить 30 000–50 000 циклів. Розмір зерна ASTM 5–7 (10 % холодної обробки) забезпечує глибину тріщини 80–150 мкм і термін служби до 1 мм 60 000–100 000 циклів. Розмір зерна ASTM 7-8 (15% холодна робота) Глибина тріщин: 40-80 мкм Термін служби до 1 мм: 120 000-200 000 циклів. Для розміру зерна ASTM 8-9 (20% холодна робота) глибина тріщини становить 20-40 мікрон. Термін служби до 1 мм становить 250 000-400 000 циклів. Глибина тріщини становить 10-20 мкм для розміру зерна ASTM 9-10 (30% холодної обробки). Термін служби до 1 мм перевищує 500 000 циклів.

Таблиця холодної роботи та вибору розміру зерна для повітряного обслуговування при 300 градусах

У таблиці нижче наведено рекомендовану кількість попередньої холодної обробки та кінцевий розмір зерна для титанових трубок нагрівача для роботи на повітрі при 300 градусах, залежно від розрахункової кількості термічних циклів і прийнятного терміну служби втоми.

Бажаний термін служби втоми (цикли до тріщини 1 мм) Очікувані термічні цикли протягом терміну служби Рекомендована попередня холодна робота (%) Отриманий розмір зерна (ASTM) Очікувана глибина тріщини після 10 000 циклів (мкм)<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 Engineering Beyond Cold Work Control

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 (>40%) може призвести до розтріскування під час нанесення.

Написання розумної специфікації

Вкажіть попередній рівень холодної обробки 20–30% перед остаточним відпалом для титанової трубки нагрівача, що працює на повітрі при 300 градусах із інтенсивним термічним циклом. Потрібен ASTM 8 або дрібніший кінцевий розмір перекристалізованого зерна. Холодна обробка від 10 до 15% є прийнятною для програм, які мають менше 60 000 циклів. Для серйозних циклів (щоденний початок-зупинка протягом 10 років, ~3650 циклів) різниця між ASTM 5 і ASTM 8 незначна, і стандартної холодної роботи достатньо. • Для критичних застосувань, де відбуватиметься швидкий термічний цикл (багато циклів на день), вкажіть 30% холодної обробки та розмір зерна ASTM 9 або дрібніший. Інженер контролює кількість холодної обробки перед відпалом, щоб керувати розміром зерна, щоб отримати належний опір термічній втомі при 300 градусах.