Яка кількісна термічна напруга (МПа), що розвивається в стінці титанового нагрівача товщиною 2,5 мм під час загартування від 95 градусів до 20 градусів води?

Інженер-технолог, стурбований термічним ударом, який завдає товстостінному титановому нагрівачу (2,5 мм) після загартування від 95 градусів до 20 градусів води, може визначити кількісну температурну напругу, створену в стінці, за рівнянням теплової напруги для швидко охолодженої труби. Максимальна термічна напруга (σ th ) виникає на внутрішній поверхні (за умови швидкого охолодження ззовні) і визначається як: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Де E — модуль пружності (110 ГПа), — коефіцієнт теплового розширення (8,6 × 10 -6 / градус), T Δ — зміна температури (75 градусів), ν — Коефіцієнт Пуассона (0,34) і f( ) є геометричним фактором, що залежить від числа Біо (швидкості охолодження). Для товстостінної -трубки (t=2.5 мм, OD=25 мм), загартованої у воді (h=1,000-5000 Вт/м²К, число Біо > 10) f( ) ≈ 1,0 (повний термічний удар). Обчислене теплове напруження дорівнює σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / 0.66=108 МПа. Ця напруга становить близько 39 відсотків межі текучості (275 МПа) і 54 відсотки максимальної міцності на розрив (345 МПа). Розтріскування від термічної втоми може бути викликано повторюваними термічними ударами (100-1000 циклів) при напругах, нижчих межі текучості.

Механізм утворення термічних напружень під час гартування
Якщо гарячу титанову трубку занурити в холодну воду, зовнішня поверхня охолоджується і швидко стискається. Внутрішня поверхня, залишаючись гарячою, протидіє цьому скороченню, розтягуючи зовнішню поверхню, а внутрішню — стискаючи (для трубки, що охолоджується ззовні). Для високих коефіцієнтів теплопередачі (h > 5000 Вт/м²K) різниця температур по товщині стінки може становити 30-50 градусів для стінки 2,5 мм протягом перших кількох секунд загартування. Термічна напруга пов’язана з миттєвою різницею температур на стіні, і її максимум становить приблизно 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Розраховане 108 МПа є максимальним напруженням під час загартування. Якщо межа текучості перевищена, відбувається пластична деформація та залишкові напруги розтягування присутні після охолодження, що збільшує сприйнятливість до корозійного розтріскування під напругою.

Кількісна оцінка термічної напруги як функції товщини стінки та важкості гасіння
Товщина стінки t (мм) Коефіцієнт теплопередачі загартовувального середовища h (Вт/м 2 К) Макс. ΔT через стінку (градус) Термічна напруга (МПа) % текучості (275 МПа) Небезпека пластичної деформації
1,5 Негазована вода (м’яка) 500 15 22 8% Немає 1,5 Перемішана вода 2,000 30 43 16% Немає
1,5 Гасіння (холодна вода) 5,000 45 65 24% Немає
2,0 Загартування (холодна вода) 5,000 55 79 29% Немає 2,5 Загартування (холодна вода) 5,000 65 108 39% Немає (еластичний)
3.0 Загартування (холодна вода) 5,000 75 125 45% Немає (еластичний)
2,5 Крижана вода (0 градусів, ΔT=95 градусів) 10,000 85 140 51% Близько до виходу
3,0 Крижана вода (0 градусів) 10000 100 165 60%Імовірна пластична деформація
Посібник із-подолання термічного удару на основі сценаріїв
Умови експлуатації та тип загартування Товщина стінки (мм) Термічна напруга (МПа) Ризик розтріскування Рекомендована дія:
Нормальне вимкнення, повітряне охолодження (повільне) 1,5-3,0 < 10 Нічого.Немає проблем
Нормальне завершення роботи, промивання водою (теплою) 1.5-2.0 20-40 Неприйнятно
Екстрене гасіння (холодна вода, один-раз) 2.5 108 Низький (один-раз) Прийнятно. Перевірка після події.
Екстрене гасіння (крижана вода, один інцидент) 2.5 140 Помірний (може вийти локально) Зніміть нагрівач для перевірки Перевірка деформації.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) із загартуванням водою Знижена швидкість охолодження.
Часте (щоденне) загартування Будь-яке > 2,0 > 100 Високе (втомне розтріскування) Використовуйте швидке охолодження (контрольована швидкість) замість загартування.
Quench from high temperature (>150 градусів ) 2,5 > 200 Важкий Не рекомендується. Використовуйте повільне охолодження або іншу речовину.
Технічне пом’якшення термічної напруги,-спричиненої гартуванням
На товстостінних титанових обігрівачах неминуче термічного гасіння, але є три засоби пом’якшення, які допомагають зменшити термічний стрес. Першим пом’якшенням є використання теплої води для гасіння (40-50 градусів проти . 20 градусів). Зменшення ΔT з 75 градусів до 45 градусів зменшує термічну напругу зі 108 МПа до 65 МПа (зменшення на 40 %), напруга набагато нижча від текучості. Друге пом’якшення полягає у використанні негазованої води замість перемішаної води (h=500 Вт/м2K замість 5000), щоб збільшити час гасіння. Знижений коефіцієнт теплопередачі зменшує температурний градієнт через стіну, знижуючи пікове напруження до 22 МПа для стіни 2,5 мм. Третім пом'якшенням є попереднє охолодження нагрівача на повітрі перед загартуванням водою. Охолодження на повітрі від 95 градусів до 60 градусів (10 хвилин) з подальшим гартуванням зменшує ΔT з 75 градусів до 40 градусів і, отже, термічний стрес.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Гасити
Стінка нагрівача з титану Grade 2 завтовшки 2,5 мм відчуває кількісну термічну напругу близько 108 МПа під час загартування від 95 градусів до 20 градусів води з коефіцієнтом теплопередачі 5000 Вт/м2K (перемішана вода). Ця напруга становить 39% від межі текучості матеріалу (275 МПа) і 54% від максимальної міцності на розрив (345 МПа). Напруга все ще знаходиться в діапазоні пружності, тому одноразове загартування не призведе до пластичної деформації або швидкого руйнування. Повторне загартування (100-1000 циклів) може викликати розтріскування від термічної втоми, особливо в місцях зварювання, подряпин або інших концентраторів напруги. Рекомендується тепла вода для гартування (40-50 градусів), помірне охолодження в негазованій воді та попереднє охолодження на повітрі перед гартуванням, щоб подовжити термін служби нагрівача. Там, де необхідне часте гартування, зменшення товщини стінки до 1,5-2,0 мм знижує термічну напругу до 65-79 МПа, що знаходиться в межах безпечного пружного діапазону.