چگونه سطح کار سرد (5٪ در مقابل{1}}٪ کاهش) یک لوله هیتر تیتانیوم قبل از بازپخت، اندازه دانه تبلور مجدد و مقاومت بعدی در برابر ترک خستگی حرارتی در هوا را در 300 درجه تغییر می‌دهد؟

سطح مقطع لوله های هیتر تیتانیومی با کشیدن سرد قبل از بازپخت نهایی در تولید لوله های هیتر تیتانیومی به میزان معینی کاهش می یابد. عامل محرک برای تبلور مجدد در طول بازپخت، میزان کار سرد است. دانه های تبلور مجدد بزرگ ASTM 4-5 (قطر 80-120 میکرومتر) در سطح کار سرد پایین 5٪ تشکیل می شوند. در سطح بالایی از کار سرد، دانه‌های تبلور مجدد 20 درصد ASTM 8{12}}10 (قطر 11-22 میکرومتر) به دست می‌آیند. مواد ریزدانه موجود در هوا در دمای 300 درجه، 3 تا 5 برابر مقاومت قوی‌تری در برابر ترک‌خوردگی ناشی از خستگی حرارتی نشان می‌دهند که دلیل آن منطقه مرزی بزرگ‌تر دانه برای تطبیق کرنش حرارتی چرخه‌ای و مقاومت در برابر انتشار ترک در دانه‌های کوچک‌تر است.

مقاومت در برابر خستگی حرارتی و مکانیسم اثر اندازه دانه

لوله تیتانیوم در طول چرخه حرارتی در 300 درجه متورم و منقبض می شود. لغزش و لغزش مرز دانه، کرنش حلقوی را تطبیق می دهد. مواد ریزدانه دارای مرز دانه های بیشتری در واحد حجم هستند بنابراین کرنش یکنواخت تر است. شروع ترک در نوارهای لغزش و مرزهای دانه اتفاق می افتد، دانه های کوچکتر طول لغزش و غلظت تنش را در مرز دانه کاهش می دهند. سرعت انتشار شکستگی خستگی از da/dN ∝ d^0.5 پیروی می کند، که در آن d اندازه دانه است. نصف کردن قطر دانه باعث کاهش 30 درصدی سرعت انتشار شکستگی شد. علاوه بر این، دانه های ریز موانع بزرگتری برای رشد ترک هستند، زیرا ترک ها باید جهت خود را تغییر دهند و انرژی را از بین ببرند.

کار کمی سرد در مقابل اندازه دانه تبلور مجدد

اندازه دانه های تبلور مجدد زیر با بازپخت کنترل شده لوله های تیتانیوم درجه 2 در دمای 700 درجه به مدت 30 دقیقه پس از درجات مختلف کار سرد تعیین شد. اندازه دانه تبلور مجدد در 5% کار سرد ASTM 3-5 (قطر 50-125 میکرومتر) و سختی پس از بازپخت 160-180 HV است. اندازه دانه ASTM 5-7 (32-64 میکرون) و سختی 170-190 HV در 10% کار سرد است. اندازه دانه ASTM 7-8 (22-45 متر) پس از 15% کار سرد و سختی 180-200 HV می باشد. در 20% کار سرد اندازه دانه ASTM 8 - 9 (16 - 32 میکرومتر) و سختی 190 - 210 HV است. اندازه دانه در 30% کار سرد ASTM 9-10 (11-22 میکرومتر) و سختی 200-220 HV است. اندازه دانه ASTM 10-11 (8-16 میکرومتر) و سختی 210-230 HV در 40% کار سرد است.

300 درجه عمر خستگی حرارتی بستگی به اندازه دانه دارد

عمق ترک خستگی حرارتی برای تیتانیوم درجه 2 با آزمایش چرخه ای در هوا در 300 درجه با نوسان دمایی 250 درجه (50 درجه تا 300 درجه) برای 10000 چرخه تعیین شده است. عمق ترک بعد از 10000 سیکل 150-300 میکرومتر برای دانه بندی ASTM 3-5 (5% کار سرد) و عمر خستگی تا ترک 1 میلی متری 30000-50000 سیکل است. دانه بندی ASTM 5-7 (10% کار سرد) عمق ترک 80-150 میکرومتر و طول عمر 1 میلی متر سیکل 60000-100000 می دهد. دانه بندی ASTM 7-8 (15% کار سرد) عمق ترک: 40-80 um عمر تا 1 میلی متر: 120000-200000 سیکل. برای اندازه دانه ASTM 8-9 (20% کار سرد) عمق ترک 20-40 میکرون است. عمق ترک برای دانه بندی ASTM 9-10 (30% کار سرد) 10-20 میکرومتر است. عمر تا 1 میلی متر بیشتر از 500000 سیکل است.

نمودار کار سرد و انتخاب اندازه دانه برای سرویس هوایی در 300 درجه

جدول زیر مقدار توصیه شده کار سرد قبلی و اندازه دانه حاصل را برای لوله های هیتر تیتانیومی برای سرویس در هوا در دمای 300 درجه، بسته به تعداد تخمینی سیکل های حرارتی و عمر خستگی قابل قبول، نشان می دهد.

عمر خستگی مطلوب (چرخه‌ها تا ترک 1 میلی‌متری) سیکل‌های حرارتی مورد انتظار در طول عمر کار سرد توصیه‌شده قبلی (%) اندازه دانه (ASTM) عمق ترک مورد انتظار پس از 10000 چرخه (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 مهندسی فراتر از کنترل کار سرد

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٪ می تواند منجر به ترک خوردن در طول کشیدن شود.

نوشتن مشخصات هوشمند

یک سطح کار سرد قبلی 20 تا 30 درصد قبل از بازپخت نهایی برای لوله هیتر تیتانیومی که در هوا در دمای 300 درجه کار می کند با چرخه حرارتی گسترده مشخص کنید. ASTM 8 یا اندازه دانه‌های تبلور مجدد نهایی ریزتر مورد نیاز است. کار سرد 10 تا 15 درصد برای برنامه هایی که کمتر از 60000 سیکل پیش بینی می شود قابل قبول است. برای دوچرخه‌سواری شدید (شروع{11}}توقف روزانه به مدت 10 سال، ~3650 چرخه)، تفاوت بین ASTM 5 و ASTM 8 ناچیز است و کار سرد استاندارد کافی است. • برای کاربردهای حیاتی که در آن چرخه حرارتی سریع وجود دارد (چرخه های زیادی در روز)، 30% کار سرد و دانه ASTM 9 یا ریزتر را مشخص کنید. مهندس مقدار کار سرد را قبل از بازپخت کنترل می کند تا اندازه دانه را مدیریت کند تا مقاومت خستگی حرارتی مناسب را در 300 درجه بدست آورد.