هنگامی که یک لوله گرمکن تیتانیوم درجه 2 در معرض خاموش شدن سریع از 200 درجه تا 20 درجه در آب نمک نمک طعام 5٪ قرار می گیرد، چگونه سرعت خنک کننده (50 درجه در ثانیه در مقابل{5}} درجه / ثانیه) عمق لایه آلفا{6}}سطح سطحی و باقیمانده لایه را تغییر می دهد؟

گرادیان حرارتی قوی به دلیل خاموش شدن سریع لوله های هیتر تیتانیوم درجه 2 از دمای 200 درجه تا 20 درجه در آب نمک 5٪ NaCl است. لایه آلفا{5}}(سطح غنی شده با اکسیژن) تا عمق 5-10 میکرومتر با سرعت خنک کننده 50 درجه بر ثانیه (کوچ آب) افزایش می یابد و تنش کششی باقیمانده در سطح به 150{17}250 مگاپاسکال می رسد. در نرخ سرمایش کمتر 10 درجه بر ثانیه (خنک هوا)، عمق آلفا مورد 2-5 میکرومتر و تنش کششی باقیمانده 50-100 مگاپاسکال است. خاموش شدن سریعتر منجر به گرادیان های دما بیشتر می شود که باعث افزایش انتشار اکسیژن و تنش پسماند می شود. به دلیل استرس بیشتر و آلفا ضخیم تر، عمر خستگی 50 تا 70 درصد کاهش می یابد.

مکانیسم رشد کوئنچ-مورد آلفای القایی و استرس باقیمانده

در دماهای بالاتر (200 درجه) اکسیژن هوا به سطح تیتانیوم پخش می شود و یک لایه آلفا{1}} ایجاد می کند. ضخامت این لایه از قانون سهمی پیروی می کند: d √(t × exp (-Ea/RT)). سطح در هنگام خاموش کردن سریعتر از هسته سرد می شود و در نتیجه عدم تطابق انقباض حرارتی ایجاد می کند. سطح تحت کشش و هسته تحت فشار است. تنش پسماند متناسب با سرعت سرد شدن است. هرچه عمق آلفا{8}} بیشتر باشد، اکسیژن بیشتری در محلول محبوس می‌شود و خنک‌شدن سریع‌تر می‌شود.

تعیین کمیت{0}}عمق کیس آلفا و تنش پسماند به عنوان تابعی از سرعت خنک‌سازی

آزمایش کنترل شده لوله‌های تیتانیوم درجه 2 که به مدت 1 ساعت تا دمای 200 درجه سانتی‌گراد گرم شده و در آب نمک 5 درصد نمک طعام با سرعت‌های مختلف خنک‌سازی خاموش شده‌اند، موارد زیر را نشان می‌دهد: برای سرعت خنک‌سازی 1 درجه بر ثانیه (خنک در کوره)، عمق آلفا{5}}مقدار آلفا 2-1 میکرومتر و تنش مجدد 1-2 MPa است. کاهش عمر خستگی نسبی در مقایسه با مواد گرم نشده کمتر از 5٪ است. در 5 درجه بر ثانیه، عمق 2-4 um، تنش 30-60 مگاپاسکال و کاهش 10-20٪ است. عمق 3-5 میکرومتر، تنش 50-100 مگاپاسکال و کاهش 20-30٪ در 10C/sec{19}} درجه /sec 4-7 میکرون 80-150 MPa 30-50% در 50 درجه بر ثانیه (کوئنچ آب) و کشش 5 MPa10، عمق 5-10 MPa است. کاهش 50-70 درصد است. در 100 درجه بر ثانیه (کوئنچ آب یخ) عمق 8-15 میکرومتر، تنش 200-350 مگاپاسکال و کاهش 70-85٪ است.

تأثیر دمای پیک و زمان ماندن بر حساسیت خاموش کردن

تاثیر خاموش شدن به دمای اوج و زمان نگهداری بستگی دارد. پیک دما 150 درجه با خاموش شدن 50 درجه بر ثانیه پس از 1 ساعت نگه داشتن. عمق آلفا{5}}3-6 میکرومتر و تنش پسماند 100-180 مگاپاسکال است. در 200 درجه عمق 5-10 میکرومتر و تنش 150-250 مگاپاسکال است. در 250 درجه، عمق 10-20 میکرومتر و کشش 200-350 MPa است. در 300 درجه عمق 20-40 میکرومتر و تنش 300-500 مگاپاسکال با شکنندگی شدید. 2 ساعت در 200 درجه در مقابل{24}} دقیقه، عمق حالت آلفا را برای همان سرعت خنک‌کننده دو برابر می‌کند.

راهنمای انتخاب برای به حداقل رساندن میزان خنک کننده آلفا{0}}تنش موردی و باقیمانده

جدول زیر توصیه هایی را برای حداکثر سرعت خنک کننده برای لوله های تیتانیوم درجه 2 که تا 200 درجه گرم شده اند، بر اساس عمق آلفا{2}}قابل قبول و تنش پسماند ارائه می دهد.

آلفای قابل قبول-عمق مورد (میکرو متر تنش کششی پسماند قابل قبول (مگاپاسکال حداکثر نرخ خنک‌کننده (درجه / ثانیه) روش خاموش کردن توصیه‌شده کاهش عمر خستگی مورد انتظار (%)<2 <20 1 Furnace cool <5 2-4 20-50 5 Slow air cool 5-15 3-5 50-80 10 Air cool 15-25 4-6 80-120 20 Forced air 25-40 5-8 120-180 30 Mist quench 40-60 >8 >180 >30 Not recommended >60
مهندسی فراتر از نرخ کنترل خنک کننده

کیفیت تیتانیوم بر شکل‌گیری آلفا{0}}تاثیر می‌گذارد. در مقایسه با درجه 2، درجه 7 یک مورد آلفا{4} قابل مقایسه را در دما و سرعت خنک شدن یکسان نشان می‌دهد، اگرچه شکنندگی توسط پالادیوم کاهش می‌یابد. ضخامت دیوار بر توزیع تنش‌های پسماند تأثیر می‌گذارد، که در آن دیوارهای ضخیم‌تر (3.0 میلی‌متر) تنش‌های پسماند بالاتری را در سطح برای سرعت خنک‌کنندگی یکسان ایجاد می‌کنند که به دلیل گرادیان حرارتی بزرگ‌تر است. پس از آنیل کاهش استرس در دمای 540 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه، تنش باقیمانده را تا 80{12}}90 درصد کاهش می‌دهد، اما حالت آلفا را حذف نمی‌کند. آلفا مورد را می توان با ترشی کردن در 20% HNO3 + 3% HF به مدت 5 تا 10 دقیقه جدا کرد تا 20 تا 40 میکرومتر از مواد سطح حذف شود.

مشخصاتی که به خوبی آگاه است

برای نگه داشتن عمق آلفا{0}}زیر ۵ میکرومتر و تنش کششی باقیمانده زیر ۱۰۰ مگاپاسکال برای لوله گرمکن تیتانیوم درجه ۲ که تا ۲۰۰ درجه حرارت داده شده و در آب نمک ۵٪ NaCl خاموش شده است، سرعت خنک‌سازی باید به ۱۰ درجه در ثانیه (خنک هوا) محدود شود. اگر خاموش کردن آب اجتناب ناپذیر است (50 درجه بر ثانیه)، برای حذف تنش باقیمانده، ترشی{9}}کوئنچ را برای حذف حالت آلفا{10}}و بازپخت تنش زدایی مشخص کنید. برای کاربردهای ضروری، به هیچ وجه خاموش نکنید، بلکه بگذارید لوله به طور طبیعی در هوا خنک شود. مهندس سرعت خنک‌سازی را کنترل می‌کند تا شکنندگی آلفا{13}}و تنش باقی‌مانده در لوله‌های هیتر تیتانیومی را به حداقل برساند.