Hvordan endrer kaldarbeidsnivået (5 % vs. 20 % reduksjon) av et titanvarmerør før gløding den rekrystalliserte kornstørrelsen og den påfølgende motstanden mot termisk tretthetssprekker i luft ved 300 grader?

Tverrsnittet av titanvarmerør reduseres med en viss prosentandel ved kaldtrekking før endelig gløding ved produksjon av titanvarmerør. Den drivende faktoren for rekrystallisering under gløding er omfanget av kaldt arbeid. Store rekrystalliserte korn av ASTM 4–5 (diameter 80–120 μm) dannes ved lavt kaldarbeidsnivå på 5 %. Ved et høyt kaldarbeidsnivå oppnås 20 % fine rekrystalliserte korn av ASTM 8-10 (diameter 11-22 µm). Det finkornede materialet i luft ved 300 grader viser 3-5 ganger sterkere motstand mot termisk utmattelsessprekker på grunn av det større korngrenseområdet som er tilgjengelig for akkommodasjon av syklisk termisk belastning og motstand mot sprekkforplantning i de mindre kornene.

Termisk tretthetsmotstand og kornstørrelseseffektmekanisme

Titanrøret sveller og trekker seg sammen under den termiske syklingen ved 300 grader. Slip og korngrenseglidning tilpasser seg den sykliske belastningen. Fint-materiale har flere korngrenser per volumenhet, derfor er tøyningen mer jevn. Sprekkeinitiering skjer ved glidebånd og korngrenser, de mindre kornene reduserer glidelengden og spenningskonsentrasjonen ved korngrensene. Frekvensen for utmattingsbrudd følger da/dN ∝ d^0,5, der d er kornstørrelsen. Halvering av korndiameteren ga 30 % reduksjon i bruddforplantningshastighet. Dessuten er fine korn større hindringer for sprekkvekst siden sprekker må skifte retning og spre energi.

Kvantitativt kaldt arbeid versus omkrystallisert kornstørrelse

Følgende rekrystalliserte kornstørrelser ble bestemt ved kontrollert gløding av grad 2 titanrør ved 700 grader i 30 minutter etter forskjellige grader av kaldt arbeid. Rekrystallisert kornstørrelse ved 5 % kaldt arbeid er ASTM 3–5 (diameter 50–125 µm) og hardhet etter gløding er 160–180 HV. Kornstørrelsen er ASTM 5-7 (32-64 mikron) og hardheten er 170-190 HV ved 10% kaldt arbeid. Kornstørrelsen er ASTM 7-8 (22-45 m) etter 15 % kaldt arbeid og hardheten er 180-200 HV. Ved 20 % kaldt arbeid er kornstørrelsen ASTM 8 – 9 (16 – 32 μm) og hardheten er 190 – 210 HV. Kornstørrelsen ved 30 % kaldt arbeid er ASTM 9–10 (11–22 µm) og hardheten er 200–220 HV. Kornstørrelse er ASTM 10-11 (8-16 µm) og hardhet er 210-230 HV ved 40 % kaldt arbeid.

300 graders termisk utmattingslevetid avhengig av kornstørrelse

Sprekkedybder for termisk utmatting for grad 2 titan er bestemt ved syklisk testing i luft ved 300 grader med en temperatursving på 250 grader (50 grader til 300 grader) i 10 000 sykluser. Sprekkedybden etter 10 000 sykluser er 150–300 μm for ASTM kornstørrelse 3–5 (5 % kaldt arbeid) og utmattingslevetiden til 1 mm sprekk er 30 000–50 000 sykluser. ASTM kornstørrelse 5–7 (10 % kaldt arbeid) gir sprekkdybde på 80–150 µm og levetid på 1 mm av 60 000–100 000 sykluser. ASTM kornstørrelse 7-8 (15 % kaldt arbeid) Sprekkedybde: 40-80 um Levetid til 1 mm: 120 000-200 000 sykluser. For ASTM kornstørrelse 8-9 (20 % kaldt arbeid) er sprekkdybden 20-40 mikron Levetid til 1 mm er 250.000-400.000 sykluser. Sprekkdybde er 10-20 µm for ASTM kornstørrelse 9-10 (30 % kaldt arbeid). Levetid til 1 mm er større enn 500 000 sykluser.

Oversikt over kaldt arbeid og valg av kornstørrelse for lufttjeneste ved 300 grader

Tabellen nedenfor gir anbefalt mengde tidligere kaldt arbeid og den resulterende kornstørrelsen for varmerør av titan for bruk i luft ved 300 grader, avhengig av det estimerte antallet termiske sykluser og akseptabel utmattingslevetid.

Ønsket tretthetslevetid (sykluser til 1 mm sprekk) Forventede termiske sykluser over levetid Anbefalt tidligere kaldt arbeid (%) Resulterende kornstørrelse (ASTM) Forventet sprekkdybde etter 10 000 sykluser (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 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%) kan føre til sprekker under tegning.

Skrive en smart spesifikasjon

Spesifiser et tidligere kaldt arbeidsnivå på 20–30 % før endelig gløding for et varmerør av titan som opererer i luft ved 300 grader med omfattende termisk syklus. ASTM 8 eller finere endelig rekrystallisert kornstørrelse kreves. Kaldbearbeiding på 10 til 15 % er akseptabelt for applikasjoner som forventes å ha mindre enn 60 000 sykluser. For alvorlig sykling (daglig start-stopp i 10 år, ~3650 sykluser), er forskjellen mellom ASTM 5 og ASTM 8 ubetydelig, og standard kaldt arbeid er tilstrekkelig. • For kritiske bruksområder hvor det vil være rask termisk syklus (mange sykluser per dag), spesifiser 30 % kaldt arbeid og ASTM kornstørrelse 9 eller finere. Ingeniøren kontrollerer mengden kaldt arbeid før gløding for å styre kornstørrelsen for å oppnå passende termisk utmattelsesmotstand ved 300 grader.