כיצד רמת העבודה הקרה (5% לעומת הפחתה של . 20%) של צינור מחמם טיטניום לפני חישול משנה את גודל הגרגיר המחודש ואת העמידות שלאחר מכן בפני פיצוח עייפות תרמית באוויר ב-300 מעלות?

חתך הרוחב של צינורות חימום טיטניום מצטמצם באחוז מסוים על ידי משיכה קרה לפני חישול סופי בייצור צינורות חימום טיטניום. הגורם המניע להתגבשות מחדש במהלך חישול הוא מידת העבודה הקרה. גרגרים גדולים מגובשים מחדש של ASTM 4-5 (קוטר 80-120 מיקרומטר) נוצרים ברמת עבודה קרה נמוכה של 5%. ברמת עבודה קרה גבוהה של 20% מתקבלים גרגירים משובצים עדינים של ASTM 8-10 (קוטר 11-22 מיקרומטר). החומר הדק באוויר ב-300 מעלות מראה עמידות חזקה פי 3-5 בפני פיצוח עייפות תרמית בשל שטח גבול הגרגירים הגדול יותר הזמין לקיום מתח תרמי מחזורי ועמידות בפני התפשטות הסדקים בגרגרים הקטנים יותר.

התנגדות לעייפות תרמית ומנגנון אפקט של גודל גרגר

צינור הטיטניום מתנפח ומתכווץ לאורך הרכיבה התרמית ב-300 מעלות. החלקה וגבול התבואה מתאימה למתח המחזורי. לחומר דק-יש יותר גבולות גרגרים ליחידת נפח ולכן המתח אחיד יותר. התחלת הסדקים מתרחשת ברצועות החלקה ובגבולות התבואה, הגרגרים הקטנים יותר מקטינים את אורך ההחלקה ואת ריכוז המתח בגבולות התבואה. קצב התפשטות שבר העייפות מגיע בעקבות da/dN ∝ d^0.5, כאשר d הוא גודל הגרגיר. חציית קוטר הגרגיר נתנה הפחתה של 30% בקצב התפשטות השברים. חוץ מזה, גרגירים עדינים הם מכשולים גדולים יותר לצמיחת סדקים שכן סדקים צריכים לשנות כיוון ולפזר אנרגיה.

עבודה קרה כמותית לעומת גודל גרגר מחודש

גדלי הגרגרים המחודשים הבאים נקבעו על ידי חישול מבוקר של צינורות טיטניום דרגה 2 ב-700 מעלות למשך 30 דקות לאחר דרגות שונות של עבודה קרה. גודל גרגר מחודש בעבודה קרה של 5% הוא ASTM 3-5 (קוטר 50-125 מיקרומטר) והקשיות לאחר חישול היא 160-180 HV. גודל הגרגיר הוא ASTM 5-7 (32-64 מיקרון) והקשיות היא 170-190 HV בעבודה קרה של 10%. גודל הגרגיר הוא ASTM 7-8 (22-45 מ') לאחר 15% עבודה קרה והקשיות היא 180-200 HV. בעבודה קרה של 20% גודל הגרגר הוא ASTM 8 – 9 (16 – 32 מיקרומטר) והקשיות היא 190 – 210 HV. גודל הגרגירים בעבודה קרה של 30% הוא ASTM 9-10 (11-22 מיקרומטר) והקשיות היא 200-220 HV. גודל הגרגר הוא ASTM 10-11 (8-16 מיקרומטר) והקשיות היא 210-230 HV בעבודה קרה של 40%.

300 מעלות עייפות תרמית תלויה בגודל גרגר

עומקי סדקי עייפות תרמית עבור טיטניום דרגה 2 נקבעו על ידי בדיקה מחזורית באוויר ב-300 מעלות עם תנודת טמפרטורה של 250 מעלות (50 מעלות עד 300 מעלות) למשך 10,000 מחזורים. עומק הסדק לאחר 10,000 מחזורים הוא 150-300 מיקרומטר עבור גודל גרגירים ASTM 3-5 (5% עבודה קרה) וחיי העייפות לסדק של 1 מ"מ הם 30,000-50,000 מחזורים. גודל גרגירים ASTM 5-7 (10% עבודה קרה) מעניק עומק סדק של 80-150 מיקרומטר וחיים ל-1 מ"מ של 60,000-100,000 מחזורים. גודל גרגר ASTM 7-8 (15% עבודה קרה) עומק סדק: 40-80 אום חיים עד 1 מ"מ: 120,000-200,000 מחזורים. עבור ASTM גודל גרגר 8-9 (20% עבודה קרה) עומק הסדק הוא 20-40 מיקרון. החיים עד 1 מ"מ הם 250,000-400,000 מחזורים. עומק הסדק הוא 10-20 מיקרומטר עבור ASTM גודל גרגר 9-10 (30% עבודה קרה). החיים עד 1 מ"מ גדולים מ-500,000 מחזורים.

תרשים של עבודה קרה ובחירת גודל גרגר עבור שירות אוויר ב-300 מעלות

הטבלה למטה מציגה את הכמות המומלצת של עבודה קרה קודמת ואת גודל הגרגירים המתקבל עבור צינורות חימום טיטניום לשירות באוויר ב-300 מעלות, בהתאם למספר המשוער של מחזורים תרמיים וחיי העייפות המקובלים.

חיי עייפות רצויים (מחזוריות לסדק של 1 מ"מ) מחזורים תרמיים צפויים על פני חיי שירות עבודה קרה מומלצת (%) גודל גרגר וכתוצאה מכך (ASTM) עומק סדק צפוי לאחר 10,000 מחזורים (מיקרומטר)<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 הנדסה מעבר לשליטה בעבודה קרה

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%) עלולים להוביל לסדקים במהלך הציור.

כתיבת מפרט חכם

ציין רמת עבודה קרה קודמת של 20-30% לפני החישול הסופי עבור צינור מחמם טיטניום הפועל באוויר ב-300 מעלות עם מחזוריות תרמית נרחבת. נדרש גודל גרגר אולטימטיבי מגבש מחודש ASTM 8 או עדין יותר. עבודה קרה של 10 עד 15% מקובלת עבור יישומים שצפויים להיות פחות מ-60,000 מחזורים. עבור רכיבה חמורה על אופניים (התחלה יומית-עצירה למשך 10 שנים, ~3,650 מחזורים), ההבדל בין ASTM 5 ל-ASTM 8 הוא זניח ומספיק עבודה קרה רגילה. • עבור יישומים קריטיים שבהם תהיה רכיבה תרמית מהירה (מחזורים רבים ביום), ציין 30% עבודה קרה וגודל גרגר ASTM 9 או עדין יותר. המהנדס שולט בכמות העבודה הקרה לפני החישול כדי לנהל את גודל הגרגר כדי לקבל את ההתנגדות לעייפות תרמית המתאימה ב-300 מעלות.