Podczas produkcji tytanowych rur grzewczych ciągnienie na zimno zmniejsza-pole przekroju poprzecznego o pewien procent przed ostatecznym wyżarzaniem. Poziom przepracowania na zimno określa siłę napędową rekrystalizacji podczas wyżarzania. Niski poziom obróbki na zimno wynoszący 5% daje duże, zrekrystalizowane ziarna ASTM 4–5 (średnica 80–120 µm). Wysoki poziom obróbki na zimno wynoszący 20% daje drobne, rekrystalizowane ziarna ASTM 8–10 (średnica 11–22 µm). W powietrzu o temperaturze 300 stopni drobnoziarnisty-materiał wykazuje 3–5 razy większą odporność na pękanie zmęczeniowe cieplne, ponieważ mniejsze ziarna zapewniają większą powierzchnię graniczną ziaren, aby wytrzymać cykliczne odkształcenia termiczne i przeciwdziałać propagacji pęknięć.

Mechanizm wpływu wielkości ziarna na odporność na zmęczenie cieplne

Podczas cyklu termicznego w temperaturze 300 stopni tytanowa rurka rozszerza się i kurczy. Odkształcenie cykliczne jest kompensowane przez poślizg i przesuwanie się granic ziaren. Drobno-materiał ma więcej granic ziaren na jednostkę objętości, co pozwala na bardziej równomierne rozłożenie naprężeń. Inicjacja pęknięć następuje w pasmach poślizgu i na granicach ziaren; drobniejsze ziarna zmniejszają długość poślizgu i koncentrację naprężeń na granicach ziaren. Szybkość wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest następująca: da/dN ∝ d^0,5, gdzie d jest wielkością ziarna. Zmniejszenie o połowę średnicy ziarna zmniejsza tempo wzrostu pęknięć o 30%. Dodatkowo drobne ziarna zapewniają więcej barier dla propagacji pęknięć, zmuszając pęknięcia do zmiany kierunku i rozpraszania energii.

Ilościowa wielkość ziarna po rekrystalizacji w funkcji pracy na zimno

Kontrolowane wyżarzanie rur tytanowych klasy 2 w temperaturze 700 stopni przez 30 minut, po różnych poziomach obróbki na zimno, pozwoliło ustalić następujące rozmiary ziaren po rekrystalizacji. Przy 5% obróbce na zimno wielkość ziaren po rekrystalizacji wynosi ASTM 3–5 (średnica 50–125 µm), a twardość po wyżarzaniu wynosi 160–180 HV. Przy 10% obróbce na zimno wielkość ziarna wynosi ASTM 5–7 (32–64 µm), a twardość 170–190 HV. Przy 15% obróbce na zimno wielkość ziarna wynosi ASTM 7–8 (22–45 µm), a twardość 180–200 HV. Przy 20% obróbce na zimno wielkość ziarna wynosi ASTM 8–9 (16–32 µm), a twardość 190–210 HV. Przy 30% obróbce na zimno wielkość ziarna wynosi ASTM 9–10 (11–22 µm), a twardość 200–220 HV. Przy 40% obróbce na zimno wielkość ziarna wynosi ASTM 10–11 (8–16 µm), a twardość wynosi 210–230 HV.

Trwałość zmęczenia cieplnego w temperaturze 300 stopni w funkcji wielkości ziarna

Cykliczne badania w powietrzu w temperaturze 300 stopni przy wahaniach temperatury od 250 stopni (50 do 300 stopni) w ciągu 10 000 cykli ustaliły następujące głębokości pęknięć zmęczeniowych cieplnych dla tytanu klasy 2. Dla wielkości ziaren ASTM 3–5 (5% pracy na zimno) głębokość pęknięcia po 10 000 cykli wynosi 150–300 µm, a trwałość zmęczeniowa do pęknięcia o grubości 1 mm wynosi 30 000–50 000 cykli. Dla wielkości ziarna ASTM 5–7 (10% pracy na zimno) głębokość pęknięcia wynosi 80–150 µm, a trwałość do 1 mm wynosi 60 000–100 000 cykli. Dla wielkości ziarna ASTM 7–8 (15% pracy na zimno) głębokość pęknięcia wynosi 40–80 µm, a trwałość do 1 mm wynosi 120 000–200 000 cykli. Dla wielkości ziarna ASTM 8–9 (20% pracy na zimno) głębokość pęknięcia wynosi 20–40 µm, a trwałość do 1 mm wynosi 250 000–400 000 cykli. Dla wielkości ziaren ASTM 9–10 (30% pracy na zimno) głębokość pęknięć wynosi 10–20 µm, a trwałość do 1 mm przekracza 500 000 cykli.

Przewodnik po pracy na zimno i wyborze wielkości ziarna dla usług lotniczych 300 stopni

Poniższa tabela zawiera zalecenia dotyczące wcześniejszego poziomu obróbki na zimno i wynikającej z tego wielkości ziarna dla tytanowych rur grzewczych przeznaczonych do pracy w powietrzu w temperaturze 300 stopni, w oparciu o oczekiwane cykle termiczne i pożądaną trwałość zmęczeniową.

Inżynieria wykraczająca poza kontrolę pracy na zimno

Gatunek tytanu wpływa na zachowanie podczas rekrystalizacji. Klasa 7 rekrystalizuje w nieco wyższej temperaturze niż klasa 2 ze względu na pallad, ale ostateczna wielkość ziaren dla danego poziomu pracy na zimno jest podobna. Klasa 5 (Ti-6Al-4V) nie ulega pełnej rekrystalizacji w tych warunkach. Grubość ścianki nie wpływa bezpośrednio na wielkość ziaren, ale wpływa na czas propagacji pęknięć; w ścianie o grubości 2,0 mm z pęknięciem 20 µm pozostało 98% ściany. Temperatura i czas wyżarzania również wpływają na wielkość ziarna; wyższe temperatury lub dłuższe okresy grubszego ziarna. Aby uzyskać maksymalną odporność na zmęczenie cieplne, korzystna jest praca na zimno powyżej 20%, ale nadmierna praca na zimno (powyżej 40%) może powodować pękanie podczas ciągnienia.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

W przypadku tytanowej rury grzejnej pracującej w powietrzu w temperaturze 300 stopni ze znacznymi cyklami cieplnymi, należy określić wstępny poziom pracy na zimno na poziomie 20–30% przed ostatecznym wyżarzaniem. Wymagają ostatecznego rozmiaru ziaren po rekrystalizacji ASTM 8 lub mniejszego. W przypadku zastosowań obejmujących mniej niż 60 000 oczekiwanych cykli dopuszczalna jest praca na zimno w stopniu 10–15%. W przypadku trudnych cykli (codzienne-zatrzymywanie przez 10 lat, około 3650 cykli) różnica między ASTM 5 i ASTM 8 jest nieistotna i wystarczająca jest standardowa praca na zimno. W przypadku zastosowań krytycznych z szybkimi cyklami termicznymi (wiele cykli dziennie) należy określić 30% obróbkę na zimno i wielkość ziarna ASTM 9 lub mniejszą. Kontrolując poziom obróbki na zimno przed wyżarzaniem, inżynier dostosowuje wielkość ziarna, aby osiągnąć wymaganą odporność na zmęczenie cieplne w temperaturze 300 stopni.,