Jakie jest ilościowe naprężenie termiczne (MPa) powstające w tytanowej ścianie grzejnika o grubości 2,5 mm podczas hartowania wody od temperatury 95 do 20 stopni?

Inżynier procesu zaniepokojony uszkodzeniem przez szok termiczny-grubościennego grzejnika tytanowego (2,5 mm) po hartowaniu w wodzie od temperatury 95 do 20 stopni może określić ilościowe naprężenie termiczne powstałe w ścianie na podstawie równania naprężenia cieplnego dla szybko chłodzonej rury. Maksymalne naprężenie termiczne (σ th ) występuje na powierzchni wewnętrznej (zakładając szybkie chłodzenie z zewnątrz) i jest wyrażone wzorem: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Gdzie E to moduł sprężystości (110 GPa), współczynnik rozszerzalności cieplnej (8,6 × 10 -6 / stopień ), T Δ to zmiana temperatury (75 stopni ), ν to współczynnik Poissona (0,34) i f( ) jest współczynnikiem geometrii zależnym od liczby Biota (szybkości chłodzenia). Dla-rurki o grubych ściankach (t=2.5 mm, średnica zewnętrzna=25 mm) hartowanej w wodzie (h=1,000-5,000 W/m²K, liczba Biota > 10) f( ) ≈ 1,0 (całkowity szok termiczny). Obliczone naprężenie termiczne wynosi σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / 0.66=108 MPa. Naprężenie to wynosi około 39 procent granicy plastyczności (275 MPa) i 54 procent maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie (345 MPa). Pękanie zmęczeniowe cieplnie może być wywołane powtarzającymi się szokami termicznymi (100-1000 cykli) przy naprężeniach poniżej granicy plastyczności.

Mechanizm powstawania naprężeń termicznych podczas hartowania
Jeśli gorącą rurkę wykonaną z tytanu zanurzy się w zimnej wodzie, jej zewnętrzna powierzchnia szybko się ochładza i ulega kompresji. Powierzchnia wewnętrzna, pozostająca gorąca, przeciwstawia się temu skurczowi, powodując rozciąganie powierzchni zewnętrznej i ściskanie powierzchni wewnętrznej (w przypadku rury chłodzonej od zewnątrz). W przypadku wysokich współczynników przenikania ciepła (h > 5000 W/m²K) różnica temperatur na całej grubości ściany może wynosić 30-50 stopni dla ściany o grubości 2,5 mm podczas pierwszych kilku sekund hartowania. Naprężenie termiczne jest związane z chwilową różnicą temperatur na ścianie i osiąga maksimum przy około 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Obliczone 108 MPa to maksymalne naprężenie podczas hartowania. Jeżeli granica plastyczności zostanie przekroczona, następuje odkształcenie plastyczne i po ochłodzeniu powstają szczątkowe naprężenia rozciągające, zwiększające podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe.

Kwantyfikacja naprężenia termicznego w funkcji grubości ścianki i intensywności hartowania
Grubość ścianki t (mm) Medium hartownicze Współczynnik przenikania ciepła h (W/m 2 K) Maks. ΔT w poprzek ściany (stopnie) Naprężenie termiczne (MPa) % plastyczności (275 MPa) Zagrożenie odkształceniem plastycznym
1,5 Woda niegazowana (łagodna) 500 15 22 8%Brak 1,5 Woda wzburzona 2,000 30 43 16% Brak
1,5 Hartowanie (zimna woda) 5,000 45 65 24% Brak
2,0 Hartowanie (zimna woda) 5,000 55 79 29% Brak 2,5 Hartowanie (zimna woda) 5,000 65 108 39% Brak (elastyczny)
3,0 Hartowanie (zimna woda) 5,000 75 125 45% Brak (elastyczny)
2,5 Woda z lodem (0 stopni, ΔT=95 stopni) 10,000 85 140 51% Blisko wydajności
3,0 Woda z lodem (0 stopni) 10000 100 165 60%Prawdopodobne jest odkształcenie plastyczne
Przewodnik-oparty na scenariuszach postępowania w przypadku szoku termicznego
Warunki pracy i rodzaj hartowania Grubość ścianki (mm) Naprężenie termiczne (MPa) Ryzyko pękaniaZalecane działanie:
Normalne wyłączenie, chłodzenie powietrzem (powolne) 1,5-3,0 < 10 NicBez problemów
Normalne wyłączenie, płukanie wodą (ciepłą) 1.5-2.0 20-40 Brak Akceptowalne
Gaszenie awaryjne (zimna woda,-jednorazowy) 2.5 108 Niski (jedno-razowy) Dopuszczalne. Kontrola po zdarzeniu.
Awaryjne gaszenie (woda z lodem, pojedynczy przypadek) 2.5 140 Umiarkowane (może lokalnie ustąpić) Usuń grzejnik w celu sprawdzenia. Sprawdź wypaczenie.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) z chłodzeniem wodnym. Zmniejszona szybkość chłodzenia.
Częste (codzienne) hartowanie Dowolne > 2,0 > 100 Wysokie (pękanie zmęczeniowe) Zamiast hartowania należy stosować chłodzenie rampowe (z kontrolowaną szybkością).
Quench from high temperature (>150 stopni) 2,5 > 200 CiężkieNiezalecane. Użyj powolnego chłodzenia lub innej substancji.
Inżynieryjne łagodzenie naprężenia termicznego-wywołanego hartowaniem
Hartowanie termiczne jest nieuniknione w przypadku-grubościennych grzejników tytanowych, ale istnieją trzy rozwiązania, które pomagają zmniejszyć naprężenia termiczne. Pierwszym rozwiązaniem jest użycie ciepłej wody gaszącej (40-50 stopni w porównaniu z. 20 stopni). Zmniejszenie ΔT z 75 stopni do 45 stopni zmniejsza naprężenie termiczne ze 108 MPa do 65 MPa (redukcja o 40%), naprężenie znacznie poniżej granicy plastyczności. Drugie rozwiązanie polega na użyciu wody niegazowanej zamiast wody zmieszanej (h=500 W/m2K zamiast 5000) w celu wydłużenia czasu hartowania. Obniżony współczynnik przenikania ciepła zmniejsza gradient temperatury przez ścianę, zmniejszając szczytowe naprężenie do 22 MPa dla ściany o grubości 2,5 mm. Trzecim środkiem łagodzącym jest wstępne schłodzenie grzejnika w powietrzu przed hartowaniem w wodzie. Chłodzenie w powietrzu od 95 stopni do 60 stopni (10 minut), a następnie hartowanie zmniejsza ΔT z 75 stopni do 40 stopni, a tym samym naprężenie termiczne.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Ugasić
Tytanowa ścianka grzejnika klasy 2 o grubości 2,5 mm poddawana jest ilościowemu naprężeniu termicznemu o wartości około 108 MPa podczas hartowania w wodzie o temperaturze od 95 do 20 stopni przy współczynniku przenikania ciepła 5000 W/m2K (woda wzburzona). Naprężenie to stanowi 39% granicy plastyczności materiału (275 MPa) i 54% maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie (345 MPa). Naprężenie pozostaje w zakresie sprężystości, tak że pojedyncze hartowanie nie spowoduje odkształcenia plastycznego ani szybkiego zniszczenia. Powtarzające się hartowanie cieplne (100-1000 cykli) może powodować pękanie zmęczeniowe cieplnie, szczególnie w przypadku spoin, zarysowań lub innych koncentratorów naprężeń. Aby wydłużyć żywotność grzejnika, zaleca się ciepłą wodę hartowniczą (40-50 stopni), umiarkowane chłodzenie w wodzie niegazowanej i wstępne chłodzenie powietrzem przed hartowaniem. Tam, gdzie potrzebne jest częste hartowanie, zmniejszenie grubości ścianki do 1,5–2,0 mm zmniejsza naprężenia termiczne do 65–79 MPa, czyli mieszczącego się w bezpiecznym zakresie sprężystości.