¿Cómo cambia el nivel de trabajo en frío (reducción del 5% frente al . 20%) de un tubo calentador de titanio antes del recocido el tamaño del grano recristalizado y la resistencia posterior al agrietamiento por fatiga térmica en aire a 300 grados?

La sección transversal de los tubos calentadores de titanio se reduce en un cierto porcentaje mediante estirado en frío antes del recocido final en la producción de tubos calentadores de titanio. El factor determinante para la recristalización durante el recocido es la extensión del trabajo en frío. Se forman grandes granos recristalizados de ASTM 4-5 (diámetro 80-120 μm) con un nivel bajo de trabajo en frío del 5%. Con un alto nivel de trabajo en frío se obtienen un 20% de granos finos recristalizados de ASTM 8-10 (diámetro 11-22 µm). El material de grano fino en aire a 300 grados muestra una resistencia de 3 a 5 veces mayor al agrietamiento por fatiga térmica debido al área límite de grano más grande disponible para la acomodación de la deformación térmica cíclica y la resistencia a la propagación de grietas en los granos más pequeños.

Mecanismo de resistencia a la fatiga térmica y efecto del tamaño de grano

El tubo de titanio se hincha y se contrae durante el ciclo térmico a 300 grados. El deslizamiento y el deslizamiento de los límites de grano se adaptan a la deformación cíclica. El material de grano fino-tiene más límites de grano por unidad de volumen, por lo que la deformación es más uniforme. La iniciación de grietas tiene lugar en las bandas de deslizamiento y en los límites de los granos; los granos más pequeños disminuyen la longitud de deslizamiento y la concentración de tensiones en los límites de los granos. La velocidad de propagación de la fractura por fatiga sigue da/dN ∝ d^0,5, donde d es el tamaño de grano. Reducir a la mitad el diámetro del grano dio como resultado una reducción del 30% en la tasa de propagación de la fractura. Además, los granos finos son obstáculos mayores para el crecimiento de grietas, ya que las grietas tienen que cambiar de dirección y disipar energía.

Trabajo en frío cuantitativo versus tamaño de grano recristalizado

Los siguientes tamaños de grano recristalizado se determinaron mediante recocido controlado de tubos de titanio de grado 2 a 700 grados durante 30 minutos después de varios grados de trabajo en frío. El tamaño del grano recristalizado al 5% de trabajo en frío es ASTM 3–5 (diámetro 50–125 µm) y la dureza después del recocido es 160–180 HV. El tamaño de grano es ASTM 5-7 (32-64 micras) y la dureza es 170-190 HV al 10% de trabajo en frío. El tamaño de grano es ASTM 7-8 (22-45 m) después de un 15% de trabajo en frío y la dureza es 180-200 HV. Con un 20 % de trabajo en frío, el tamaño del grano es ASTM 8 – 9 (16 – 32 μm) y la dureza es 190 – 210 HV. El tamaño de grano al 30% de trabajo en frío es ASTM 9–10 (11–22 µm) y la dureza es 200–220 HV. El tamaño de grano es ASTM 10-11 (8-16 µm) y la dureza es 210-230 HV con un 40 % de trabajo en frío.

Dependencia de la vida útil por fatiga térmica de 300 grados del tamaño del grano

Las profundidades de las grietas por fatiga térmica para el titanio de grado 2 se han determinado mediante pruebas cíclicas en aire a 300 grados con una oscilación de temperatura de 250 grados (de 50 a 300 grados) durante 10.000 ciclos. La profundidad de la grieta después de 10 000 ciclos es de 150 a 300 μm para tamaños de grano ASTM 3 a 5 (5% de trabajo en frío) y la vida a la fatiga para una grieta de 1 mm es de 30 000 a 50 000 ciclos. El tamaño de grano ASTM 5–7 (10 % trabajo en frío) proporciona una profundidad de grieta de 80–150 µm y una vida útil de 1 mm de 60 000–100 000 ciclos. Tamaño de grano ASTM 7-8 (15% trabajo en frío) Profundidad de grieta: 40-80 um Vida útil hasta 1 mm: 120.000-200.000 ciclos. Para tamaño de grano ASTM 8-9 (20 % trabajo en frío), la profundidad de la grieta es de 20 a 40 micras. La vida útil hasta 1 mm es de 250 000 a 400 000 ciclos. La profundidad de la grieta es de 10-20 µm para tamaño de grano ASTM 9-10 (30% trabajo en frío). La vida útil hasta 1 mm es superior a 500.000 ciclos.

Tabla de trabajo en frío y selección de tamaño de grano para servicio aéreo a 300 grados

La siguiente tabla proporciona la cantidad recomendada de trabajo en frío previo y el tamaño de grano resultante para los tubos calentadores de titanio para servicio en aire a 300 grados, dependiendo del número estimado de ciclos térmicos y la vida de fatiga aceptable.

Vida de fatiga deseada (ciclos hasta una grieta de 1 mm) Ciclos térmicos esperados durante la vida útil Trabajo en frío previo recomendado (%) Tamaño de grano resultante (ASTM) Profundidad de grieta esperada después de 10,000 ciclos (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 Ingeniería más allá del control del trabajo en frío

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%) puede provocar grietas durante el embutición.

Escribir una especificación inteligente

Especifique un nivel de trabajo en frío previo del 20 al 30 % antes del recocido final para un tubo calentador de titanio que funcione en aire a 300 grados con ciclos térmicos extensos. Se requiere un tamaño de grano recristalizado final ASTM 8 o más fino. El trabajo en frío del 10 al 15% es aceptable para aplicaciones que se prevé que tengan menos de 60.000 ciclos. Para ciclos severos (arranque-parada diario durante 10 años, ~3650 ciclos), la diferencia entre ASTM 5 y ASTM 8 es insignificante y el trabajo en frío estándar es suficiente. • Para aplicaciones críticas donde habrá ciclos térmicos rápidos (muchos ciclos por día), especifique 30% de trabajo en frío y tamaño de grano ASTM 9 o más fino. El ingeniero controla la cantidad de trabajo en frío antes del recocido para controlar el tamaño del grano y obtener la resistencia a la fatiga térmica adecuada a 300 grados.