U proizvodnji grijaćih cijevi od titana, hladnim izvlačenjem smanjuje se površina-presjeka za određeni postotak prije završnog žarenja. Razina hladnog rada određuje pokretačku silu rekristalizacije tijekom žarenja. Niska razina hladnog rada od 5% proizvodi velika rekristalizirana zrna ASTM 4–5 (promjer 80–120 µm). Visoka razina hladnog rada od 20% proizvodi fina rekristalizirana zrna ASTM 8-10 (promjer 11-22 µm). U zraku na 300 stupnjeva, fino{16}}zrnati materijal pokazuje 3-5 puta veću otpornost na pucanje uslijed toplinskog zamora jer manja zrna daju više graničnog područja zrna za prilagođavanje cikličkom toplinskom naprezanju i otpornost na širenje pukotine.

Mehanizam utjecaja veličine zrna na otpornost na toplinski zamor

Tijekom toplinskog ciklusa na 300 stupnjeva, titanska cijev se širi i skuplja. Ciklička deformacija prilagođava se klizanjem i klizanjem granica zrna. Fino{3}}zrnati materijal ima više granica zrna po jedinici volumena, što omogućuje ravnomjerniju raspodjelu naprezanja. Pokretanje pukotina događa se na trakama klizanja i granicama zrna; finija zrna smanjuju duljinu klizanja i koncentraciju naprezanja na granicama zrna. Brzina rasta pukotine uslijed zamora slijedi da/dN ∝ d^0,5, gdje je d veličina zrna. Prepolovljenje promjera zrna smanjuje brzinu rasta pukotina za 30%. Osim toga, fina zrna stvaraju više prepreka širenju pukotina, tjerajući pukotine da mijenjaju smjer i rasipaju energiju.

Kvantitativna rekristalizirana veličina zrna kao funkcija hladnog rada

Kontroliranim žarenjem titanskih cijevi stupnja 2 na 700 stupnjeva tijekom 30 minuta, nakon različitih razina hladnog rada, utvrđene su sljedeće veličine rekristaliziranih zrna. Kod 5% hladnog rada, rekristalizirana veličina zrna je ASTM 3-5 (promjer 50-125 µm), a tvrdoća nakon žarenja je 160-180 HV. Kod 10% hladnog rada, veličina zrna je ASTM 5-7 (32-64 µm), a tvrdoća je 170-190 HV. Kod 15% hladnog rada, veličina zrna je ASTM 7-8 (22-45 µm), a tvrdoća je 180-200 HV. Kod 20% hladnog rada, veličina zrna je ASTM 8-9 (16-32 µm), a tvrdoća je 190-210 HV. Kod 30% hladnog rada, veličina zrna je ASTM 9-10 (11-22 µm), a tvrdoća je 200-220 HV. Kod 40% hladnog rada, veličina zrna je ASTM 10-11 (8-16 µm), a tvrdoća je 210-230 HV.

Trajnost od toplinskog zamora na 300 stupnjeva kao funkcija veličine zrna

Cikličko ispitivanje na zraku na 300 stupnjeva s temperaturnim zamahom od 250 stupnjeva (50 stupnjeva do 300 stupnjeva) tijekom 10 000 ciklusa utvrdilo je sljedeće dubine pukotina uslijed toplinskog zamora za titan 2. stupnja. Za ASTM veličinu zrna 3–5 (5% hladni rad), dubina pukotine nakon 10 000 ciklusa je 150–300 µm, a vijek trajanja do pukotine od 1 mm je 30 000–50 000 ciklusa. Za ASTM veličinu zrna 5–7 (10% hladni rad), dubina pukotine je 80–150 µm, a vijek trajanja do 1 mm je 60 000–100 000 ciklusa. Za ASTM veličinu zrna 7-8 (15% hladni rad), dubina pukotine je 40-80 µm, a životni vijek do 1 mm je 120.000-200.000 ciklusa. Za ASTM veličinu zrna 8-9 (20% hladni rad), dubina pukotine je 20-40 µm, a životni vijek do 1 mm je 250.000-400.000 ciklusa. Za ASTM veličinu zrna 9-10 (30% hladni rad), dubina pukotine je 10-20 µm, a vijek trajanja do 1 mm prelazi 500 000 ciklusa.

Hladni rad i Vodič za odabir veličine zrna za zračnu uslugu od 300 stupnjeva

Sljedeća tablica daje preporuke za prethodnu razinu hladnog rada i rezultirajuću veličinu zrna za titanske cijevi grijača namijenjene za rad u zraku na 300 stupnjeva, na temelju očekivanih toplinskih ciklusa i željenog vijeka trajanja od zamora.

Inženjering izvan kontrole hladnog rada

Kvaliteta titana utječe na rekristalizaciju. Stupanj 7 rekristalizira na nešto višoj temperaturi od stupnja 2 zbog paladija, ali konačna veličina zrna za danu razinu hladnog rada je slična. Stupanj 5 (Ti-6Al-4V) ne rekristalizira u potpunosti pod ovim uvjetima. Debljina stijenke ne utječe izravno na veličinu zrna, ali utječe na vrijeme širenja pukotine; stijenka od 2,0 mm s pukotinom od 20 µm ima 98% preostale stijenke. Temperatura i vrijeme žarenja također utječu na veličinu zrna; više temperature ili duže vrijeme zrna gruba. Za maksimalnu otpornost na toplinski zamor, hladni rad iznad 20% je koristan, ali pretjerani hladni rad (iznad 40%) može uzrokovati pucanje tijekom izvlačenja.

Izrada informirane specifikacije

Za titansku grijaću cijev koja radi u zraku na 300 stupnjeva sa značajnim toplinskim ciklusima, navedite prethodnu razinu hladnog rada od 20-30% prije konačnog žarenja. Zahtijevati konačnu rekristaliziranu veličinu zrna ASTM 8 ili sitniju. Za primjene s manje od 60 000 očekivanih ciklusa prihvatljivo je 10–15% hladnog rada. Za jake cikluse (svakodnevno pokretanje-zaustavljanje 10 godina, približno 3650 ciklusa), razlika između ASTM 5 i ASTM 8 je zanemariva, a standardni hladni rad je dovoljan. Za kritične primjene s brzim toplinskim ciklusima (mnogo ciklusa dnevno), navedite 30% hladnog rada i ASTM veličinu zrna 9 ili sitnije. Kontroliranjem razine hladnog rada prije žarenja, inženjer kroji veličinu zrna kako bi se postigla potrebna otpornost na toplinski zamor na 300 stupnjeva.,