Što je kvantitativno toplinsko naprezanje (MPa) koje se razvija u 2,5 mm debeloj stijenci grijača od titana tijekom kaljenja od 95 stupnjeva do 20 stupnjeva vode?

Procesni inženjer zabrinut zbog oštećenja toplinskog udara na titanskom grijaču debelih stijenki (2,5 mm) nakon kaljenja od 95 stupnjeva do 20 stupnjeva vode može odrediti kvantitativno toplinsko naprezanje stvoreno u stijenci iz jednadžbe toplinskog naprezanja za brzo ohlađenu cijev. Maksimalno toplinsko naprezanje (σ th ) javlja se na unutarnjoj površini (pod pretpostavkom brzog hlađenja izvana) i daje se izrazom: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Gdje je E modul elastičnosti (110 GPa), je koeficijent toplinske ekspanzije (8,6 × 10 -6 / stupanj ), T Δ je promjena temperature (75 stupnjeva ), ν je Poissonov omjer (0,34) i f( ) je geometrijski faktor ovisan o Biotovom broju (brzini hlađenja). Za cijev s debelim - stijenkama (t=2.5 mm, OD=25 mm) kaljenu u vodi (h=1,000-5,000 W/m²K, Biotov broj > 10) f( ) ≈ 1,0 (potpuni toplinski udar). Izračunato toplinsko naprezanje je 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. Ovo naprezanje je oko 39 posto granice razvlačenja (275 MPa) i 54 posto maksimalne vlačne čvrstoće (345 MPa). Pukotine uslijed toplinskog zamora mogu biti izazvane opetovanim toplinskim udarima (100-1000 ciklusa) pri naprezanjima ispod granice razvlačenja.

Mehanizam nastanka toplinskih naprezanja tijekom kaljenja
Ako se vruća cijev od titana uroni u hladnu vodu, vanjska se površina brzo ohladi i sabije. Unutarnja površina, koja ostaje vruća, suprotstavlja se ovoj kontrakciji, stavljajući vanjsku površinu u napetost, a unutarnju u kompresiju (za cijev hlađenu izvana). Za visoke koeficijente prijenosa topline (h > 5000 W/m²K) temperaturna razlika po debljini stijenke može biti 30-50 stupnjeva za stijenku od 2,5 mm tijekom prvih nekoliko sekundi kaljenja. Toplinsko naprezanje povezano je s trenutnom temperaturnom razlikom na zidu, a maksimalno je na oko 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Izračunatih 108 MPa je maksimalno naprezanje tijekom kaljenja. Ako je granica razvlačenja premašena, dolazi do plastične deformacije i zaostalih vlačnih naprezanja nakon hlađenja, povećavajući osjetljivost na korozijsko pucanje pod naponom.

Kvantifikacija toplinskog naprezanja kao funkcije debljine stijenke i ozbiljnosti gašenja
Debljina stijenke t (mm) Sredstvo za gašenje Koeficijent prijenosa topline h (W/m 2 K) Max ΔT preko stijenke (stupnjevi) Toplinsko naprezanje (MPa) % prinosa (275 MPa) Opasnost od plastične deformacije
1,5 Migirana voda (blaga) 500 15 22 8% Ništa 1,5 Miješana voda 2,000 30 43 16% Ništa
1.5 Gašenje (hladna voda) 5,000 45 65 24% Nema
2,0 Kašenje (hladna voda) 5,000 55 79 29% Ništa 2,5 Kašenje (hladna voda) 5,000 65 108 39% Ništa (elastično)
3.0 Gašenje (Hladna voda) 5,000 75 125 45% Ništa (Elastično)
2.5 Ledena voda (0 stupnjeva, ΔT=95 stupnjeva) 10,000 85 140 51% blizu prinosa
3.0 Ledena voda (0 stupnjeva ) 10000 100 165 60%Vjerojatna je plastična deformacija
Vodič-za upravljanje toplinskim udarom temeljen na scenariju
Radni uvjeti i tip kaljenja Debljina stijenke (mm) Toplinsko naprezanje (MPa) Rizik od pucanja Preporučena radnja:
Normalno isključivanje, hlađenje zrakom (sporo) 1,5-3,0 < 10 Ništa Nema problema
Normalno isključivanje, ispiranje vodom (toplo) 1.5-2.0 20-40 Nije prihvatljivo
Gašenje u hitnim slučajevima (hladna voda, jednom-put) 2.5 108 Nisko (jedno-put) Prihvatljivo. Provjera nakon događaja.
Ugašenje u hitnim slučajevima (ledena voda, jedan incident) 2.5 140 Umjereno (može popustiti lokalno) Uklonite grijač radi ispitivanja Provjera iskrivljenja.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) s gašenjem vodom Smanjena brzina hlađenja.
Često (svakodnevno) kaljenje Bilo koje > 2,0 > 100 Visoko (pukotine uslijed zamora) Koristite brzo hlađenje (kontrolirana brzina) umjesto kaljenja.
Quench from high temperature (>150 stupnjeva ) 2,5 > 200 Jako Ne preporučuje se. Koristite sporo hlađenje ili drugu tvar.
Inženjersko ublažavanje toplinskog stresa-izazvanog kaljenjem
Toplinsko prigušivanje neizbježno je na grijačima od titana debelih stijenki, ali postoje tri mjere ublažavanja koje pomažu u smanjenju toplinskog stresa. Prvo ublažavanje je upotreba tople vode za gašenje (40-50 stupnjeva naspram. 20 stupnjeva). Smanjenje ΔT sa 75 stupnjeva na 45 stupnjeva smanjuje toplinsko naprezanje sa 108 MPa na 65 MPa (smanjenje od 40 %), naprezanje daleko ispod popuštanja. Drugo ublažavanje je korištenje mirne vode umjesto miješane vode (h=500 W/m2K umjesto 5000) kako bi se produžilo vrijeme gašenja. Smanjeni koeficijent prijenosa topline smanjuje temperaturni gradijent kroz zid, smanjujući vršno naprezanje na 22 MPa za zid od 2,5 mm. Treće ublažavanje je prethodno hlađenje grijača na zraku prije gašenja vodom. Hlađenje na zraku od 95 stupnjeva do 60 stupnjeva (10 min) nakon čega slijedi kaljenje smanjuje ΔT sa 75 stupnjeva na 40 stupnjeva, a time i toplinski stres.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Ugasiti
Stjenka grijača od titana Grade 2 debljine 2,5 mm doživljava kvantitativno toplinsko naprezanje od oko 108 MPa tijekom gašenja od 95 stupnjeva do 20 stupnjeva vode s koeficijentom prijenosa topline od 5,000 W/m2K (potresena voda). Ovo naprezanje iznosi 39% granice razvlačenja materijala (275 MPa) i 54% maksimalne vlačne čvrstoće (345 MPa). Napetost je još uvijek u elastičnom području tako da jedno kaljenje neće izazvati plastičnu deformaciju ili brzi kvar. Ponovljeno gašenje toplinom (100-1000 ciklusa) može izazvati pucanje uslijed toplinskog zamora, osobito na zavarima, ogrebotinama ili drugim koncentratorima naprezanja. Preporuča se topla voda za gašenje (40-50 stupnjeva), umjereno hlađenje u mirnoj vodi i prethodno hlađenje zrakom prije gašenja kako bi se produžio vijek trajanja grijača. Tamo gdje je potrebno često kaljenje, smanjenjem debljine stijenke na 1,5-2,0 mm smanjuje se toplinsko naprezanje na 65-79 MPa, unutar sigurnog elastičnog raspona.