Když je titanová ohřívací trubka 2. stupně vystavena rychlému kalení z 200 stupňů na 20 stupňů v 5% NaCl solance, jak rychlost chlazení (50 stupňů /s vs . 10 stupňů /s) změní hloubku alfa-povrchové vrstvy a zbytkové tahové napětí na povrchu

Silný tepelný gradient je způsoben rychlým ochlazením titanových ohřívacích trubek Grade 2 z teploty 200 stupňů na 20 stupňů v 5% roztoku NaCl. Vrstva alfa-pouzdra (povrch obohacený kyslíkem) narůstá do hloubky 5-10 µm při rychlosti ochlazování 50 stupňů/s (vodní kalení) a zbytkové tahové napětí na povrchu dosahuje 150-250 MPa. Při nižší rychlosti ochlazování 10 stupňů/s (chlazení vzduchem) je hloubka pouzdra alfa 2-5 µm a zbytkové tahové napětí je 50-100 MPa. Rychlejší zhášení vede k větším teplotním gradientům, které zvyšují difúzi kyslíku a zbytkové napětí. Únavová životnost je snížena o 50-70% díky vyššímu namáhání a silnějšímu pouzdru alfa.

Mechanismus růstu zhášení-Případ alfa a reziduální stres

Při vyšších teplotách (200 stupňů) kyslík ze vzduchu difunduje do titanového povrchu a vytváří vrstvu alfa-pouzdra. Tloušťka této vrstvy se řídí parabolickým zákonem: d √(t × exp (-Ea/RT)). Povrch se během kalení ochlazuje rychleji než jádro, což má za následek nepřizpůsobení tepelné kontrakce. Povrch je pod napětím a jádro pod tlakem. Zbytkové napětí je úměrné rychlosti ochlazování. Čím větší je hloubka alfa-pouzdra, tím více kyslíku je zachyceno v roztoku a tím rychlejší je chlazení.

Kvantifikace alfa-hloubky pouzdra a zbytkového napětí jako funkce rychlosti ochlazování

Kontrolované testování titanových trubek Grade 2 zahřátých na 200 °C po dobu 1 hodiny a zchlazených v 5% NaCl solném roztoku při různých rychlostech chlazení prokázalo, že následující: Pro rychlost chlazení 1 stupeň/s (chladicí pec) je hloubka pouzdra alfa- 1–2 µm a zbytková životnost 1 snížení tahu-20 MP je relativní únava materiálu v tahu. je méně než 5 %. Při 5 stupních/s je hloubka 2-4 um, napětí je 30-60 MPa a redukce je 10-20%. Hloubka je 3-5 um, napětí je 50-100 MPa a snížení je 20-30 % při 10C/s. 20 stupeň/sec 4-7 mikronů 80-150 MPa 30-50 % Při 50 stupních /s (zhášení vodou) je hloubka 5-10 µm a pokles napětí je 5-10 µm 50-70 %. Při 100 stupních/s (zhášení ledové vody) je hloubka 8-15 µm, napětí je 200-350 MPa a redukce je 70-85 %.

Vliv špičkové teploty a doby prodlevy na citlivost zhášení

Dopad zhášení závisí na maximální teplotě a době zdržení. Maximální teplota je 150 stupňů s 50 stupňů/s zhášením po 1 hodině. Hloubka pouzdra alfa je 3-6 µm a zbytkové napětí je 100–180 MPa. Při 200 stupních je hloubka 5-10 μm a napětí 150-250 MPa. Při 250 stupních je hloubka 10-20 µm a napětí je 200-350 MPa. Při 300 stupních je hloubka 20–40 µm a napětí 300–500 MPa se silným zkřehnutím. 2 hodin při 200 stupních vs. 10 minut zdvojnásobuje hloubku pouzdra alfa při stejné rychlosti chlazení.

Průvodce výběrem pro minimalizaci rychlosti chlazení Alpha{0}}Případ a zbytkové napětí

Následující tabulka uvádí doporučení pro maximální rychlosti chlazení pro titanové trubky 2. stupně, které byly zahřáté na 200 stupňů, na základě přijatelné alfa-hloubky pouzdra a zbytkového napětí.

Přijatelná alfa{0}}hloubka pouzdra (μm Přijatelné zbytkové napětí v tahu (MPa maximální rychlost chlazení (stupeň/s) Doporučená metoda kalení Očekávané snížení únavové životnosti (%)<2 <20 1 Furnace cool <5 2-4 20-50 5 Slow air cool 5-15 3-5 50-80 10 Air cool 15-25 4-6 80-120 20 Forced air 25-40 5-8 120-180 30 Mist quench 40-60 >8 >180 >30 Not recommended >60
Engineering Beyond Rate of Cooling Control

Kvalita titanu ovlivňuje tvorbu alfa-pouzder. srovnatelný se stupněm 2, stupeň 7 vykazuje srovnatelný případ alfa-při stejné teplotě a rychlosti chlazení, ačkoli křehkost je zmírněna palladiem. Tloušťka stěny ovlivňuje rozložení zbytkových napětí, kdy silnější stěny (3,0 mm) poskytují vyšší zbytková napětí na povrchu při stejné rychlosti ochlazování v důsledku většího tepelného gradientu. Žíhání po-uvolnění napětí při 540 °C po dobu 30 minut snižuje zbytkové napětí o 80-90 %, ale neodstraní alfa-pouzdro. Pouzdro Alpha lze odstranit mořením v 20% HNO₃ + 3% HF po dobu 5-10 minut, aby se odstranilo 20-40 µm povrchového materiálu.

Specifikace, která je dobře informovaná

Aby se hloubka pouzdra alfa- udržela pod 5 µm a zbytkové napětí v tahu pod 100 MPa u titanové topné trubice 2. třídy zahřáté na 200 stupňů a zchlazené v 5% solném roztoku NaCl, měla by být rychlost chlazení omezena na 10 stupňů/s (chlazení vzduchem). Pokud je kalení vodou nevyhnutelné (50 stupňů/s), určete moření po-po kalení, abyste odstranili alfa{10}}pouzdro, a žíhání pro odlehčení pnutí, aby se eliminovalo zbytkové napětí. U základních aplikací vůbec nehašte, ale nechte trubici přirozeně vychladnout na vzduchu. Technik řídí rychlost chlazení, aby minimalizoval křehnutí alfa{13}}pouzdra a zbytkové napětí v titanových topných trubkách.