Como o nível de trabalho a frio (5% vs . 20% de redução) de um tubo aquecedor de titânio antes do recozimento altera o tamanho do grão recristalizado e a resistência subsequente à trinca por fadiga térmica no ar a 300 graus?

A seção transversal dos tubos aquecedores de titânio é reduzida em uma certa porcentagem pela trefilação a frio antes do recozimento final na produção de tubos aquecedores de titânio. O fator determinante para a recristalização durante o recozimento é a extensão do trabalho a frio. Grandes grãos recristalizados de ASTM 4–5 (diâmetro 80–120 μm) são formados em baixo nível de trabalho a frio de 5%. Em um alto nível de trabalho a frio de 20% de grãos finos recristalizados de ASTM 8-10 (diâmetro 11-22 µm) são obtidos. O material de granulação fina ao ar a 300 graus apresenta resistência 3-5 vezes mais forte à trinca por fadiga térmica devido à maior área de contorno de grão disponível para a acomodação da deformação térmica cíclica e resistência à propagação de trinca nos grãos menores.

Resistência à fadiga térmica e mecanismo de efeito do tamanho do grão

O tubo de titânio incha e contrai durante o ciclo térmico a 300 graus. O escorregamento e o deslizamento dos limites dos grãos acomodam a deformação cíclica. O material-de granulação fina tem mais limites de grão por unidade de volume, portanto, a deformação é mais uniforme. A iniciação da trinca ocorre nas bandas de escorregamento e nos contornos de grão, os grãos menores diminuem o comprimento de deslizamento e a concentração de tensão nos contornos de grão. A taxa de propagação da fratura por fadiga segue da/dN ∝ d^0,5, onde d é o tamanho do grão. Reduzir pela metade o diâmetro do grão proporcionou uma redução de 30% na taxa de propagação da fratura. Além disso, os grãos finos são maiores obstáculos ao crescimento de fissuras, uma vez que as fissuras têm que mudar de direção e dissipar energia.

Trabalho quantitativo a frio versus tamanho de grão recristalizado

Os seguintes tamanhos de grão recristalizados foram determinados por recozimento controlado de tubos de titânio Grau 2 a 700 graus durante 30 minutos após vários graus de trabalho a frio. O tamanho do grão recristalizado a 5% de trabalho a frio é ASTM 3–5 (diâmetro 50–125 µm) e a dureza após o recozimento é 160–180 HV. O tamanho do grão é ASTM 5-7 (32-64 mícrons) e a dureza é 170-190 HV a 10% de trabalho a frio. O tamanho do grão é ASTM 7-8 (22-45 m) após 15% de trabalho a frio e a dureza é 180-200 HV. Com 20% de trabalho a frio, o tamanho do grão é ASTM 8 – 9 (16 – 32 μm) e a dureza é 190 – 210 HV. O tamanho do grão em trabalho a frio de 30% é ASTM 9–10 (11–22 µm) e a dureza é 200–220 HV. O tamanho do grão é ASTM 10-11 (8-16 µm) e a dureza é 210-230 HV a 40% de trabalho a frio.

Dependência da vida útil da fadiga térmica de 300 graus no tamanho do grão

As profundidades de trincas por fadiga térmica para titânio Grau 2 foram determinadas por testes cíclicos no ar a 300 graus com uma variação de temperatura de 250 graus (50 graus a 300 graus) por 10.000 ciclos. A profundidade da trinca após 10.000 ciclos é de 150–300 μm para tamanho de grão ASTM 3–5 (5% de trabalho a frio) e a vida à fadiga para trinca de 1 mm é de 30.000–50.000 ciclos. O tamanho de grão ASTM 5–7 (10% de trabalho a frio) fornece profundidade de fissura de 80–150 µm e vida útil de 1 mm de 60.000–100.000 ciclos. Tamanho de grão ASTM 7-8 (15% trabalho a frio) Profundidade de fissura: 40-80 um Vida útil até 1 mm: 120.000-200.000 ciclos. Para tamanho de grão ASTM 8-9 (20% de trabalho a frio), a profundidade da trinca é de 20 a 40 mícrons. A vida até 1 mm é de 250.000 a 400.000 ciclos. A profundidade da fissura é de 10-20 µm para tamanho de grão ASTM 9-10 (30% de trabalho a frio). A vida útil de 1 mm é superior a 500.000 ciclos.

Tabela de trabalho a frio e seleção de tamanho de grão para serviço aéreo a 300 graus

A tabela abaixo fornece a quantidade recomendada de trabalho a frio anterior e o tamanho de grão resultante para tubos de aquecimento de titânio para serviço ao ar a 300 graus, dependendo do número estimado de ciclos térmicos e da vida útil à fadiga aceitável.

Vida útil em fadiga desejada (ciclos até fissura de 1 mm) Ciclos térmicos esperados ao longo da vida útil Trabalho a frio prévio recomendado (%) Tamanho de grão resultante (ASTM) Profundidade de fissura esperada após 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 Engenharia além do controle de trabalho a frio

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%) pode causar rachaduras durante a trefilação.

Escrevendo uma especificação inteligente

Especifique um nível de trabalho a frio prévio de 20–30% antes do recozimento final para um tubo aquecedor de titânio operando no ar a 300 graus com ciclos térmicos extensos. É necessário ASTM 8 ou tamanho de grão recristalizado final mais fino. O trabalho a frio de 10 a 15% é aceitável para aplicações com previsão de menos de 60.000 ciclos. Para ciclos severos (partida-parada diária por 10 anos, aproximadamente 3.650 ciclos), a diferença entre ASTM 5 e ASTM 8 é insignificante e o trabalho a frio padrão é suficiente. • Para aplicações críticas onde haverá ciclos térmicos rápidos (muitos ciclos por dia), especifique 30% de trabalho a frio e tamanho de grão ASTM 9 ou mais fino. O engenheiro controla a quantidade de trabalho a frio antes do recozimento, de modo a gerenciar o tamanho do grão para obter a resistência à fadiga térmica adequada a 300 graus.