Qual é o estresse térmico quantitativo (MPa) desenvolvido em uma parede de aquecedor de titânio com 2,5 mm de espessura durante uma têmpera de 95 graus a 20 graus de água?

Um engenheiro de processo preocupado com danos causados ​​por choque térmico em um aquecedor de titânio de parede espessa (2,5 mm) após a têmpera com água de 95 a 20 graus pode determinar a tensão térmica quantitativa criada na parede a partir da equação de tensão térmica para um tubo resfriado rapidamente. A tensão térmica máxima (σ th ) ocorre na superfície interna (assumindo resfriamento rápido do exterior) e é dada por: σ th=E × × T Δ 1 − vf() Onde E é o módulo de elasticidade (110 GPa), é o coeficiente de expansão térmica (8,6 × 10 -6 / grau), T Δ é a mudança de temperatura (75 graus), ν é o coeficiente de Poisson (0,34) e f( ) é um fator de geometria dependente do número de Biot (taxa de resfriamento). Para um tubo de parede espessa- (t=2.5 mm, OD=25 mm) temperado em água (h=1.000-5.000 W/m²K, número de Biot > 10) f( ) ≈ 1,0 (choque térmico completo). A tensão térmica calculada é 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. Essa tensão é de cerca de 39% da resistência ao escoamento (275 MPa) e 54% da resistência à tração máxima (345 MPa). A fissuração por fadiga térmica pode ser induzida por choques térmicos repetidos (100-1.000 ciclos) em tensões abaixo do limite de escoamento.

Mecanismo de Formação de Tensões Térmicas Durante a Têmpera
Se um tubo quente de titânio for mergulhado em água fria, a superfície externa esfria e se comprime rapidamente. A superfície interna, permanecendo quente, opõe-se a esta contração, colocando a superfície externa em tensão e a superfície interna em compressão (para um tubo resfriado por fora). Para coeficientes de transferência de calor elevados (h > 5.000 W/m²K), a diferença de temperatura ao longo da espessura da parede pode ser de 30-50 graus para uma parede de 2,5 mm durante os primeiros segundos de têmpera. O estresse térmico está relacionado à diferença instantânea de temperatura através da parede e é máximo em cerca de 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Os 108 MPa calculados são a tensão máxima durante a têmpera. Se o limite de escoamento for ultrapassado, ocorre deformação plástica e tensões residuais de tração estão presentes após o resfriamento, aumentando a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão.

Quantificação do estresse térmico em função da espessura da parede e da gravidade da têmpera
Espessura da parede t (mm) Coeficiente médio de transferência de calor de têmpera h (W/m 2 K) Max ΔT através da parede (grau) Tensão térmica (MPa) % do rendimento (275 MPa) Risco de deformação plástica
1,5 Água parada (suave) 500 15 22 8%Nenhum 1,5 Água agitada 2,000 30 43 16% Nenhum
1,5 Têmpera (água fria) 5,000 45 65 24% Nenhum
2,0 Quench (água fria) 5,000 55 79 29% Nenhum 2,5 Quench (água fria) 5,000 65 108 39% Nenhum (elástico)
3,0 Quench (água fria) 5,000 75 125 45% Nenhum (elástico)
2,5 Água gelada (0 grau, ΔT=95 grau) 10,000 85 140 51% Perto do rendimento
3,0 Água gelada (0 grau) 10000 100 165 60%Provável deformação plástica
Um guia-baseado em cenário para gerenciamento de choque térmico
Condição operacional e tipo de têmpera Espessura da parede (mm) Tensão térmica (MPa) Risco de rachadura Ação recomendada:
Desligamento normal, resfriamento por ar (lento) 1,5-3,0 <10 NadaSem problemas
Desligamento normal, enxágue com água (quente) 1.5-2.0 20-40 Nenhum aceitável
Aquecimento de emergência (água fria, uma{0}}vez) 2.5 108 Baixo (uma-vez) Aceitável. Verificação pós-evento.
Extinção de emergência (água gelada, incidente único) 2.5 140 Moderada (pode produzir localmente)Remova o aquecedor para exame. Verificação de deformação.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) com têmpera em água Taxa de resfriamento reduzida.
Têmpera frequente (diária) Qualquer > 2,0 > 100 Alta (rachaduras por fadiga) Use resfriamento em rampa (taxa controlada) em vez de têmpera.
Quench from high temperature (>150 graus) 2,5 > 200 GraveNão recomendado. Use resfriamento lento ou outra substância.
Mitigação de engenharia do estresse térmico-induzido por têmpera
A têmpera térmica é inevitável em aquecedores de titânio com paredes-espesas, mas há três mitigações que ajudam a reduzir o estresse térmico. A primeira mitigação é o uso de água morna para resfriamento (40-50 graus vs. 20 graus). A redução de ΔT de 75 graus para 45 graus reduz a tensão térmica de 108 MPa para 65 MPa (redução de 40%), tensão muito abaixo do rendimento. A segunda mitigação é usar água parada em vez de água agitada (h=500 W/m2K em vez de 5.000) para aumentar o tempo de têmpera. O coeficiente de transferência de calor reduzido reduz o gradiente de temperatura através da parede, reduzindo o pico de tensão para 22 MPa para uma parede de 2,5 mm. A terceira mitigação é o pré-resfriamento do aquecedor ao ar antes da extinção com água. O resfriamento ao ar de 95 graus para 60 graus (10 min) seguido de têmpera reduz o ΔT de 75 graus para 40 graus e, portanto, o estresse térmico.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Têmpera
Uma parede de aquecedor de titânio Grau 2 com 2,5 mm de espessura experimenta uma tensão térmica quantitativa de cerca de 108 MPa durante uma têmpera de água de 95 a 20 graus com um coeficiente de transmissão de calor de 5.000 W/m2K (água agitada). Essa tensão é 39% da resistência ao escoamento do material (275 MPa) e 54% da resistência à tração máxima (345 MPa). A tensão ainda está na faixa elástica, de modo que uma única têmpera não gerará deformação plástica ou falha rápida. As repetidas têmperas térmicas (100{19}}1.000 ciclos) podem induzir trincas por fadiga térmica, principalmente em soldas, arranhões ou outros concentradores de tensão. Água quente para têmpera (40-50 graus), resfriamento moderado em água parada e pré-resfriamento com ar antes da têmpera são recomendados para melhorar a vida útil do aquecedor. Onde for necessária têmpera frequente, reduzir a espessura da parede para 1,5-2,0 mm reduz a tensão térmica para 65-79 MPa, bem dentro da faixa elástica segura.