La fabricarea tuburilor de încălzire din titan, trefilarea la rece reduce aria secțiunii transversale-cu un anumit procent înainte de recoacere finală. Nivelul de lucru la rece determină forța motrice pentru recristalizare în timpul recoacerii. Un nivel scăzut de lucru la rece de 5% produce granule mari recristalizate de ASTM 4–5 (diametru 80–120 µm). Un nivel ridicat de lucru la rece de 20% produce granule fine recristalizate de ASTM 8–10 (diametru 11–22 µm). În aer la 300 de grade , materialul cu granulație fină- prezintă o rezistență de 3-5 ori mai mare la fisurarea prin oboseală termică, deoarece boabele mai mici oferă o suprafață mai mare a granulelor pentru a se adapta la deformarea termică ciclică și a rezista la propagarea fisurilor.

Mecanismul de influență a mărimii granulelor asupra rezistenței la oboseală termică

În timpul ciclării termice la 300 de grade, tubul de titan se extinde și se contractă. Deformarea ciclică este acomodată prin alunecare și alunecarea graniței. Materialul cu granulație-fină are mai multe limite de granulație pe unitate de volum, permițând tulpinii să fie distribuită mai uniform. Inițierea fisurilor are loc la benzile de alunecare și la limitele granulelor; boabele mai fine reduc lungimea de alunecare și concentrația de tensiuni la limitele de cereale. Rata de creștere a fisurilor de oboseală urmează da/dN ∝ d^0,5, unde d este dimensiunea granulelor. Reducerea la jumătate a diametrului boabelor reduce rata de creștere a fisurilor cu 30%. În plus, boabele fine oferă mai multe bariere în calea propagării fisurilor, forțând fisurile să schimbe direcția și să disipeze energia.

Dimensiunea cantitativă a boabelor recristalizate ca funcție a muncii la rece

Recoacere controlată a tuburilor de titan de gradul 2 la 700 de grade timp de 30 de minute, după diferite niveluri de lucru la rece, a stabilit următoarele dimensiuni ale granulelor recristalizate. La lucru la rece 5%, dimensiunea granulelor recristalizate este ASTM 3–5 (diametru 50–125 µm), iar duritatea după recoacere este de 160–180 HV. La 10% lucru la rece, dimensiunea granulelor este ASTM 5–7 (32–64 µm), iar duritatea este de 170–190 HV. La 15% lucru la rece, dimensiunea granulelor este ASTM 7–8 (22–45 µm), iar duritatea este de 180–200 HV. La 20% lucru la rece, dimensiunea granulelor este ASTM 8–9 (16–32 µm), iar duritatea este 190–210 HV. La 30% lucru la rece, dimensiunea granulelor este ASTM 9–10 (11–22 µm), iar duritatea este 200–220 HV. La 40% lucru la rece, dimensiunea granulelor este ASTM 10–11 (8–16 µm), iar duritatea este de 210–230 HV.

Durata de viață la oboseală termică la 300 de grade în funcție de dimensiunea granulelor

Testarea ciclică în aer la 300 de grade cu o variație de temperatură de 250 de grade (50 de grade până la 300 de grade) peste 10.000 de cicluri a stabilit următoarele adâncimi de fisuri de oboseală termică pentru titanul de gradul 2. Pentru dimensiunea granulelor ASTM 3–5 (lucrare la rece 5%), adâncimea fisurii după 10.000 de cicluri este de 150–300 µm, iar durata de viață la oboseală până la fisura de 1 mm este de 30.000–50.000 de cicluri. Pentru dimensiunea granulelor ASTM 5–7 (10% lucru la rece), adâncimea fisurii este de 80–150 µm, iar durata de viață până la 1 mm este de 60.000–100.000 de cicluri. Pentru dimensiunea granulelor ASTM 7–8 (15% lucru la rece), adâncimea fisurii este de 40–80 µm, iar durata de viață până la 1 mm este de 120.000–200.000 de cicluri. Pentru dimensiunea granulelor ASTM 8–9 (20% lucru la rece), adâncimea fisurii este de 20–40 µm, iar durata de viață până la 1 mm este de 250.000–400.000 de cicluri. Pentru dimensiunea granulelor ASTM 9–10 (30% lucru la rece), adâncimea fisurii este de 10–20 µm, iar durata de viață până la 1 mm depășește 500.000 de cicluri.

Ghid de selecție pentru lucru la rece și dimensiunea granulelor pentru serviciul aerian la 300 de grade

Următorul tabel oferă recomandări pentru nivelul de lucru anterior la rece și dimensiunea granulelor rezultată pentru tuburile de încălzire din titan destinate funcționării în aer la 300 de grade, pe baza ciclurilor termice așteptate și a duratei de viață dorite la oboseală.

Inginerie dincolo de controlul muncii la rece

Calitatea de titan afectează comportamentul de recristalizare. Gradul 7 se recristalizează la o temperatură puțin mai mare decât gradul 2 datorită paladiului, dar dimensiunea finală a granulelor pentru un anumit nivel de lucru la rece este similară. Gradul 5 (Ti-6Al-4V) nu se recristalizează complet în aceste condiții. Grosimea peretelui nu afectează în mod direct dimensiunea granulelor, ci influențează timpul de propagare a fisurilor; un perete de 2,0 mm cu o fisură de 20 µm are 98% din perete rămas. Temperatura și timpul de recoacere afectează și dimensiunea granulelor; temperaturi mai ridicate sau timpi mai îndelungaţi grăunţele grosiere. Pentru o rezistență maximă la oboseală termică, lucrul la rece peste 20% este benefic, dar lucrul excesiv la rece (peste 40%) poate provoca crăpare în timpul tragerii.

Realizarea unei specificații informate

Pentru un tub de încălzire din titan care funcționează în aer la 300 de grade cu cicluri termice semnificative, specificați un nivel anterior de lucru la rece de 20-30% înainte de recoacere finală. Necesită o dimensiune finală a granulelor recristalizate de ASTM 8 sau mai fină. Pentru aplicații cu mai puțin de 60.000 de cicluri așteptate, 10–15% lucru la rece este acceptabil. Pentru ciclism sever (pornire{11}}oprire zilnică timp de 10 ani, aproximativ 3.650 de cicluri), diferența dintre ASTM 5 și ASTM 8 este neglijabilă, iar lucrul la rece standard este suficient. Pentru aplicații critice cu ciclu termic rapid (mai multe cicluri pe zi), specificați 30% lucru la rece și dimensiunea granulelor ASTM 9 sau mai fine. Prin controlul nivelului de lucru la rece înainte de recoacere, inginerul adaptează dimensiunea granulelor pentru a atinge rezistența necesară la oboseală termică la 300 de grade.,