Quando un tubo riscaldante in titanio di grado 2 viene sottoposto a un raffreddamento rapido da 200 gradi a 20 gradi in salamoia al 5% di NaCl, in che modo la velocità di raffreddamento (50 gradi/s rispetto a . 10 gradi/s) modifica la profondità dello strato Alpha-Case e la sollecitazione di trazione residua in superficie?
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Il forte gradiente termico è dovuto al rapido raffreddamento dei tubi riscaldanti in titanio di grado 2 da una temperatura compresa tra 200 e 20 gradi in salamoia NaCl al 5%. Lo strato alfa-case (superficie arricchita con ossigeno) aumenta fino a una profondità di 5-10 µm con una velocità di raffreddamento di 50 gradi/s (estinzione in acqua) e lo stress di trazione residuo sulla superficie arriva a 150-250 MPa. Alla velocità di raffreddamento inferiore di 10 gradi/s (raffreddamento ad aria), la profondità dell'alloggiamento alfa è di 2-5 µm e la sollecitazione di trazione residua è di 50-100 MPa. Il raffreddamento più rapido porta a gradienti di temperatura maggiori che aumentano la diffusione dell'ossigeno e lo stress residuo. La durata a fatica è ridotta del 50-70% a causa dello stress più elevato e dell'alloggiamento alfa più spesso.
Meccanismo di crescita del quench-caso alfa indotto e stress residuo
A temperature più elevate (200 gradi) l'ossigeno dell'aria si diffonde nella superficie del titanio, generando uno strato di cassa alfa-. Lo spessore di questo strato obbedisce ad una legge parabolica: d √(t × exp (-Ea/RT)). La superficie si raffredda più velocemente del nucleo durante il raffreddamento, con conseguente disadattamento nella contrazione termica. La superficie è sotto tensione e il nucleo sotto compressione. Lo stress residuo è proporzionale alla velocità di raffreddamento. Maggiore è la profondità del caso alfa-, maggiore è la quantità di ossigeno intrappolato nella soluzione e più rapido il raffreddamento.
Quantificazione della profondità del caso alfa- e dello stress residuo in funzione della velocità di raffreddamento
Test controllati su tubi di titanio di grado 2 riscaldati a 200 gradi C per 1 ora e raffreddati in una salamoia al 5% di NaCl a varie velocità di raffreddamento hanno dimostrato quanto segue: Per una velocità di raffreddamento di 1 grado/s (raffreddamento in forno), la profondità del caso alfa- è di 1-2 µm, la sollecitazione di trazione superficiale residua è di 10-20 MPa e la riduzione relativa della durata a fatica rispetto al materiale non riscaldato è inferiore al 5%. A 5 gradi/s, la profondità è di 2-4 um, lo stress è di 30-60 MPa e la riduzione è del 10-20%. La profondità è 3-5 um, lo stress è 50-100 MPa e la riduzione è 20-30% a 10°C/sec. 20 gradi/sec 4-7 micron 80-150 MPa 30-50% A 50 gradi/s (raffreddamento in acqua) la profondità è 5-10 µm, la tensione è 150-250 MPa e la diminuzione è 50-70 %. A 100 gradi/s (estinzione dell'acqua ghiacciata) la profondità è di 8-15 µm, lo stress è di 200-350 MPa e la riduzione è del 70-85%.
Influenza della temperatura di picco e del tempo di permanenza sulla sensibilità al quench
L'impatto del raffreddamento dipende dalla temperatura di picco e dal tempo di mantenimento. La temperatura di picco è di 150 gradi con un raffreddamento di 50 gradi/s dopo aver mantenuto per 1 ora. La profondità del caso alfa- è 3-6 µm e lo stress residuo è 100-180 MPa. A 200 gradi la profondità è di 5-10 μm e lo stress è di 150-250 MPa. A 250 gradi, la profondità è 10-20 µm e la tensione è 200-350 MPa. A 300 gradi la profondità è di 20–40 µm e lo stress è di 300–500 MPa con grave infragilimento. 2 ore a 200 gradi contro . 10 minuti raddoppia la profondità del caso alfa per la stessa velocità di raffreddamento.
Guida alla selezione per la velocità di raffreddamento Minimizza Alpha-Case e stress residuo
La tabella seguente fornisce raccomandazioni per le velocità massime di raffreddamento per tubi in titanio di grado 2 che sono stati riscaldati a 200 gradi, in base alla profondità accettabile della cassa alfa-e allo stress residuo.
Alfa accettabile-Profondità della cassa (μm Sollecitazione di trazione residua accettabile (MPa Velocità di raffreddamento massima (gradi/sec) Metodo di raffreddamento consigliato Riduzione della durata a fatica prevista (%)<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
Ingegneria oltre il controllo della velocità di raffreddamento
La qualità del titanio influisce sulla formazione della cassa alfa-. paragonabile al Grado 2, il Grado 7 mostra un caso alfa- comparabile alla stessa temperatura e velocità di raffreddamento, sebbene l'infragilimento sia mitigato dal palladio. Lo spessore delle pareti influenza la distribuzione delle tensioni residue, in cui pareti più spesse (3,0 mm) producono tensioni residue più elevate sulla superficie per la stessa velocità di raffreddamento, a causa di un gradiente termico maggiore. La ricottura di distensione post-quench a 540 gradi C per 30 minuti riduce lo stress residuo dell'80-90% ma non rimuove il caso alfa-. L'involucro alfa può essere rimosso mediante decapaggio in 20% HNO₃ + 3% HF per 5-10 minuti per rimuovere 20-40 µm di materiale superficiale.
Una specifica ben informata
Per mantenere la profondità della custodia alfa- inferiore a 5 µm e la sollecitazione di trazione residua inferiore a 100 MPa per un tubo riscaldante in titanio di grado 2 riscaldato a 200 gradi e raffreddato in salamoia NaCl al 5%, la velocità di raffreddamento deve essere limitata a 10 gradi/sec (raffreddamento ad aria). Se la tempra in acqua è inevitabile (50 gradi/s), specificare il decapaggio post-quench per rimuovere il caso alfa-e la ricottura di distensione per eliminare lo stress residuo. Per applicazioni essenziali, non spegnere affatto ma lasciare raffreddare naturalmente il tubo all'aria. L'ingegnere controlla la velocità del raffreddamento per ridurre al minimo l'infragilimento alfa-case e lo stress residuo nei tubi riscaldanti in titanio.
