Какъв е количественият термичен стрес (MPa), развит в стена на титанов нагревател с дебелина 2,5 mm по време на охлаждане от 95 градуса до 20 градуса вода?

Процесор, загрижен за повреда от топлинен шок на дебел{0}}стенен титанов нагревател (2,5 мм) след закаляване от 95 градуса до 20 градуса вода, може да определи количественото термично напрежение, създадено в стената, от уравнението за термично напрежение за бързо охладена тръба. Максималното топлинно напрежение (σ th ) възниква на вътрешната повърхност (приемайки бързо охлаждане отвън) и се дава от: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Където E е модул на еластичност (110 GPa), е коефициент на топлинно разширение (8,6 × 10 -6 / градус), T Δ е температурната промяна (75 градуса), ν е Коефициентът на Поасон (0,34) и f( ) е геометричен фактор, зависим от числото на Био (скорост на охлаждане). За тръба с дебели - стени (t=2.5 mm, OD=25 mm), закалена във вода (h=1,000-5000 W/m²K, число на Биот > 10) f( ) ≈ 1,0 (пълен термичен удар). Изчисленото топлинно напрежение е 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. Това напрежение е около 39 процента от границата на провлачване (275 MPa) и 54 процента от максималната якост на опън (345 MPa). Напукване от термична умора може да бъде предизвикано от повтарящи се топлинни удари (100-1000 цикъла) при напрежения под границата на провлачване.

Механизъм на образуване на термични напрежения при закаляване
Ако гореща титанова тръба се потопи в студена вода, външната повърхност се охлажда и компресира бързо. Вътрешната повърхност, оставайки гореща, се противопоставя на това свиване, поставяйки външната повърхност в напрежение, а вътрешната повърхност в компресия (за тръба, охлаждана отвън). За високи коефициенти на топлопреминаване (h > 5000 W/m²K) температурната разлика по дебелината на стената може да бъде 30-50 градуса за 2,5 mm стена през първите няколко секунди на охлаждане. Топлинното напрежение е свързано с моментната температурна разлика в стената и е максимално при около 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Изчислените 108 MPa са максималното напрежение по време на охлаждането. Ако границата на провлачване е превишена, настъпва пластична деформация и остават напрежения на опън след охлаждане, което увеличава чувствителността към корозионно напукване под напрежение.

Количествено определяне на термичния стрес като функция от дебелината на стената и степента на охлаждане
Дебелина на стената t (mm) Коефициент на топлопреминаване на охлаждащата среда h (W/m 2 K) Макс. ΔT през стената (градус) Термично напрежение (MPa) % от добива (275 MPa) Опасност от пластична деформация
1,5 Негазирана вода (мека) 500 15 22 8% Няма 1,5 Разбъркана вода 2,000 30 43 16% Няма
1.5 Охлаждане (студена вода) 5,000 45 65 24% Няма
2.0 Охлаждане (студена вода) 5,000 55 79 29% Няма 2.5 Охлаждане (студена вода) 5,000 65 108 39% Няма (еластично)
3.0 Охлаждане (Студена вода) 5,000 75 125 45% Няма (Еластично)
2.5 Ледена вода (0 градуса, ΔT=95 градуса) 10,000 85 140 51% Близък до добив
3.0 Ледена вода (0 градуса) 10000 100 165 60%Вероятна е пластична деформация
Базирано на сценарий{0}}ръководство за управление на термични удари
Работно състояние и тип охлаждане Дебелина на стената (mm) Термичен стрес (MPa) Риск от напукване Препоръчително действие:
Нормално изключване, въздушно охлаждане (бавно) 1,5-3,0 < 10 Нищо Няма проблеми
Нормално изключване, изплакване с вода (топла) 1.5-2.0 20-40 Няма приемливо
Аварийно охлаждане (студена вода, един-път) 2.5 108 Ниско (един-път) Приемливо. Проверка след събитие.
Аварийно гасене (ледена вода, единичен инцидент) 2.5 140 Умерено (може да поддаде локално) Отстранете нагревателя за проверка Проверка на деформацията.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) с охлаждане с вода Намалена скорост на охлаждане.
Често (ежедневно) закаляване Всяко > 2,0 > 100 Високо (напукване от умора) Използвайте постепенно охлаждане (контролирана скорост) вместо охлаждане.
Quench from high temperature (>150 градуса ) 2,5 > 200 Тежък Не се препоръчва. Използвайте бавно охлаждане или друго вещество.
Инженерно смекчаване на термичния стрес,-предизвикан от охлаждане
Термичното закаляване е неизбежно при дебел{0}}стенни титаниеви нагреватели, но има три смекчаващи мерки, които помагат за намаляване на топлинния стрес. Първото смекчаване е използването на топла вода за охлаждане (40-50 градуса спрямо. 20 градуса). Намаляването на ΔT от 75 градуса на 45 градуса намалява термичния стрес от 108 MPa до 65 MPa (намаляване с 40%), напрежението далеч под провлачването. Второто смекчаване е да се използва неподвижна вода вместо разбъркана вода (h=500 W/m2K вместо 5000), за да се увеличи времето за охлаждане. Намаленият коефициент на топлопреминаване намалява температурния градиент през стената, намалявайки пиковото напрежение до 22 MPa за 2,5 mm стена. Третото смекчаване е предварителното охлаждане на нагревателя във въздуха преди закаляването с вода. Охлаждане във въздуха от 95 градуса до 60 градуса (10 минути), последвано от закаляване, намалява ΔT от 75 градуса на 40 градуса и следователно термичния стрес.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Загасете
Стена от титанов нагревател с дебелина 2,5 mm от клас 2 изпитва количествено топлинно напрежение от около 108 MPa по време на охлаждане от 95 градуса до 20 градуса вода с коефициент на топлопреминаване от 5000 W/m2K (разбърквана вода). Това напрежение е 39% от границата на провлачване на материала (275 MPa) и 54% от максималната якост на опън (345 MPa). Напрежението все още е в еластичния диапазон, така че еднократно закаляване няма да доведе до пластична деформация или бърза повреда. Повтарящото се закаляване с топлина (100-1000 цикъла) може да предизвика напукване от термична умора, особено при заварки, драскотини или други концентратори на напрежение. Топла вода за охлаждане (40-50 градуса), умерено охлаждане в неподвижна вода и предварително охлаждане на въздух преди охлаждане се препоръчват за подобряване на живота на нагревателя. Когато е необходимо често закаляване, намаляването на дебелината на стената до 1,5-2,0 mm намалява топлинното напрежение до 65-79 MPa, което е в рамките на безопасния еластичен диапазон.