Kad titāna sildīšanas caurule tiek izmantota sālsūdens dzesētāja iztvaicētājā (iegremdēta 20% CaCl₂ sālījumā ar -20 līdz 40 grādu siltumsūkņa cikliem), kā sienas biezums ietekmē trausluma un lūzumu risku zemā temperatūrā?

Pamata{0}}atlaide titāna sildītāja dizainam zem nulles sālījuma pakalpojumam
Sālījuma dzesētāja iztvaicētājos kā sekundāro aukstumaģentu tiek izmantots 20% kalcija hlorīda (CaCl2) sālsūdens, kas darbojas -20 grādos (iztvaikošana) un 40 grādos (kondensācija/atkausēšana). Dažreiz atkausēšanai vai temperatūras uzturēšanai tiek novietotas titāna sildīšanas caurules. Titānam ir pārejas temperatūra no kaļamā uz trauslu zem nulles. Atšķirībā no oglekļa tērauda, ​​titāns paliek elastīgs līdz pat -250 grādiem, tomēr robi, atlikušais spriegums vai ūdeņradis var izraisīt trauslu lūzumu zem -10 grādiem. Sienas biezums ietekmē sprieguma stāvokli iecirtuma galā un dzesēšanas ātrumu termiskās cikla laikā. Analīze novērtē zemas temperatūras trausluma lūzuma risku titāna apkures caurulēs, kuru cikls ir no -20 grādiem līdz 40 grādiem, un aprēķina sienu biezumu, kas samazina šo risku.

Ietekme uz mehānisko integritāti: titāna pāreja no plastiskas uz trauslu
Titāna 2. pakāpei ir sešstūraina cieši iepakota (HCP) kristāla struktūra. HCP metāliem, atšķirībā no BCC tēraudiem, nav straujas kaļamas -uz-trauslas pārejas temperatūras. Titāns parāda Šarpi trieciena enerģiju virs 50 J līdz -50 grādiem. Tomēr izturība pret lūzumiem pazeminās zem{12}}nulles temperatūrā, kamēr ir ass iegriezums (piem., metināts purngals, skrāpējums vai bedres vieta). 2. pakāpes titāna plaknes deformācijas lūzuma izturība K_IC pie 20 grādiem ir aptuveni 100 MPa√m un pie -20 grādiem tā samazinās līdz 70–80 MPa√m. Ja jums ir iecirtums kopā ar atlikušo stiepes spriegumu (no lieces vai metināšanas), varat iegūt trauslus lūzumus. Joprojām diezgan grūts.

Sienas biezums ietekmē spriedzes triaksialitāti roba galā. Jo lielāks biezums, jo spēcīgāks ir ierobežojums, ti, sprieguma stāvokļa triaksialitāte (tuvu plaknes deformācijai) ir lielāka, kā rezultātā samazinās šķietamā izturība pret lūzumu. Tika novērots, ka 2,0 mm sienai ir lielāks ierobežojums nekā 1,0 mm sienai, un tādējādi tā ir vairāk pakļauta trauslumam zemā temperatūrā. Aprēķini, kas balstīti uz lūzumu mehāniku, liecina, ka kritiskais bojājuma lielums trausliem lūzumiem pie -20 grādiem 1,0 mm sienai ir aptuveni 2 mm. 2,0 mm sienai tas ir 1,5 mm. Biezāka siena ir jutīgāka pret nelieliem defektiem.

Ietekme uz termisko veiktspēju: dzesēšanas ātrums un termiskais stress
Pārejas laikā no 40 grādiem uz –20 grādiem titāna apvalks un iekšējās sastāvdaļas (MgO, pretestības stieple) saspiežas dažādos ātrumos, radot termisko spriegumu. Termiskais spriegums $\\sigma_{termālais}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, krietni zem ražas. Bet sildītāja aukstā cikla darbības laikā papildu elektriskā apkure izraisa temperatūras gradienta veidošanos pāri sienai. Biezākai sienai (2,0 mm) ir lielāks gradients (ΔT_cond=2.5 grāds pie 2,0 W/cm²) nekā plānākai sienai (1,2 grādi). Gradients arī rada lieces spriegumu uz iekšējās virsmas.

Kompromisa-sintēze: sieniņu biezums un zemas-temperatūras lūzuma risks
Sienas biezums (mm) Lūzuma stingrība KIC pie -20 grādiem (MPa√m) Lūzuma kritiskais plaisas izmērs (mm) Atlikušais spriegums lieces dēļ (MPa) Lūzuma risks zemā temperatūrā
0,8 mm 80 (dominējošais plaknes spriegums) 2,5 mm 50 MPa Zems 1,0 mm 78 (jauktais režīms) 2,2 mm 55 MPa Zems 1,2 mm 75 (jauktais režīms) 1,9 mm 60 MPa Zems-Mērens
1,5 mm 72 (tuvojas plaknes deformācijai) 1,6 mm 65 MPa Vidēja 2,0 mm 68 (plaknes deformācija) 1,3 mm 75 MPa Vidēja-Augsta
Biezākas sienas ir mazāk izturīgas{0}}(lielāks ierobežojums), un tām ir mazāki kritisko defektu izmēri, tāpēc tās ir vairāk pakļautas trausliem lūzumiem nelielu defektu dēļ.

Inženierzinātnes ārpus sienas: sakausējumi un defektu kontrole
Tā kā lūzumu risku nosaka defektu lielums un ierobežojumi, defektu samazināšana ir efektīvāka nekā sienas biezuma maiņa. Titāna virsmas elektropolēšana (Ra Mazāks vai vienāds ar 0,2 µm) novērš asus robus un samazina stresa koncentrāciju. Tipiskākās lūzuma sākuma vietas tiek novērstas, nodrošinot, ka metinātās šuves ir gludas (bez apakšas). Titāna 1. pakāpes palielināšana (mazāk dzelzs un skābekļa, lielāka elastība) uzlabo izturību zemā temperatūrā. 1. pakāpei K_IC ir 90–100 MPa√m pie -20 grādiem, tāpēc tā būtībā ir imūna pret trausliem lūzumiem pat pie 2,0 mm sieniņu biezuma. Ļoti zemas temperatūras apkalpošanai priekšroka tiek dota 1. pakāpei.

Secinājums: plāna siena (1,0–1,2 mm) ir piemērota zemas-sālījuma pakalpojumam
Trausluma un lūzuma risks zemā-temperatūrai titāna karsēšanas caurulei 20% CaCl2 sālījumā ar ciklu -20 grādi un 40 grādi ir lielāks, ja sienas biezums ir plānāks (1,0–1,2 mm), nekā tad, ja tā ir biezāka (1,8–2,0 mm). Biezākām sienām ir augstāka sprieguma triaksialitāte (ierobežojums), kas samazina šķietamo lūzuma izturību un samazina kritisko defektu izmēru trausliem lūzumiem. Pie -20 grādiem 2,0 mm siena var tikt salauzta ar 1,3 mm defektu, savukārt 1,0 mm siena var izturēt 2,2 mm defektu. Ieteicamā specifikācija ir 1. vai 2. pakāpes titāna sieniņu biezums 1,0–1,2 mm, elektropulētas virsmas apdare un gludas slīpētas metināšanas šuves. Jāizvairās no biezākām sienām (lielākas vai vienādas ar 1,5 mm), izņemot jaunināšanu uz 1. klases titānu. Sniedziet ražotājam minimālo darba temperatūru un paredzamo defektu izmēru (piemēram, skrāpējumi, metinātās šuves griezumi). Šķīdinātājs ir labāks, lai nodrošinātu izturību pret lūzumiem sālsūdens dzesētāja apkalpošanā ar minusa cikliem.