Када се цев за грејање од титанијума користи у испаривачу расхладног раствора (потопљен у 20% ЦаЦл₂ слани раствор на -циклусима топлотне пумпе од 20 степени до 40 степени), како дебљина зида утиче на ризик од кртљења и лома при ниској температури?

Основни компромис-у дизајну грејача од титанијума за сервис саламура испод нуле
Испаривачи расхладног раствора користе 20% раствор калцијум хлорида (ЦаЦл2) као секундарно расхладно средство, радећи на -20 степени (испаравање) и 40 степени (кондензација/одмрзавање). Понекад се постављају титанијумске грејне цеви за одмрзавање или одржавање температуре. Титанијум има прелазну температуру од дуктилне до крхке испод нуле. Титанијум остаје дуктилан до -250 степени, за разлику од угљеничног челика, међутим зарези, заостала напетост или водоник могу изазвати крхко ломљење испод -10 степени. Дебљина зида утиче на стање напрезања на врху зареза и брзину хлађења током термичког циклуса. Анализа процењује ризик од лома кртости при ниској температури у цевима за грејање од титанијума које круже између -20 степени и 40 степени и израчунава дебљину зида која минимизира овај ризик.

Утицај на механички интегритет: дуктилно крто прелаз у титанијуму
Титанијум степена 2 има хексагоналну чврсто збијену (ХЦП) кристалну структуру. ХЦП метали, за разлику од БЦЦ челика, не показују оштру дуктилну-у-прелазну температуру. Титанијум показује Шарпијеву енергију удара изнад 50 Ј до -50 степени. Међутим, жилавост лома пада на температурама испод{12}}нуле, док постоји оштар зарез (нпр. врх завара, огреботина или место удубљења). Жилавост лома у равни деформације К_ИЦ титанијума степена 2 на 20 степени је око 100 МПа√м, а на -20 степени опада на 70–80 МПа√м. Ако имате зарез у комбинацији са преосталим затезним напоном (од савијања или заваривања), можете добити крхки лом. Још увек прилично тешко.

Дебљина зида утиче на триаксијалност затезања на врху зареза. Што је дебљина већа, то је ограничење јаче, тј. већа је триаксијалност напонског стања (близу равни деформације), што резултира смањењем привидне жилавости лома. Уочено је да зид од 2,0 мм има веће ограничење од зида од 1,0 мм и стога је склонији кртом лому на ниским температурама. Прорачуни засновани на механици лома показују да је критична величина квара за крти лом на -20 степени за зид од 1,0 мм око 2 мм. За зид од 2,0 мм то је 1,5 мм. Дебљи зид је подложнији мањим грешкама.

Утицај на термичке перформансе: брзина хлађења и топлотни стрес
Током преласка са 40 степени на -20 степени титанијумски омотач и унутрашње компоненте (МгО, отпорна жица) се компримују различитим брзинама, стварајући топлотни стрес. Топлотни напон $\\сигма_{термални}=Е*\\алпха*\\Делта Т=105 ГПа * 8,6е-6 * 60=54 МПа, знатно испод приноса. Али у хладном циклусу рада грејача, додатно електрично загревање доводи до стварања температурног градијента преко зида. Дебљи зид (2,0 мм) показује већи градијент (ΔТ_цонд=2.5 степен на 2,0 В/цм²) од тањег зида (1,2 степена). Градијент такође уводи напон савијања на унутрашњој површини.

Компромис{0}}синтеза: дебљина зида и ризик од лома на ниским{1}температурама
Дебљина зида (мм) Чврстоћа на лом КИЦ на -20 степени (МПа√м) Критична величина пукотине за лом (мм) Преостало напрезање услед савијања (МПа) Опасности од лома на ниским температурама
0,8 мм 80 (доминантно напрезање у равни) 2,5 мм 50 МПа Ниско 1,0 мм 78 (мешани режим) 2,2 мм 55 МПа Ниско 1,2 мм 75 (мешовити режим) 1,9 мм 60 МПа Ниско-Умерено
1,5 мм 72 (приближна раван деформација) 1,6 мм 65 МПа Умерено 2,0 мм 68 (равна деформација) 1,3 мм 75 МПа Умерено-Висока
Дебљи зидови су мање отпорни- на лом (веће ограничење) и имају мање критичне величине квара, тако да су склонији кртом лому због мањих дефеката.

Инжењеринг иза зида: легуре и контрола кварова
Пошто је ризик од лома вођен величином мана и ограничењем, смањење грешака је ефикасније од промене дебљине зида. Електрополирање површине титанијума (Ра мањи од или једнак 0,2 µм) елиминише оштре зарезе и смањује концентрацију напрезања. Најтипичнија подручја за почетак лома се елиминишу тако што се осигурава да су завари глатко брушени (без подрезивања). Повећање титанијума до степена 1 (мање гвожђа и кисеоника, већа дуктилност) побољшава жилавост на ниским температурама. Степен 1 ​​има К_ИЦ од 90–100 МПа√м на -20 степени, стога је у основи имун на крто ломљење чак и при дебљини зида од 2,0 мм. За рад на веома ниским температурама, предност је степен 1.

Закључак: танак зид (1,0 – 1,2 мм) погодан за услуге саламуре испод{2}}нуле
Опасност од ниско{0}}кртости и лома титанијумске грејне цеви у 20% раствору ЦаЦл2 са циклусом од -20 степени и 40 степени већа је када је дебљина зида тања (1,0–1,2 мм) него када је дебља (1,8–2,0 мм). Дебљи зидови имају већу триаксијалност напона (ограничење) што смањује привидну жилавост лома и смањује критичну величину квара за крти лом. На -20 степени зид од 2,0 мм може бити сломљен због квара од 1,3 мм, док зид од 1,0 мм може да издржи дефект од 2,2 мм. Препоручена спецификација је Граде 1 или Граде 2 дебљине зида од титанијума 1,0-1,2 мм, електрополирана површина и глатки брушени завари. Треба избегавати дебље зидове (веће или једнаке 1,5 мм), осим за надоградњу на титанијум степена 1. Обезбедите произвођачу минималну радну температуру и предвиђену величину грешке (нпр. огреботине, подрезивање завара). Тањи је бољи за отпорност на ломљење у расхладним уређајима са циклусима испод нуле.