Ползите могат да бъдат получени чрез вникване в един слой от структурата на зърната, който контролира механичното поведение на неръждаемата стомана. Getty Images
Изборът на неръждаема стомана и алуминиеви сплави обикновено се съсредоточава около якост, пластичност, удължение и твърдост. Тези свойства показват как градивните елементи на метала реагират на приложените натоварвания. Те са ефективен индикатор за управление на ограниченията на суровините;тоест колко ще се огъне, преди да се счупи. Суровината трябва да може да издържи процеса на формоване, без да се счупи.
Разрушителното изпитване на опън и твърдост е надежден, рентабилен метод за определяне на механичните свойства. Въпреки това, тези тестове не винаги са толкова надеждни, след като дебелината на суровината започне да ограничава размера на тестовата проба. Изпитването на опън на плоски метални продукти, разбира се, все още е полезно, но могат да се извлекат ползи, като се разгледа по-задълбочено един слой от структурата на зърната, който контролира нейното механично поведение.
Металите са съставени от поредица от микроскопични кристали, наречени зърна. Те са произволно разпределени в метала. Атомите на легиращи елементи, като желязо, хром, никел, манган, силиций, въглерод, азот, фосфор и сяра в аустенитни неръждаеми стомани, са част от едно зърно. Тези атоми образуват твърд разтвор от метални йони, които са свързани в кристалната решетка чрез техните споделени електрони.
Химичният състав на сплавта определя термодинамично предпочитаното подреждане на атомите в зърната, известно като кристална структура. Хомогенните части от метал, съдържащи повтаряща се кристална структура, образуват едно или повече зърна, наречени фази. Механичните свойства на сплавта са функция на кристалната структура в сплавта. Същото важи и за размера и разположението на зърната на всяка фаза.
Повечето хора са запознати с етапите на водата. Когато течната вода замръзне, тя се превръща в твърд лед. Въпреки това, когато става дума за метали, няма само една твърда фаза. Някои семейства сплави са кръстени на техните фази. Сред неръждаемите стомани аустенитните сплави от серия 300 се състоят предимно от аустенит, когато са закалени. Въпреки това, сплавите от серия 400 се състоят от ферит в неръждаема стомана 430 или мармин напрежение в сплави от неръждаема стомана 410 и 420.
Същото важи и за титановите сплави. Името на всяка група сплави показва тяхната преобладаваща фаза при стайна температура – ​​алфа, бета или смес от двете. Има алфа, почти алфа, алфа-бета, бета и почти бета сплави.
Когато течният метал се втвърди, твърдите частици от термодинамично предпочитаната фаза ще се утаят, където налягането, температурата и химичният състав позволяват. Това обикновено се случва на повърхности, като ледени кристали на повърхността на топло езеро в студен ден. Когато зърната образуват ядра, кристалната структура расте в една посока, докато се срещне друго зърно. Границите на зърната се образуват в пресечните точки на несъответстващи решетки поради различните ориентации на кристала структури. Представете си, че поставяте куп кубчета на Рубик с различни размери в кутия. Всяко кубче има квадратна мрежа, но всички те ще бъдат подредени в различни произволни посоки. Напълно втвърденият метален детайл се състои от поредица от привидно произволно ориентирани зърна.
Всеки път, когато се формира зърно, има възможност за линейни дефекти. Тези дефекти са липсващи части от кристалната структура, наречени дислокации. Тези дислокации и тяхното последващо движение през зърното и през границите на зърното са основни за пластичността на метала.
Напречното сечение на детайла се монтира, шлифова, полира и ецва, за да се види структурата на зърната. Когато са еднакви и равноосни, микроструктурите, наблюдавани на оптичен микроскоп, изглеждат малко като пъзел. В действителност зърната са триизмерни и напречното сечение на всяко зърно ще варира в зависимост от ориентацията на напречното сечение на детайла.
Когато кристалната структура е изпълнена с всичките си атоми, няма място за движение, освен разтягането на атомните връзки.
Когато премахнете половината от ред атоми, вие създавате възможност за друг ред атоми да се приплъзне в тази позиция, като ефективно премести дислокацията. Когато се приложи сила към детайла, агрегираното движение на дислокациите в микроструктурата му позволява да се огъва, разтяга или компресира, без да се счупи или счупи.
Когато сила действа върху метална сплав, системата увеличава енергията. Ако се добави достатъчно енергия, за да предизвика пластична деформация, решетката се деформира и се образуват нови дислокации. Изглежда логично това да увеличи пластичността, тъй като освобождава повече пространство и по този начин създава потенциал за повече движение на дислокации. Въпреки това, когато дислокациите се сблъскат, те могат да се фиксират една друга.
Тъй като броят и концентрацията на дислокации се увеличават, все повече и повече дислокации се закрепват заедно, намалявайки пластичността. В крайна сметка се появяват толкова много дислокации, че студеното формоване вече не е възможно. Тъй като съществуващите дислокации на закрепване вече не могат да се движат, атомните връзки в решетката се разтягат, докато се счупят или счупят. Ето защо металните сплави се втвърдяват и защо има ограничение за количеството пластична деформация, която металът може да издържи, преди да се счупи.
Зърното също играе важна роля при отгряването. Отгряването на втвърден при работа материал по същество нулира микроструктурата и по този начин възстановява пластичността. По време на процеса на отгряване зърната се трансформират в три стъпки:
Представете си човек, който минава през претъпкан вагон. Тълпите могат да бъдат притиснати само чрез оставяне на празнини между редовете, като размествания в решетка. Докато напредват, хората зад тях запълват празнотата, която оставят, докато създават ново пространство отпред. След като стигнат до другия край на вагона, подреждането на пътниците се променя. Ако твърде много хора се опитат да преминат едновременно, пътниците, които се опитват да направят място за движението си, ще се сблъскат един с друг и ще се ударят стените на вагоните, приковавайки всички на място. Колкото повече размествания се появяват, толкова по-трудно им е да се движат едновременно.
Важно е да се разбере минималното ниво на деформация, необходимо за задействане на рекристализация. Въпреки това, ако металът няма достатъчно енергия за деформация, преди да бъде нагрят, рекристализация няма да настъпи и зърната просто ще продължат да растат отвъд първоначалния си размер.
Механичните свойства могат да се регулират чрез контролиране на растежа на зърното. Границата на зърното е по същество стена от дислокации. Те възпрепятстват движението.
Ако растежът на зърната е ограничен, ще се получат по-голям брой малки зърна. Тези по-малки зърна се считат за по-фини по отношение на структурата на зърната. Повече граници на зърната означават по-малко движение на дислокации и по-висока якост.
Ако растежът на зърното не е ограничен, структурата на зърното става по-груба, зърната са по-големи, границите са по-малки и якостта е по-ниска.
Размерът на зърното често се нарича число без единица, някъде между 5 и 15. Това е относително съотношение и е свързано със средния диаметър на зърното. Колкото по-голямо е числото, толкова по-фина е грануларността.
ASTM E112 очертава методи за измерване и оценка на размера на зърното. Това включва преброяване на количеството зърно в дадена област. Това обикновено се прави чрез рязане на напречно сечение на суровината, шлайфане и полиране и след това ецване с киселина, за да се изложат частиците. Броенето се извършва под микроскоп и увеличението позволява адекватно вземане на проби от зърната. Присвояването на номера на размера на зърното по ASTM показва разумно ниво на еднородност във формата и диаметъра на зърното. Може дори да е изгодно да се ограничи вариацията в размера на зърното до две или три точки, за да се осигури постоянна производителност в целия детайл.
В случай на втвърдяване при работа, якостта и пластичността имат обратна връзка. Връзката между размера на зърното по ASTM и здравината има тенденция да бъде положителна и силна, като цяло удължението е обратно пропорционално на размера на зърното по ASTM. Въпреки това, прекомерният растеж на зърното може да причини „мъртво меките“ материали да не се втвърдяват повече ефективно.
Размерът на зърното често се нарича число без единица, някъде между 5 и 15. Това е относително съотношение и е свързано със средния диаметър на зърното. Колкото по-висока е стойността на размера на зърното по ASTM, толкова повече зърна са на единица площ.
Размерът на зърното на отгрятия материал варира в зависимост от времето, температурата и скоростта на охлаждане. Отгряването обикновено се извършва между температурата на рекристализация и точката на топене на сплавта. Препоръчителният температурен диапазон на отгряване за аустенитна сплав от неръждаема стомана 301 е между 1900 и 2050 градуса по Фаренхайт. Тя ще започне да се топи около 2550 градуса по Фаренхайт. За разлика от това, търговските чисто чистият титан от клас 1 трябва да бъде откален при 1292 градуса по Фаренхайт и да се стопи около 3000 градуса по Фаренхайт.
По време на отгряването процесите на възстановяване и рекристализация се конкурират помежду си, докато рекристализираните зърна погълнат всички деформирани зърна. Степента на рекристализация варира в зависимост от температурата. След като рекристализацията приключи, растежът на зърното поема. Детайл от неръждаема стомана 301, закален при 1900°F за един час, ще има по-фина зърнеста структура от същия детайл, закален при 2000 °F за същото време.
Ако материалът не се поддържа в правилния диапазон на отгряване достатъчно дълго, получената структура може да бъде комбинация от стари и нови зърна. Ако са желани еднакви свойства в целия метал, процесът на отгряване трябва да има за цел постигане на равномерна зърнеста структура с равномерна ос. Униформа означава, че всички зърна са с приблизително еднакъв размер, а равноосност означава, че са с приблизително еднаква форма.
За да се получи еднаква и равномерна микроструктура, всеки детайл трябва да бъде изложен на едно и също количество топлина за същото време и трябва да се охлажда с една и съща скорост. Това не винаги е лесно или възможно с партидното отгряване, така че е важно поне да изчакате, докато целият детайл се насити при правилната температура, преди да изчислите времето за накисване. По-дългите времена на накисване и по-високите температури ще доведат до по-едра зърнеста структура/по-мек материал и обратно.
Ако размерът на зърното и якостта са свързани и силата е известна, защо да изчисляваме зърната, нали? Всички разрушителни тестове имат променливост. Изпитването на якост на опън, особено при по-ниски дебелини, до голяма степен зависи от подготовката на пробата. Резултатите за якост на опън, които не представляват действителните свойства на материала, могат да претърпят преждевременна повреда.
Ако свойствата не са еднакви в целия детайл, вземането на образец за изпитване на опън или проба от един ръб може да не разкаже цялата история. Подготовката на пробата и тестването също може да отнеме много време. Колко теста са възможни за даден метал и в колко посоки е осъществимо? Оценяването на структурата на зърната е допълнителна застраховка срещу изненади.
Анизотропен, изотропен. Анизотропията се отнася до насочеността на механичните свойства. В допълнение към якостта, анизотропията може да бъде по-добре разбрана чрез изследване на структурата на зърната.
Еднородната и равноосна зърнеста структура трябва да бъде изотропна, което означава, че има еднакви свойства във всички посоки. Изотропията е особено важна при процеси на дълбоко изтегляне, където концентричността е критична. Когато заготовката се изтегли във формата, анизотропният материал няма да тече равномерно, което може да доведе до дефект, наречен назъбване. Обицата се появява там, където горната част на чашата образува вълнообразен силует. Изследване на структурата на зърната може да разкрие местоположението на нехомогенностите в детайла и да помогне за диагностицирането на основната причина.
Правилното отгряване е от решаващо значение за постигане на изотропия, но също така е важно да се разбере степента на деформация преди отгряването. Тъй като материалът се деформира пластично, зърната започват да се деформират. В случай на студено валцуване, превръщайки дебелината в дължина, зърната ще се удължат в посоката на валцоване. Тъй като съотношението на зърното се променя, изотропията и общите механични свойства също се променят. В случай на силно деформирани детайли , известна ориентация може да се запази дори след отгряване. Това води до анизотропия. За дълбоко изтеглени материали понякога е необходимо да се ограничи количеството на деформация преди окончателното отгряване, за да се избегне износване.
портокалова кора. Вдигането не е единственият дефект при дълбоко изтегляне, свързан с матрицата. Портокалова кора се получава, когато се изтеглят суровини с твърде груби частици. Всяко зърно се деформира независимо и като функция на своята кристална ориентация. Разликата в деформацията между съседни зърна води до текстуриран вид, подобен на портокалова кора. Текстурата е гранулираната структура, разкрита на повърхността на стената на чашата.
Точно като пикселите на телевизионен екран, с финозърнеста структура, разликата между всяко зърно ще бъде по-малко забележимо, като ефективно ще се увеличи разделителната способност. Определянето на механичните свойства само по себе си може да не е достатъчно, за да се осигури достатъчно фин размер на зърното, за да се предотврати ефектът на портокаловата кора. Когато промяната в размерите на детайла е по-малка от 10 пъти диаметъра на зърното, свойствата на отделните зърна ще управляват поведението на формоване. Той не се деформира еднакво върху много зърна, но отразява специфичния размер и ориентация на всяко зърно. Това може да се види от ефекта на портокаловата кора по стените на нарисуваните чаши.
За размер на зърното ASTM от 8, средният диаметър на зърното е 885 µin. Това означава, че всяко намаляване на дебелината от 0,00885 инча или по-малко може да бъде повлияно от този ефект на микроформоване.
Въпреки че едрите зърна могат да причинят проблеми с дълбокото изтегляне, те понякога се препоръчват за отпечатване. Щамповането е процес на деформация, при който заготовката се компресира, за да придаде желана топография на повърхността, като например една четвърт от лицевите контури на Джордж Вашингтон. За разлика от тегленето на тел, щамповането обикновено не включва голям поток от насипен материал, но изисква много сила, която може просто да деформира повърхността на заготовката.
Поради тази причина минимизирането на напрежението на повърхностния поток чрез използване на по-груба зърнеста структура може да помогне за облекчаване на силите, необходими за правилното запълване на формата. Това е особено вярно за отпечатване със свободна матрица, където дислокациите върху повърхностните зърна могат да текат свободно, вместо да се натрупват по границите на зърната.
Тенденциите, обсъдени тук, са обобщения, които може да не се отнасят за конкретни секции. Въпреки това, те подчертават предимствата от измерването и стандартизирането на размера на зърното на суровината при проектирането на нови части, за да се избегнат общи дефекти и да се оптимизират параметрите на формоване.
Производителите на машини за прецизно щамповане на метали и операции за дълбоко изтегляне върху метал за оформяне на техните части ще работят добре с металурзите на технически квалифицирани прецизни превалцовачи, които могат да им помогнат да оптимизират материалите до нивото на зърното. Когато металургични и инженерни експерти от двете страни на връзката са интегрирани в един екип, това може да има трансформиращо въздействие и да доведе до по-положителни резултати.
STAMPING Journal е единственото индустриално списание, посветено на обслужването на нуждите на пазара за щамповане на метали. От 1989 г. изданието обхваща авангардни технологии, индустриални тенденции, най-добри практики и новини, за да помогне на професионалистите по щамповане да управляват бизнеса си по-ефективно.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal вече е напълно достъпно, осигурявайки лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Насладете се на пълен достъп до дигиталното издание на STAMPING Journal, което предоставя най-новите технологични постижения, най-добри практики и новини в индустрията за пазара на метално щамповане.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The Fabricator en Español, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.