Prednosti se mogu steći sticanjem uvida u jedan sloj zrnaste strukture koji kontroliše mehaničko ponašanje nerđajućeg čelika. Getty Images
Odabir nehrđajućeg čelika i legura aluminija općenito se fokusira na čvrstoću, duktilnost, istezanje i tvrdoću. Ova svojstva pokazuju kako građevni blokovi metala reagiraju na primijenjena opterećenja. Oni su efikasan pokazatelj upravljanja ograničenjima sirovina;odnosno koliko će se saviti prije loma. Sirovi materijal mora biti u stanju da izdrži proces oblikovanja bez lomljenja.
Destruktivno ispitivanje zatezanja i tvrdoće je pouzdana, isplativa metoda za određivanje mehaničkih svojstava. Međutim, ovi testovi nisu uvijek tako pouzdani kada debljina sirovog materijala počne ograničavati veličinu ispitnog uzorka. Ispitivanje zatezanja ravnih metalnih proizvoda je naravno i dalje korisno, ali koristi se mogu dobiti dublje gledanjem u jedan sloj mehaničke strukture zrna koji kontroliše njegovo mehaničko ponašanje.
Metali se sastoje od niza mikroskopskih kristala zvanih zrnca. Oni su nasumično raspoređeni po metalu. Atomi legirajućih elemenata, kao što su željezo, hrom, nikl, mangan, silicijum, ugljik, dušik, fosfor i sumpor u austenitnim nehrđajućim čelicima, dio su jednog atoma metala koji se formira u čvrstom zrnu metala. zajedničkim elektronima.
Hemijski sastav legure određuje termodinamički preferirani raspored atoma u zrnima, poznat kao kristalna struktura. Homogeni dijelovi metala koji sadrže ponavljajuću kristalnu strukturu formiraju jedno ili više zrnaca koje se nazivaju faze. Mehanička svojstva legure su funkcija kristalne strukture u leguri. Isto vrijedi i za veličinu i raspored svake faze zrna.
Većina ljudi je upoznata sa fazama vode. Kada se tečna voda zamrzne, postaje čvrsti led. Međutim, kada su metali u pitanju, ne postoji samo jedna čvrsta faza. Određene porodice legura su nazvane po svojim fazama. Među nerđajućim čelicima, austenitne legure serije 300 se sastoje prvenstveno od austenita kada se žare. ite u legurama nerđajućeg čelika 410 i 420.
Isto važi i za legure titanijuma. Naziv svake grupe legura ukazuje na njihovu dominantnu fazu na sobnoj temperaturi – alfa, beta ili mešavina oba. Postoje alfa, skoro alfa, alfa-beta, beta i skoro beta legure.
Kada se tečni metal stvrdne, čvrste čestice termodinamički poželjne faze će precipitirati tamo gde to dozvoljavaju pritisak, temperatura i hemijski sastav. To se obično dešava na granicama, kao što su kristali leda na površini toplog jezera tokom hladnog dana. Kada se zrna formiraju jezgro, kristalna struktura raste u jednom smeru sve dok se drugo zrno ne susreće. s. Zamislite da stavite gomilu Rubikovih kocki različitih veličina u kutiju. Svaka kocka ima kvadratni raspored rešetke, ali će sve biti raspoređene u različitim nasumičnim smjerovima. Potpuno očvrsnuti metalni radni komad sastoji se od niza naizgled nasumično orijentiranih zrna.
Svaki put kada se formira zrno, postoji mogućnost linijskih defekata. Ovim defektima nedostaju dijelovi kristalne strukture koji se nazivaju dislokacije. Ove dislokacije i njihovo naknadno kretanje kroz zrno i preko granica zrna su fundamentalni za duktilnost metala.
Poprečni presjek obratka se montira, bruši, polira i ugravira kako bi se prikazala struktura zrna. Kada su ujednačene i ravnopravne, mikrostrukture koje se promatraju na optičkom mikroskopu izgledaju pomalo kao slagalica. U stvarnosti, zrna su trodimenzionalna, a poprečni presjek svakog zrna će varirati u zavisnosti od orijentacije obratka.
Kada je kristalna struktura ispunjena svim svojim atomima, nema mjesta za kretanje osim rastezanja atomskih veza.
Kada uklonite polovinu reda atoma, stvarate priliku da drugi red atoma sklizne u taj položaj, efektivno pomjerajući dislokaciju. Kada se sila primjenjuje na radni komad, agregirano kretanje dislokacija u mikrostrukturi omogućava mu da se savija, rasteže ili stisne bez lomljenja ili lomljenja.
Kada sila djeluje na metalnu leguru, sistem povećava energiju. Ako se doda dovoljno energije da izazove plastičnu deformaciju, rešetka se deformira i nastaju nove dislokacije. Čini se logičnim da bi to trebalo povećati duktilnost, jer oslobađa više prostora i na taj način stvara potencijal za veće kretanje dislokacija. Međutim, kada se dislokacije sudaraju.
Kako se broj i koncentracija dislokacija povećava, sve više i više dislokacija se spaja zajedno, smanjujući duktilnost. Na kraju se pojavi toliko mnogo dislokacija da hladno oblikovanje više nije moguće. Budući da se postojeće dislokacije pričvršćivanja više ne mogu pomicati, atomske veze u rešetki se rastežu dok se ne razbiju ili prekinu. Zbog toga se metalna legura i legure mogu ograničiti da se plastika i legure razbiju. .
Zrno također igra važnu ulogu u žarenju. Žarenje materijala očvršćenog radom u suštini resetuje mikrostrukturu i time vraća duktilnost. Tokom procesa žarenja, zrna se transformišu u tri koraka:
Zamislite osobu koja prolazi kroz prepun vagon. Gužve se mogu stisnuti samo ostavljanjem praznina između redova, poput dislokacija u rešetki. Kako su napredovali, ljudi iza njih ispunjavali su prazninu koju su ostavili, dok su stvarali novi prostor ispred. Kada stignu do drugog kraja vagona, raspored putnika sa putnicima će se jednom promijeniti i pokušati da se sudare svaki putnik. zidove vagona, pričvršćujući sve na svoje mjesto. Što se više dislokacija pojavi, teže im je da se kreću u isto vrijeme.
Važno je razumjeti minimalni nivo deformacije koji je potreban da bi se pokrenula rekristalizacija. Međutim, ako metal nema dovoljno energije deformacije prije zagrijavanja, do rekristalizacije neće doći i zrna će jednostavno nastaviti rasti iznad svoje originalne veličine.
Mehanička svojstva se mogu podesiti kontrolom rasta zrna. Granica zrna je u suštini zid od dislokacija. One ometaju kretanje.
Ako je rast zrna ograničen, proizvodit će se veći broj malih zrna. Ova manja zrna se smatraju finijima u smislu strukture zrna. Više granica zrna znači manje pomaka dislokacije i veću čvrstoću.
Ako rast zrna nije ograničen, struktura zrna postaje grublja, zrna su veća, granice su manje, a snaga je manja.
Veličina zrna se često naziva brojem bez jedinica, negde između 5 i 15. Ovo je relativan odnos i povezan je sa prosečnim prečnikom zrna. Što je veći broj, to je finija granularnost.
ASTM E112 opisuje metode za mjerenje i procjenu veličine zrna. Uključuje brojanje količine zrna u datom području. Ovo se obično radi rezanjem poprečnog presjeka sirovog materijala, mljevenjem i poliranjem, a zatim ga nagrizanjem kiselinom kako bi se otkrile čestice. Brojanje se izvodi pod mikroskopom, a povećanje broja uzoraka ASTM omogućava povećanje veličine zrna. razuman nivo ujednačenosti oblika i prečnika zrna. Čak može biti korisno ograničiti varijacije u veličini zrna na dve ili tri tačke kako bi se obezbedio dosledan učinak na radnom komadu.
U slučaju stvrdnjavanja pri radu, čvrstoća i duktilnost imaju inverznu vezu. Odnos između ASTM veličine zrna i čvrstoće ima tendenciju da bude pozitivan i jak, općenito je istezanje obrnuto povezano s ASTM veličinom zrna. Međutim, prekomjerni rast zrna može uzrokovati da "mrtvo meki" materijali više ne budu djelotvorno stvrdnuti.
Veličina zrna se često naziva brojem bez jedinica, negde između 5 i 15. Ovo je relativan odnos i povezan je sa prosečnim prečnikom zrna. Što je veća ASTM vrednost veličine zrna, to je više zrna po jedinici površine.
Veličina zrna žarenog materijala varira s vremenom, temperaturom i brzinom hlađenja. Žarenje se obično izvodi između temperature rekristalizacije i tačke topljenja legure. Preporučeni raspon temperature žarenja za austenitnu leguru nehrđajućeg čelika 301 je između 1.900 i 2.050 stepeni Farenhajta, oko 5 stepeni Farenhajta. komercijalno čisti titanijum 1. treba da se žari na 1.292 stepena Farenhajta i rastopi na oko 3.000 stepeni Farenhajta.
Tokom žarenja, procesi oporavka i rekristalizacije se nadmeću jedan s drugim sve dok rekristalizirana zrna ne potroše sva deformirana zrna. Brzina rekristalizacije varira s temperaturom. Kada je rekristalizacija završena, rast zrna preuzima. °F za isto vrijeme.
Ako se materijal ne drži u odgovarajućem rasponu žarenja dovoljno dugo, rezultirajuća struktura može biti kombinacija starih i novih zrnaca. Ako se žele ujednačena svojstva u cijelom metalu, proces žarenja treba imati za cilj postizanje ujednačene jednakoosne strukture zrna. Uniform znači da su sva zrna približno iste veličine, a jednakoosna znači da su približno istog oblika.
Da bi se dobila ujednačena i ravnoosna mikrostruktura, svaki radni komad treba biti izložen istoj količini topline u istom vremenskom periodu i trebao bi se hladiti istom brzinom. Ovo nije uvijek lako niti moguće sa serijskim žarenjem, pa je važno barem pričekati dok se cijeli radni komad ne zasiti na odgovarajućoj temperaturi prije nego što izračunate vrijeme namakanja. Duže vrijeme namakanja i veća temperatura će rezultirati dužim vremenom namakanja i višom temperaturom.
Ako su veličina zrna i čvrstoća povezane, a čvrstoća je poznata, zašto računati zrna, zar ne? Svi testovi razaranja imaju varijabilnost. Ispitivanje zatezanja, posebno na manjim debljinama, u velikoj mjeri ovisi o pripremi uzorka. Rezultati zatezne čvrstoće koji ne predstavljaju stvarna svojstva materijala mogu doživjeti prijevremeni otkaz.
Ako svojstva nisu ujednačena u cijelom radnom komadu, uzimanje uzorka za ispitivanje zatezanja ili uzorka s jedne ivice možda neće ispričati cijelu priču. Priprema uzorka i testiranje također mogu biti dugotrajni. Koliko je testova moguće za dati metal i u koliko smjerova je to izvodljivo? Procjena strukture zrna je dodatno osiguranje od iznenađenja.
Anizotropna, izotropna. Anizotropija se odnosi na usmjerenost mehaničkih svojstava. Osim čvrstoće, anizotropija se može bolje razumjeti ispitivanjem strukture zrna.
Ujednačena i ravnoosna struktura zrna treba da bude izotropna, što znači da ima ista svojstva u svim pravcima. Izotropija je posebno važna u procesima dubokog izvlačenja gde je koncentričnost kritična. Kada se gotov materijal uvuče u kalup, anizotropni materijal neće teći jednoliko, što može dovesti do defekta koji se zove earing. u strukturi može otkriti lokaciju nehomogenosti u radnom komadu i pomoći u dijagnosticiranju osnovnog uzroka.
Pravilno žarenje je ključno za postizanje izotropije, ali je također važno razumjeti obim deformacije prije žarenja. Kako se materijal plastično deformira, zrna počinju da se deformiraju. U slučaju hladnog valjanja, pretvaranjem debljine u dužinu, zrna će se izdužiti u smjeru valjanja. Kako se širi i širini omjera zrna mijenjaju, tako se mijenjaju i mehanička svojstva zrna, a mehanička svojstva se mijenjaju. komada, neka orijentacija se može zadržati čak i nakon žarenja. Ovo rezultira anizotropijom. Za duboko izvučene materijale ponekad je potrebno ograničiti količinu deformacije prije konačnog žarenja kako bi se izbjeglo trošenje.
Narandžina kora. Pobiranje nije jedini defekt dubokog izvlačenja povezan sa kalupom. Kora naranče nastaje kada se izvlače sirovi materijali sa previše grubim česticama. Svako zrno se deformiše nezavisno i kao funkcija njegove kristalne orijentacije. Razlika u deformaciji između susednih zrna rezultira teksturiranim izgledom sličnim narandžinoj kori.
Baš kao i pikseli na TV ekranu, sa fino zrnatom strukturom, razlika između svakog zrna će biti manje uočljiva, što će efektivno povećati rezoluciju. Samo određivanje mehaničkih svojstava možda neće biti dovoljno da se obezbedi dovoljno fina veličina zrna kako bi se sprečio efekat narandžaste kore. Kada je promena veličine obradaka manja od 10 puta od prečnika zrna, svojstva pojedinačnih zrna će se odraziti na veličinu pojedinih zrna, ali ne odražavaju specifično ponašanje mnogih zrna. orijentacija svakog zrna. To se vidi po efektu narandžine kore na zidovima iscrtanih čaša.
Za ASTM veličinu zrna od 8, prosječni prečnik zrna je 885 µin. To znači da na svako smanjenje debljine od 0,00885 inča ili manje može uticati ovaj efekat mikroformiranja.
Iako krupna zrna mogu uzrokovati probleme dubokog izvlačenja, ponekad se preporučuju za utiskivanje. Utiskivanje je proces deformacije u kojem se blanko komprimuje kako bi se dobila željena površinska topografija, kao što je četvrtina kontura lica Georgea Washingtona. Za razliku od izvlačenja žicom, utiskivanje obično ne uključuje puno protoka rasutog materijala, ali može zahtijevati samo deformaciju površine.
Iz tog razloga, minimiziranje naprezanja površinskog toka korištenjem grublje zrnaste strukture može pomoći u ublažavanju sila potrebnih za pravilno punjenje kalupa. Ovo je posebno istinito u slučaju otiskivanja slobodnog kalupa, gdje dislokacije na površinskim zrnima mogu slobodno teći umjesto da se akumuliraju na granicama zrna.
Trendovi o kojima se ovdje raspravlja su generalizacije koje se možda ne primjenjuju na određene dijelove. Međutim, oni su naglasili prednosti mjerenja i standardizacije veličine čestica sirovog materijala prilikom dizajniranja novih dijelova kako bi se izbjegle uobičajene zamke i optimizirali parametri oblikovanja.
Proizvođači preciznih mašina za štancanje metala i operacija dubokog izvlačenja na metalu za formiranje njihovih dijelova dobro će raditi sa metalurzima na tehnički kvalifikovanim preciznim valjarima koji im mogu pomoći da optimiziraju materijale do nivoa zrna. Kada su metalurški i inženjerski stručnjaci s obje strane odnosa integrirani u jedan tim, to može imati pozitivniji učinak na rezultat i rezultirati pozitivnijim rezultatom.
STAMPING Journal je jedini industrijski časopis posvećen potrebama tržišta štancanja metala. Od 1989. godine, publikacija pokriva najsavremenije tehnologije, industrijske trendove, najbolje prakse i vijesti kako bi pomogla profesionalcima za štancanje da efikasnije vode svoje poslovanje.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju The FABRICATOR, lak pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje The Tube & Pipe Journal je sada potpuno dostupno, pružajući lak pristup vrijednim industrijskim resursima.
Uživajte u potpunom pristupu digitalnom izdanju časopisa STAMPING Journal, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište štancanja metala.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju The Fabricator en Español, lak pristup vrijednim industrijskim resursima.