Es poden obtenir beneficis si es coneix una capa de l'estructura del gra que controla el comportament mecànic de l'acer inoxidable. Getty Images
La selecció d'acer inoxidable i aliatges d'alumini generalment se centra en la resistència, la ductilitat, l'elongació i la duresa. Aquestes propietats indiquen com responen els blocs de construcció del metall a les càrregues aplicades. Són un indicador eficaç de la gestió de les restriccions de la matèria primera; és a dir, quant es doblegarà abans de trencar-se. La matèria primera ha de ser capaç de suportar el procés de modelat sense trencar-se.
Les proves de tracció i duresa destructives són un mètode fiable i rendible per determinar les propietats mecàniques. Tanmateix, aquestes proves no sempre són tan fiables un cop el gruix de la matèria primera comença a limitar la mida de la mostra de prova. Les proves de tracció de productes metàl·lics plans, per descomptat, encara són útils, però es poden obtenir beneficis examinant més a fons una capa de l'estructura del gra que controla el seu comportament mecànic.
Els metalls estan formats per una sèrie de cristalls microscòpics anomenats grans. Estan distribuïts aleatòriament per tot el metall. Els àtoms dels elements d'aliatge, com ara el ferro, el crom, el níquel, el manganès, el silici, el carboni, el nitrogen, el fòsfor i el sofre en els acers inoxidables austenítics, formen part d'un sol gra. Aquests àtoms formen una solució sòlida d'ions metàl·lics, que s'uneixen a la xarxa cristal·lina a través dels seus electrons compartits.
La composició química de l'aliatge determina la disposició termodinàmicament preferida dels àtoms en els grans, coneguda com a estructura cristal·lina. Les porcions homogènies d'un metall que conté una estructura cristal·lina repetitiva formen un o més grans anomenats fases. Les propietats mecàniques d'un aliatge són funció de l'estructura cristal·lina de l'aliatge. El mateix passa amb la mida i la disposició dels grans de cada fase.
La majoria de la gent està familiaritzada amb les etapes de l'aigua. Quan l'aigua líquida es congela, es converteix en gel sòlid. Tanmateix, quan es tracta de metalls, no hi ha només una fase sòlida. Certes famílies d'aliatges reben el nom de les seves fases. Entre els acers inoxidables, els aliatges austenítics de la sèrie 300 consisteixen principalment en austenita quan es recuit. Tanmateix, els aliatges de la sèrie 400 consisteixen en ferrita en acer inoxidable 430 o martensita en aliatges d'acer inoxidable 410 i 420.
El mateix passa amb els aliatges de titani. El nom de cada grup d'aliatges indica la seva fase predominant a temperatura ambient: alfa, beta o una barreja d'ambdues. Hi ha aliatges alfa, quasi alfa, alfa-beta, beta i quasi beta.
Quan el metall líquid solidifica, les partícules sòlides de la fase termodinàmicament preferida precipiten on la pressió, la temperatura i la composició química ho permeten. Això sol passar a les interfícies, com els cristalls de gel a la superfície d'un estany càlid en un dia fred. Quan els grans es nucleen, l'estructura cristal·lina creix en una direcció fins que es troba un altre gra. Els límits dels gra es formen a les interseccions de xarxes no coincidents a causa de les diferents orientacions de les estructures cristal·lines. Imagineu-vos posar un munt de cubs de Rubik de diferents mides en una caixa. Cada cub té una disposició de quadrícula quadrada, però tots estaran disposats en diferents direccions aleatòries. Una peça de treball metàl·lica completament solidificada consisteix en una sèrie de grans aparentment orientats aleatòriament.
Sempre que es forma un gra, hi ha la possibilitat de defectes lineals. Aquests defectes són parts que falten de l'estructura cristal·lina anomenades dislocacions. Aquestes dislocacions i el seu moviment posterior al llarg del gra i a través dels límits del gra són fonamentals per a la ductilitat dels metalls.
Es munta, es polit, es poleix i es grava una secció transversal de la peça per veure l'estructura del gra. Quan són uniformes i equiaxials, les microestructures observades en un microscopi òptic semblen una mica un trencaclosques. En realitat, els grans són tridimensionals i la secció transversal de cada gra variarà segons l'orientació de la secció transversal de la peça.
Quan una estructura cristal·lina està plena de tots els seus àtoms, no hi ha espai per al moviment més enllà de l'estirament dels enllaços atòmics.
Quan elimineu la meitat d'una fila d'àtoms, creeu una oportunitat perquè una altra fila d'àtoms es llisqui a aquesta posició, movent efectivament la dislocació. Quan s'aplica una força a la peça, el moviment agregat de les dislocacions a la microestructura permet que es doblegui, s'estiri o es comprimeixi sense trencar-se ni trencar-se.
Quan una força actua sobre un aliatge metàl·lic, el sistema augmenta l'energia. Si s'afegeix prou energia per causar deformació plàstica, la xarxa es deforma i es formen noves dislocacions. Sembla lògic que això augmenti la ductilitat, ja que allibera més espai i, per tant, crea el potencial per a un major moviment de dislocació. Tanmateix, quan les dislocacions xoquen, es poden arreglar entre si.
A mesura que augmenta el nombre i la concentració de dislocacions, més i més dislocacions queden fixades, cosa que redueix la ductilitat. Finalment, apareixen tantes dislocacions que la conformació en fred ja no és possible. Com que les dislocacions de fixació existents ja no es poden moure, els enllaços atòmics de la xarxa s'estiren fins que es trenquen o es trenquen. És per això que els aliatges metàl·lics s'endureixen per treball i per què hi ha un límit a la quantitat de deformació plàstica que un metall pot suportar abans de trencar-se.
El gra també juga un paper important en el recuit. El recuit d'un material endurit per treball essencialment restableix la microestructura i, per tant, restaura la ductilitat. Durant el procés de recuit, els grans es transformen en tres passos:
Imagineu una persona caminant per un vagó de tren ple de gom a gom. Les multituds només es poden esprémer deixant espais entre les files, com dislocacions en una gelosia. A mesura que avançaven, la gent que tenien darrere omplia el buit que deixaven, mentre creaven un nou espai davant. Un cop arriben a l'altre extrem del vagó, la disposició dels passatgers canvia. Si massa gent intenta passar alhora, els passatgers que intenten fer espai per al seu moviment xocaran entre ells i colpejaran les parets dels vagons del tren, immobilitzant tothom al seu lloc. Com més dislocacions apareguin, més difícil els serà moure's alhora.
És important entendre el nivell mínim de deformació necessari per desencadenar la recristal·lització. Tanmateix, si el metall no té prou energia de deformació abans de ser escalfat, la recristal·lització no es produirà i els grans simplement continuaran creixent més enllà de la seva mida original.
Les propietats mecàniques es poden ajustar controlant el creixement del gra. Un límit de gra és essencialment una paret de dislocacions. Aquestes dificulten el moviment.
Si el creixement del gra està restringit, es produirà un nombre més elevat de grans petits. Aquests grans més petits es consideren més fins pel que fa a l'estructura del gra. Més límits de gra signifiquen menys moviment de dislocació i més resistència.
Si el creixement del gra no es restringeix, l'estructura del gra esdevé més gruixuda, els grans són més grans, els límits són més petits i la resistència és menor.
La mida del gra sovint es coneix com un nombre sense unitats, entre 5 i 15. Aquesta és una relació relativa i està relacionada amb el diàmetre mitjà del gra. Com més alt sigui el nombre, més fina serà la granularitat.
La norma ASTM E112 descriu els mètodes per mesurar i avaluar la mida del gra. Implica comptar la quantitat de gra en una àrea determinada. Això es fa normalment tallant una secció transversal de la matèria primera, mòlta i polida, i després gravant-la amb àcid per exposar les partícules. El recompte es realitza sota un microscopi i l'augment permet un mostreig adequat dels grans. L'assignació de números de mida de gra ASTM indica un nivell raonable d'uniformitat en la forma i el diàmetre del gra. Fins i tot pot ser avantatjós limitar la variació de la mida del gra a dos o tres punts per garantir un rendiment consistent a tota la peça.
En el cas de l'enduriment per deformació, la resistència i la ductilitat tenen una relació inversa. La relació entre la mida de gra ASTM i la resistència tendeix a ser positiva i forta, generalment l'elongació està inversament relacionada amb la mida de gra ASTM. Tanmateix, un creixement excessiu del gra pot fer que els materials "tous i morts" ja no s'endureixin eficaçment per deformació.
La mida del gra sovint es coneix com un nombre sense unitats, entre 5 i 15. Aquesta és una relació relativa i està relacionada amb el diàmetre mitjà del gra. Com més alt sigui el valor de la mida del gra ASTM, més grans hi haurà per unitat de superfície.
La mida del gra del material recuit varia amb el temps, la temperatura i la velocitat de refredament. El recuit es realitza normalment entre la temperatura de recristal·lització i el punt de fusió de l'aliatge. El rang de temperatura de recuit recomanat per a l'aliatge d'acer inoxidable austenític 301 és d'entre 1.900 i 2.050 graus Fahrenheit. Començarà a fondre's al voltant de 2.550 graus Fahrenheit. En canvi, el titani comercialment pur de grau 1 s'ha de recuit a 1.292 graus Fahrenheit i fondre's al voltant de 3.000 graus Fahrenheit.
Durant el recuit, els processos de recuperació i recristal·lització competeixen entre si fins que els grans recristal·litzats consumeixen tots els grans deformats. La velocitat de recristal·lització varia amb la temperatura. Un cop finalitzada la recristal·lització, el creixement del gra pren el relleu. Una peça d'acer inoxidable 301 recuita a 1.900 °F durant una hora tindrà una estructura de gra més fina que la mateixa peça recuita a 2.000 °F durant el mateix temps.
Si el material no es manté en el rang de recuit adequat durant prou temps, l'estructura resultant pot ser una combinació de grans vells i nous. Si es desitgen propietats uniformes a tot el metall, el procés de recuit ha de tenir com a objectiu aconseguir una estructura de gra equiaxial uniforme. Uniforme significa que tots els grans tenen aproximadament la mateixa mida i equiaxial significa que tenen aproximadament la mateixa forma.
Per obtenir una microestructura uniforme i equiaxial, cada peça ha d'estar exposada a la mateixa quantitat de calor durant el mateix temps i s'ha de refredar a la mateixa velocitat. Això no sempre és fàcil ni possible amb el recuit per lots, per la qual cosa és important esperar almenys fins que tota la peça estigui saturada a la temperatura adequada abans de calcular el temps de remull. Els temps de remull més llargs i les temperatures més altes donaran lloc a una estructura de gra més gruixut/material més tou i viceversa.
Si la mida del gra i la resistència estan relacionades, i es coneix la resistència, per què calcular els grans, oi? Totes les proves destructives tenen variabilitat. Les proves de tracció, especialment a gruixos més baixos, depenen en gran mesura de la preparació de la mostra. Els resultats de resistència a la tracció que no representen les propietats reals del material poden experimentar una fallada prematura.
Si les propietats no són uniformes a tota la peça, prendre una mostra o espècimen de prova de tracció d'una vora pot no explicar tota la història. La preparació i les proves de la mostra també poden requerir molt de temps. Quantes proves són possibles per a un metall determinat i en quantes direccions és factible? L'avaluació de l'estructura del gra és una assegurança addicional contra sorpreses.
Anisotròpic, isotròpic. L'anisotropia fa referència a la direccionalitat de les propietats mecàniques. A més de la resistència, l'anisotropia es pot entendre millor examinant l'estructura del gra.
Una estructura de gra uniforme i equiaxial ha de ser isotròpica, és a dir, que té les mateixes propietats en totes direccions. La isotropia és especialment important en els processos d'embotició profunda on la concentricitat és crítica. Quan la peça en brut s'introdueix al motlle, el material anisotròpic no fluirà uniformement, cosa que pot provocar un defecte anomenat esquerdament. L'esquerdament es produeix on la part superior de la copa forma una silueta ondulada. L'examen de l'estructura del gra pot revelar la ubicació de les inhomogeneïtats a la peça i ajudar a diagnosticar la causa principal.
Un recuit adequat és fonamental per aconseguir la isotropia, però també és important comprendre l'abast de la deformació abans del recuit. A mesura que el material es deforma plàsticament, els grans comencen a deformar-se. En el cas del laminatge en fred, convertint el gruix en longitud, els grans s'allargaran en la direcció de laminació. A mesura que canvia la relació d'aspecte dels grans, també ho fan la isotropia i les propietats mecàniques generals. En el cas de peces molt deformades, es pot conservar certa orientació fins i tot després del recuit. Això provoca anisotropia. Per a materials estirats en profunditat, de vegades cal limitar la quantitat de deformació abans del recuit final per evitar el desgast.
Pell de taronja. L'arrossegament no és l'únic defecte d'embotició profunda associat amb el dau. La pela de taronja es produeix quan s'estiren matèries primeres amb partícules massa gruixudes. Cada gra es deforma independentment i en funció de la seva orientació cristal·lina. La diferència de deformació entre els grans adjacents dóna com a resultat un aspecte texturitzat similar a la pell de taronja. La textura és l'estructura granular que es revela a la superfície de la paret de la tassa.
Igual que els píxels d'una pantalla de televisió, amb una estructura de gra fi, la diferència entre cada gra serà menys perceptible, augmentant efectivament la resolució. Especificar les propietats mecàniques per si sol pot no ser suficient per garantir una mida de gra prou fina per evitar l'efecte de pell de taronja. Quan el canvi en la mida de la peça és inferior a 10 vegades el diàmetre del gra, les propietats dels grans individuals impulsaran el comportament de conformació. No es deforma per igual sobre molts grans, sinó que reflecteix la mida i l'orientació específiques de cada gra. Això es pot veure a partir de l'efecte de pell de taronja a les parets de les tasses estirades.
Per a una mida de gra ASTM de 8, el diàmetre mitjà del gra és de 885 µin. Això significa que qualsevol reducció de gruix de 0,00885 polzades o menys pot veure's afectada per aquest efecte de microformació.
Tot i que els grans gruixuts poden causar problemes d'embotició profunda, de vegades es recomanen per a la impressió. L'estampació és un procés de deformació en què es comprimeix una peça en blanc per donar-li una topografia superficial desitjada, com ara una quarta part dels contorns facials de George Washington. A diferència del trefilatge, l'estampació normalment no implica un flux de material a granel, però requereix molta força, que pot deformar la superfície de la peça en blanc.
Per aquest motiu, minimitzar la tensió de flux superficial mitjançant l'ús d'una estructura de gra més gruixuda pot ajudar a alleujar les forces necessàries per a un ompliment correcte del motlle. Això és especialment cert en el cas de la impressió en matriu lliure, on les dislocacions dels grans superficials poden fluir lliurement en lloc d'acumular-se als límits del gra.
Les tendències que es discuteixen aquí són generalitzacions que poden no aplicar-se a seccions específiques. Tanmateix, sí que van destacar els beneficis de mesurar i estandarditzar la mida de les partícules de la matèria primera a l'hora de dissenyar noves peces per evitar errors comuns i optimitzar els paràmetres de modelat.
Els fabricants de màquines d'estampació de metall de precisió i operacions d'embotició profunda en metall per formar les seves peces treballaran bé amb metal·lúrgics en re-laminadors de precisió tècnicament qualificats que els poden ajudar a optimitzar els materials fins al nivell de gra. Quan els experts metal·lúrgics i d'enginyeria d'ambdues parts de la relació s'integren en un sol equip, pot tenir un impacte transformador i produir resultats més positius.
STAMPING Journal és l'única revista del sector dedicada a satisfer les necessitats del mercat de l'estampació de metalls. Des del 1989, la publicació ha estat cobrint tecnologies d'avantguarda, tendències del sector, bones pràctiques i notícies per ajudar els professionals de l'estampació a gestionar el seu negoci de manera més eficient.
Ara, amb accés complet a l'edició digital de The FABRICATOR, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
L'edició digital de The Tube & Pipe Journal ja és totalment accessible i proporciona un fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
Gaudeix d'accés complet a l'edició digital de STAMPING Journal, que ofereix els darrers avenços tecnològics, les millors pràctiques i les notícies del sector per al mercat de l'estampació de metalls.
Ara, amb accés complet a l'edició digital de The Fabricator en espanyol, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.