Es poden obtenir beneficis obtenint una visió d'una capa de l'estructura del gra que controla el comportament mecànic de l'acer inoxidable. Getty Images
La selecció d'aliatges d'acer inoxidable i d'alumini se centra generalment en la resistència, la ductilitat, l'allargament i la duresa. Aquestes propietats indiquen com els blocs de construcció del metall responen a les càrregues aplicades. Són un indicador eficaç de la gestió de les limitacions 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 d'emmotllament sense trencar-se.
Les proves destructives de tracció i duresa són un mètode fiable i rendible per determinar les propietats mecàniques. No obstant això, aquestes proves no sempre són tan fiables una vegada que 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 són, per descomptat, útils, però es poden obtenir beneficis observant més profundament el comportament de l'estructura mecànica d'aquesta capa.
Els metalls estan formats per una sèrie de cristalls microscòpics anomenats grans. Es distribueixen aleatòriament per tot el metall. Els àtoms d'elements d'aliatge, com ara ferro, crom, níquel, manganès, silici, carboni, nitrogen, fòsfor i sofre en els acers inoxidables austenètics, formen part d'un sol gra.
La composició química de l'aliatge determina la disposició termodinàmicament preferida dels àtoms dels grans, coneguda com a estructura cristal·lina. Les porcions homogènies d'un metall que conté una estructura de cristall repetida formen un o més grans anomenats fases. Les propietats mecàniques d'un aliatge són una 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. No obstant això, quan es tracta de metalls, no hi ha només una fase sòlida. Algunes 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. Aliatges d'acer inoxidable 10 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'ambdós. Hi ha aliatges alfa, gairebé alfa, alfa-beta, beta i gairebé beta.
Quan el metall líquid es solidifica, les partícules sòlides de la fase preferida termodinàmicament precipitaran allà on ho permeten la pressió, la temperatura i la composició química. 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 a les diferents orientacions dels límits de les interseccions. estructures de cristall. Imagineu-vos posant un munt de cubs de Rubik de diferents mides en una caixa. Cada cub té una disposició de graella quadrada, però tots estaran disposats en diferents direccions aleatòries. Una peça metàl·lica totalment solidificada consta d'una sèrie de grans orientats aparentment aleatòriament.
Cada vegada que es forma un gra, hi ha la possibilitat de defectes de línia. Aquests defectes són parts que falten de l'estructura cristal·lina anomenades dislocacions. Aquestes dislocacions i el seu posterior moviment al llarg del gra i a través dels límits del gra són fonamentals per a la ductilitat del metall.
Es munta una secció transversal de la peça, es polida i es grava 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 de treball.
Quan una estructura cristal·lina s'omple amb tots els seus àtoms, no hi ha espai per al moviment més que l'estirament dels enllaços atòmics.
Quan elimineu la meitat d'una fila d'àtoms, creeu una oportunitat perquè una altra fila d'àtoms llisqui cap a aquesta posició, movent efectivament la dislocació. Quan s'aplica una força a la peça de treball, el moviment agregat de les dislocacions a la microestructura li permet doblegar, estirar-se o comprimir-se 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 provocar una 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 la possibilitat de més moviment de dislocació. Tanmateix, quan les dislocacions xoquen, es poden arreglar entre elles.
A mesura que augmenta el nombre i la concentració de dislocacions, cada vegada més dislocacions s'uneixen, reduint la ductilitat. Finalment, apareixen tantes dislocacions que ja no és possible la formació en fred. Com que les dislocacions de fixació existents ja no es poden moure, els enllaços atòmics de la gelosia s'estiren fins que es trenquen o trenquen.
El gra també té un paper important en el recuit. El recuit d'un material endurit bàsicament 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 gent. Les multituds només es poden estrènyer deixant espais entre les files, com dislocacions en una gelosia. A mesura que avançaven, les persones darrere d'elles omplien el buit que deixaven, mentre creaven un nou espai davant. xoquen entre ells i xoquen contra les parets dels vagons del tren, fixant a tothom al seu lloc. Com més dislocacions apareguin, més difícil els costarà moure's al mateix temps.
És important entendre el nivell mínim de deformació necessari per desencadenar la recristal·lització. No obstant això, 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. Dificulten el moviment.
Si el creixement del gra està restringit, es produirà un nombre més gran de grans petits. Aquests grans més petits es consideren més fins pel que fa a l'estructura del gra. Més límits de gra significa menys moviment de dislocació i major resistència.
Si el creixement del gra no està restringit, l'estructura del gra es torna més gruixuda, els grans són més grans, els límits són menors i la força és menor.
La mida del gra sovint es coneix com un nombre sense unitat, entre 5 i 15. Aquesta és una relació relativa i està relacionada amb el diàmetre mitjà del gra. Com més gran sigui el nombre, més fina serà la granularitat.
L'ASTM E112 descriu mètodes per mesurar i avaluar la mida del gra. Consisteix en comptar la quantitat de gra en una àrea determinada. Això es fa generalment tallant una secció transversal de la matèria primera, triturant-la i polint-la, i després gravant-la amb àcid per exposar les partícules. El recompte es realitza sota un microscopi, i l'ampliació de gra permet indicar una mida de gra de gran quantitat adequada. en forma i 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 constant a tota la peça.
En el cas de l'enduriment per treball, la força i la ductilitat tenen una relació inversa. La relació entre la mida del gra ASTM i la força tendeix a ser positiva i forta, generalment l'allargament està inversament relacionat amb la mida del gra ASTM. No obstant això, un creixement excessiu del gra pot fer que els materials "morts tous" ja no funcionin de manera eficaç.
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 gran sigui el valor de la mida del gra ASTM, més grans per unitat d'àrea.
La mida del gra del material recuit varia amb el temps, la temperatura i la velocitat de refredament. El recuit se sol realitzar 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 graus Fahrenheit 0,2 graus comercials de titanio pur. s'hauria de recuit a 1.292 graus Fahrenheit i fondre al voltant de 3.000 graus Fahrenheit.
Durant el recuit, els processos de recuperació i recristal·lització competeixen entre ells 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 es fa càrrec.
Si el material no es manté en el rang de recuit adequat el temps suficient, l'estructura resultant pot ser una combinació de grans antics i nous. Si es volen propietats uniformes a tot el metall, el procés de recuit hauria d'aconseguir una estructura de gra equiaxial uniforme. Uniforme significa que tots els grans tenen aproximadament la mateixa mida, i equieix significa que tenen aproximadament la mateixa forma.
Per obtenir una microestructura uniforme i equiaxial, cada peça s'ha d'exposar a la mateixa quantitat de calor durant el mateix temps i s'ha de refredar al mateix ritme. 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.
Si la mida del gra i la força estan relacionades, i la força es coneix, 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 un fracàs prematur.
Si les propietats no són uniformes a tota la peça de treball, prendre una mostra de prova de tracció o una mostra d'una vora pot no explicar tota la història. La preparació de la mostra i les proves també poden consumir temps. Quantes proves són possibles per a un metall determinat i en quantes direccions és factible? Avaluar l'estructura del gra és una assegurança addicional contra sorpreses.
Anisotropic, isotròpic. L'anisotropia es refereix a la direccionalitat de les propietats mecàniques. A més de la força, l'anisotropia es pot entendre millor examinant l'estructura del gra.
Una estructura de gra uniforme i equiaxial hauria de ser isòtropa, el que significa que té les mateixes propietats en totes direccions. La isotropia és especialment important en processos d'embotit profund on la concentricitat és crítica. Quan el blanc s'introdueix al motlle, el material anisòtrop no fluirà uniformement, cosa que pot provocar un defecte anomenat earing. peça de treball i ajudar a diagnosticar la causa arrel.
El recuit adequat és fonamental per aconseguir la isotropia, però també és important entendre 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 de laminació en fred, convertint el gruix en longitud, els grans s'allargaran en la direcció de laminació. A mesura que la relació d'aspecte dels grans canvia, les propietats isotròpiques generals es deformen. s, es pot mantenir una mica d'orientació fins i tot després del recuit. Això resulta en anisotropia. Per als materials embutits, de vegades és necessari limitar la quantitat de deformació abans del recuit final per evitar el desgast.
Pela de taronja. La recollida no és l'únic defecte d'embotit profund associat a la matriu. La pell de taronja es produeix quan s'extreuen matèries primeres amb partícules massa gruixudes. Cada gra es deforma de manera independent i en funció de la seva orientació del cristall. La diferència de deformació entre els grans adjacents dóna com a resultat un aspecte texturat similar a la pell de taronja.
Igual que els píxels d'una pantalla de televisió, amb una estructura de gra fi, la diferència entre cada gra serà menys notable, augmentant eficaçment la resolució. L'especificació de les propietats mecàniques pot ser que no sigui suficient per garantir una mida de gra suficientment fina per evitar l'efecte de la pell de taronja. Quan el canvi en la mida de la peça de treball és inferior a 10 vegades el diàmetre del gra, les propietats dels grans no reflectiran el comportament dels grans deformats, però no reflectiran el comportament dels grans individuals. mida i orientació de cada gra. Això es pot veure per l'efecte de pell de taronja a les parets de les tasses dibuixades.
Per a una mida de gra ASTM de 8, el diàmetre mitjà de gra és de 885 µin. Això vol dir que qualsevol reducció de gruix de 0,00885 polzades o menys es pot veure afectada per aquest efecte de microformat.
Tot i que els grans gruixuts poden causar problemes d'embutició profund, de vegades es recomana per a la impressió. L'estampació és un procés de deformació en què un blanc es comprimeix per donar una topografia superficial desitjada, com una quarta part dels contorns facials de George Washington.
Per aquest motiu, la minimització de l'estrès del flux superficial mitjançant l'ús d'una estructura de gra més gruixut pot ajudar a alleujar les forces necessàries per a l'ompliment adequat del motlle. Això és especialment cert en el cas de la impressió de 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. No obstant això, van destacar els avantatges de mesurar i estandarditzar la mida de les partícules de la matèria primera a l'hora de dissenyar peces noves per evitar inconvenients comuns i optimitzar els paràmetres d'emmotllament.
Els fabricants de màquines d'estampació de metalls de precisió i d'operacions d'embutició profunda sobre metall per formar les seves peces treballaran bé amb metal·lúrgics en rodets de precisió tècnicament qualificats que els poden ajudar a optimitzar els materials fins al nivell del gra. Quan els experts metal·lúrgics i d'enginyeria d'ambdós costats de la relació s'integren en un equip, pot tenir un impacte transformador i produir resultats més positius.
STAMPING Journal és l'única revista de la indústria dedicada a atendre les necessitats del mercat de l'estampació de metalls. Des de 1989, la publicació cobreix 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, accés fàcil a recursos valuosos de la indústria.
L'edició digital de The Tube & Pipe Journal és ara totalment accessible i ofereix un fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
Gaudeix d'accés complet a l'edició digital de STAMPING Journal, que ofereix els últims avenços tecnològics, bones pràctiques i notícies del sector per al mercat de l'estampació de metalls.
Ara amb accés complet a l'edició digital de The Fabricator en Español, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.