I benefici ponu esse ottenuti acquistendu una visione di un stratu di a struttura di u granu chì cuntrolla u cumpurtamentu meccanicu di l'acciaiu inox. Getty Images
A selezzione di l'acciaiu inox è di e leghe d'aluminiu si concentra generalmente nantu à a resistenza, a duttilità, l'allungamentu è a durezza. Queste proprietà indicanu cumu i blocchi di custruzzione di u metallu rispondenu à i carichi applicati. Sò un indicatore efficace di a gestione di i vincoli di a materia prima; vale à dì, quantu si piegarà prima di rompe si. A materia prima deve esse capace di resiste à u prucessu di stampaggio senza rompe si.
I testi di trazione è di durezza distruttivi sò un metudu affidabile è economicu per determinà e proprietà meccaniche. Tuttavia, sti testi ùn sò micca sempre cusì affidabili una volta chì u spessore di a materia prima cumencia à limità a dimensione di u campione di prova. I testi di trazione di prudutti metallichi piatti sò benintesa sempre utili, ma si ponu ottene benefici esaminendu più in prufundità un stratu di a struttura di u granu chì cuntrolla u so cumpurtamentu meccanicu.
I metalli sò custituiti da una seria di cristalli microscopichi chjamati grani. Sò distribuiti à casu in tuttu u metallu. L'atomi di l'elementi di lega, cum'è u ferru, u cromu, u nichel, u manganese, u siliciu, u carbone, l'azotu, u fosforu è u zolfu in l'acciai inossidabili austenitici, facenu parte di un unicu granu. Quessi atomi formanu una suluzione solida di ioni metallichi, chì sò ligati à u reticolo cristallinu per mezu di i so elettroni spartuti.
A cumpusizione chimica di a lega determina a dispusizione termodinamicamente preferita di l'atomi in i grani, cunnisciuta cum'è struttura cristallina. E porzioni omogenee di un metallu chì cuntene una struttura cristallina ripetuta formanu unu o più grani chjamati fasi. E proprietà meccaniche di una lega sò una funzione di a struttura cristallina in a lega. U listessu vale per a dimensione è a dispusizione di i grani di ogni fase.
A maiò parte di a ghjente cunnosce e tappe di l'acqua. Quandu l'acqua liquida si congela, diventa ghiaccio solidu. Tuttavia, quandu si tratta di metalli, ùn ci hè micca solu una fase solida. Certe famiglie di leghe sò chjamate secondu e so fasi. Trà l'acciai inossidabili, e leghe austenitiche di a serie 300 sò custituite principalmente da austenite quandu sò ricotte. Tuttavia, e leghe di a serie 400 sò custituite da ferrite in l'acciaio inossidabile 430 o martensite in e leghe d'acciaio inossidabile 410 è 420.
U listessu vale per e leghe di titaniu. U nome di ogni gruppu di leghe indica a so fase predominante à temperatura ambiente - alfa, beta o una mistura di e duie. Ci sò leghe alfa, quasi alfa, alfa-beta, beta è quasi beta.
Quandu u metallu liquidu si solidifica, e particelle solide di a fase termodinamicamente preferita precipiteranu induve a pressione, a temperatura è a cumpusizione chimica u permettenu. Questu accade di solitu à l'interfacce, cum'è i cristalli di ghiaccio nantu à a superficia di un stagnu caldu in un ghjornu fretu. Quandu i grani si nucleanu, a struttura cristallina cresce in una direzzione finu à chì si incontra un altru granu. I cunfini di i grani si formanu à l'intersezioni di reticoli non corrispondenti per via di e diverse orientazioni di e strutture cristalline. Imaginate di mette un gruppu di cubi di Rubik di diverse dimensioni in una scatula. Ogni cubu hà una disposizione di griglia quadrata, ma saranu tutti disposti in diverse direzioni aleatorie. Un pezzu di travagliu metallicu cumpletamente solidificatu hè custituitu da una seria di grani apparentemente orientati à casu.
Ogni volta chì si forma un granu, ci hè a pussibilità di difetti di linea. Quessi difetti sò parti mancanti di a struttura cristallina chjamate dislocazioni. Queste dislocazioni è u so muvimentu sussegwente in tuttu u granu è attraversu i limiti di i grani sò fundamentali per a duttilità di u metallu.
Una sezione trasversale di a pezza hè muntata, macinata, lucidata è incisa per vede a struttura di i grani. Quandu sò uniformi è equiassiali, e microstrutture osservate à un microscopiu otticu s'assumiglianu un pocu à un puzzle. In realtà, i grani sò tridimensionali, è a sezione trasversale di ogni granu varierà secondu l'orientazione di a sezione trasversale di a pezza.
Quandu una struttura cristallina hè piena di tutti i so atomi, ùn ci hè spaziu per u muvimentu altru ch'è u stiramentu di i ligami atomichi.
Quandu si caccia a mità di una fila d'atomi, si crea una opportunità per un'altra fila d'atomi di scivulà in quella pusizione, muvendu efficacemente a dislocazione. Quandu una forza hè applicata à a pezza, u muvimentu aggregatu di dislocazioni in a microstruttura permette di piegassi, stende si o cumpressà senza rompe si o rompe si.
Quandu una forza agisce nantu à una lega metallica, u sistema aumenta l'energia. Sè si aghjusta abbastanza energia per causà una deformazione plastica, u reticolo si deforma è si formanu nuove dislocazioni. Pare logicu chì questu duveria aumentà a duttilità, postu chì libera più spaziu è cusì crea u putenziale per più muvimentu di dislocazione. Tuttavia, quandu e dislocazioni si scontranu, ponu riparà si l'una l'altra.
Cù l'aumentu di u numeru è di a cuncentrazione di dislocazioni, sempre più dislocazioni sò attaccate inseme, riducendu a duttilità. Infine, appariscenu tante dislocazioni chì a furmazione à fretu ùn hè più pussibule. Siccomu e dislocazioni di fissaggio esistenti ùn si ponu più muovere, i ligami atomichi in u reticolo si stendenu finu à chì si rompenu o si rompenu. Hè per quessa chì e leghe metalliche si induriscenu, è hè per quessa chì ci hè un limite à a quantità di deformazione plastica chì un metallu pò suppurtà prima di rompe si.
U granu ghjoca ancu un rolu impurtante in a ricottura. A ricottura di un materiale incruditu da u travagliu resetta essenzialmente a microstruttura è cusì restaura a duttilità. Durante u prucessu di ricottura, i grani sò trasformati in trè tappe:
Imaginate una persona chì cammina in un vagone di trenu pienu di ghjente. E folle ponu esse stringhje solu lascendu spazii trà e file, cum'è dislocazioni in un reticolo. Mentre avanzavanu, e persone daretu à elli anu riempitu u viotu chì anu lasciatu, mentre creavanu un novu spaziu davanti. Una volta ghjunti à l'altra estremità di u vagone, a disposizione di i passageri cambia. Se troppu persone cercanu di passà à u listessu tempu, i passageri chì cercanu di fà spaziu per u so muvimentu si scontreranu trà di elli è colpiranu i muri di i vagoni di u trenu, inchiodendu tutti in u so postu. Più dislocazioni appariscenu, più hè difficiule per elli di spustassi à u listessu tempu.
Hè impurtante di capisce u livellu minimu di deformazione necessariu per attivà a ricristallizazione. Tuttavia, se u metallu ùn hà micca abbastanza energia di deformazione prima di esse riscaldatu, a ricristallizazione ùn si verificarà è i grani continueranu semplicemente à cresce oltre a so dimensione originale.
E proprietà meccaniche ponu esse adattate cuntrullendu a crescita di i grani. Un limite di granu hè essenzialmente un muru di dislocazioni. Impediscenu u muvimentu.
Sè a crescita di i grani hè limitata, si pruducerà un numeru più altu di picculi grani. Quessi grani più chjuchi sò cunsiderati più fini in termini di struttura di i grani. Più limiti di grani significanu menu muvimentu di dislocazione è una resistenza più alta.
Sè a crescita di i grani ùn hè micca limitata, a struttura di i grani diventa più grossa, i grani sò più grandi, i limiti sò più chjuchi è a resistenza hè più bassa.
A dimensione di u granu hè spessu chjamata un numeru senza unità, trà 5 è 15. Questu hè un rapportu relativu è hè ligatu à u diametru mediu di u granu. Più altu hè u numeru, più fina hè a granularità.
ASTM E112 descrive i metudi per misurà è valutà a dimensione di u granu. Implica cuntà a quantità di granu in una data zona. Questu hè generalmente fattu tagliendu una sezione trasversale di a materia prima, macinendula è lucidendula, è poi incisendula cù l'acidu per espone e particelle. U cuntà hè realizatu sottu à un microscopiu, è l'ingrandimentu permette un campionamentu adeguatu di i grani. L'assegnazione di numeri di dimensione di granu ASTM indica un livellu raghjonevule di uniformità in a forma è u diametru di u granu. Pò ancu esse vantaghjosu limità a variazione di a dimensione di u granu à dui o trè punti per assicurà prestazioni consistenti in tutta a pezza.
In u casu di l'incrudimentu per travagliu, a resistenza è a duttilità anu una relazione inversa. A relazione trà a dimensione di u granu ASTM è a resistenza tende à esse pusitiva è forte, in generale l'allungamentu hè inversamente ligatu à a dimensione di u granu ASTM. Tuttavia, una crescita eccessiva di u granu pò fà chì i materiali "morti morbidi" ùn si induriscinu più efficacemente.
A dimensione di u granu hè spessu chjamata un numeru senza unità, trà 5 è 15. Questu hè un rapportu relativu è hè ligatu à u diametru mediu di u granu. Più altu hè u valore di a dimensione di u granu ASTM, più grani per unità di superficie.
A dimensione di u granu di u materiale ricottu varieghja cù u tempu, a temperatura è a velocità di raffreddamentu. A ricottura hè generalmente realizata trà a temperatura di ricristallizazione è u puntu di fusione di a lega. L'intervallu di temperatura di ricottura raccomandatu per a lega d'acciaio inox austeniticu 301 hè trà 1.900 è 2.050 gradi Fahrenheit. Cumincierà à scioglie intornu à 2.550 gradi Fahrenheit. In cuntrastu, u titaniu di gradu 1 cummercialmente puru deve esse ricottu à 1.292 gradi Fahrenheit è scioglie intornu à 3.000 gradi Fahrenheit.
Durante a ricottura, i prucessi di ricuperazione è di ricristallizazione si cumpete trà di elli finu à chì i grani ricristallizzati cunsumanu tutti i grani deformati. A velocità di ricristallizazione varieghja cù a temperatura. Una volta chì a ricristallizazione hè cumpleta, a crescita di i grani piglia u sopravventu. Un pezzu di travagliu in acciaio inox 301 ricottu à 1.900 ° F per un'ora avarà una struttura di grani più fina chè u listessu pezzu di travagliu ricottu à 2.000 ° F per u listessu tempu.
Sè u materiale ùn hè micca mantinutu in a gamma di ricottura adatta abbastanza longu, a struttura risultante pò esse una cumbinazione di grani vechji è novi. Sè si desideranu proprietà uniformi in tuttu u metallu, u prucessu di ricottura deve mira à ottene una struttura uniforme di grani equiassiali. Uniforme significa chì tutti i grani anu apprussimatamente a stessa dimensione, è equiassiale significa chì anu apprussimatamente a stessa forma.
Per ottene una microstruttura uniforme è equiassiale, ogni pezzu di travagliu deve esse espostu à a listessa quantità di calore per a listessa quantità di tempu è deve raffreddassi à a listessa velocità. Questu ùn hè micca sempre faciule o pussibule cù a ricottura in batch, dunque hè impurtante almenu aspittà finu à chì tuttu u pezzu di travagliu sia saturatu à a temperatura adatta prima di calculà u tempu di immersione. Tempi di immersione più lunghi è temperature più elevate daranu una struttura à grana più grossa / materiale più dolce è vice versa.
Sè a dimensione di u granu è a resistenza sò ligate, è a resistenza hè cunnisciuta, perchè calculà i grani, nò ? Tutti i testi distruttivi anu variabilità. I ​​testi di trazione, in particulare à spessori più bassi, dipendenu in larga misura da a preparazione di u campione. I risultati di a resistenza à a trazione chì ùn rapprisentanu micca e proprietà reali di u materiale ponu sperimentà una rottura prematura.
Sè e pruprietà ùn sò micca uniformi in tutta a pezza, piglià un campione di prova di trazione o un campione da un bordu ùn pò micca dì tutta a storia. A preparazione è a prova di u campione ponu ancu piglià assai tempu. Quante prove sò pussibuli per un metallu datu, è in quante direzzioni hè fattibile? A valutazione di a struttura di u granu hè una assicurazione supplementare contr'à e sorprese.
Anisotropicu, isotropicu. L'anisotropia si riferisce à a direzionalità di e proprietà meccaniche. In più di a forza, l'anisotropia pò esse megliu capita esaminendu a struttura di i grani.
Una struttura di granu uniforme è equiassiale deve esse isotropica, vale à dì chì hà e stesse proprietà in tutte e direzzione. L'isotropia hè particularmente impurtante in i prucessi di imbutitura prufonda induve a concentricità hè critica. Quandu u pezzu grezzu hè tiratu in u stampu, u materiale anisotropicu ùn scorrerà micca uniformemente, ciò chì pò purtà à un difettu chjamatu orecchini. L'orecchini si verificanu induve a parte superiore di a tazza forma una siluetta ondulata. L'esame di a struttura di u granu pò rivelà a situazione di l'inomogeneità in u pezzu di travagliu è aiutà à diagnosticà a causa principale.
Una ricottura curretta hè cruciale per ottene l'isotropia, ma hè ancu impurtante capisce l'estensione di a deformazione prima di a ricottura. Mentre u materiale si deforma plasticamente, i grani cumincianu à deformassi. In u casu di a laminazione à fretu, cunvertendu u spessore in lunghezza, i grani si allunganu in a direzzione di laminazione. Quandu u rapportu d'aspettu di u granu cambia, cambia ancu l'isotropia è e proprietà meccaniche generali. In u casu di pezzi assai deformati, una certa orientazione pò esse mantenuta ancu dopu a ricottura. Questu si traduce in anisotropia. Per i materiali imbuti, hè qualchì volta necessariu limità a quantità di deformazione prima di a ricottura finale per evità l'usura.
buccia d'aranciu. A presa ùn hè micca l'unicu difettu di imbutitura prufonda assuciatu à a matrice. A buccia d'aranciu si verifica quandu si tiranu materie prime cù particelle troppu grosse. Ogni granu si deforma indipindentamente è in funzione di a so orientazione cristallina. A differenza di deformazione trà i grani adiacenti dà un aspettu testurizatu simile à a buccia d'aranciu. A struttura hè a struttura granulare rivelata nantu à a superficia di a parete di a tazza.
Cum'è i pixel nantu à un schermu TV, cù una struttura à grana fina, a differenza trà ogni grana serà menu perceptibile, aumentendu efficacemente a risoluzione. Specificà e proprietà meccaniche da sole ùn pò micca esse sufficiente per assicurà una dimensione di grana sufficientemente fina per impedisce l'effettu buccia d'aranciu. Quandu a variazione dimensionale di a pezza hè menu di 10 volte u diametru di u granu, e proprietà di i singoli grani guideranu u cumpurtamentu di furmazione. Ùn si deforma micca ugualmente nantu à parechji grani, ma riflette a dimensione è l'orientazione specifiche di ogni grana. Questu pò esse vistu da l'effettu buccia d'aranciu nantu à i muri di e tazze disegnate.
Per una dimensione di granu ASTM di 8, u diametru mediu di u granu hè 885 µin. Questu significa chì qualsiasi riduzione di spessore di 0,00885 pollici o menu pò esse affettata da questu effettu di microformatura.
Ancu s'è i grani grossi ponu causà prublemi di trafilatura prufonda, sò qualchì volta cunsigliati per l'impronta. A stampa hè un prucessu di deformazione in u quale un pezzu grezzu hè cumpressu per dà una topografia di superficia desiderata, cum'è un quartu di i contorni facciali di George Washington. À u cuntrariu di a trafilatura di filu, a stampa di solitu ùn implica micca assai flussu di materiale in massa, ma richiede assai forza, chì pò solu deformà a superficia di u pezzu grezzu.
Per questa ragione, minimizà a tensione di flussu superficiale aduprendu una struttura à grani più grossi pò aiutà à alleviare e forze necessarie per un riempimentu currettu di u stampo. Questu hè particularmente veru per l'impronta à matrice libera, induve e dislocazioni nantu à i grani superficiali ponu scorrere liberamente, invece di accumulassi à i limiti di i grani.
E tendenze discusse quì sò generalizzazioni chì ùn ponu micca applicà si à sezioni specifiche. Tuttavia, anu messu in risaltu i benefici di a misurazione è di a standardizazione di a dimensione di i grani di a materia prima quandu si cuncepiscenu novi pezzi per evità difetti cumuni è ottimizà i parametri di stampaggio.
I pruduttori di macchine di stampaggio di metalli di precisione è operazioni di imbutitura profonda nantu à u metallu per furmà e so parti travagliaranu bè cù i metallurgisti nantu à i rilaminatori di precisione tecnicamente qualificati chì ponu aiutalli à ottimizà i materiali finu à u livellu di u granu. Quandu l'esperti metallurgichi è ingegneristici di e duie parti di a relazione sò integrati in una squadra, pò avè un impattu trasfurmativu è pruduce risultati più pusitivi.
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