Výhody lze získat nahlédnutím do jedné vrstvy struktury zrna, která řídí mechanické chování nerezové oceli. Getty Images
Výběr nerezové oceli a slitin hliníku se obecně soustředí na pevnost, tažnost, tažnost a tvrdost. Tyto vlastnosti ukazují, jak stavební bloky kovu reagují na působící zatížení. Jsou účinným ukazatelem řízení omezení surovin;to znamená, jak moc se bude ohýbat, než se zlomí. Surovina musí být schopna odolat procesu formování bez porušení.
Destruktivní zkoušení tahu a tvrdosti je spolehlivá, cenově výhodná metoda pro stanovení mechanických vlastností. Tyto zkoušky však nejsou vždy tak spolehlivé, jakmile tloušťka suroviny začne omezovat velikost zkušebního vzorku. Zkoušení plochých kovových výrobků v tahu je samozřejmě stále užitečné, ale výhody lze získat hlubším pohledem na jednu vrstvu struktury zrna, která řídí její mechanické chování.
Kovy jsou tvořeny řadou mikroskopických krystalů zvaných zrna. Jsou náhodně rozmístěny v celém kovu. Atomy legujících prvků, jako je železo, chrom, nikl, mangan, křemík, uhlík, dusík, fosfor a síra v austenitických nerezových ocelích, jsou součástí jednoho sdíleného zrna. Tyto atomy tvoří pevný roztok kovových iontů, které jsou spojeny mřížkou elektronů.
Chemické složení slitiny určuje termodynamicky preferované uspořádání atomů v zrnech, známé jako krystalová struktura. Homogenní části kovu obsahující opakující se krystalovou strukturu tvoří jedno nebo více zrn nazývaných fáze. Mechanické vlastnosti slitiny jsou funkcí krystalové struktury ve slitině. Totéž platí pro velikost a uspořádání zrn každé fáze.
Většina lidí zná fáze vody. Když kapalná voda zamrzne, stane se z ní pevný led. Pokud však jde o kovy, neexistuje pouze jedna pevná fáze. Některé rodiny slitin jsou pojmenovány podle svých fází. Mezi nerezovými ocelmi se austenitické slitiny řady 300 skládají především z austenitu při žíhání. Nicméně, 400 ferit ve slitinách 0410 a nerezavějící oceli s.
Totéž platí pro slitiny titanu. Název každé skupiny slitin označuje jejich převládající fázi při pokojové teplotě – alfa, beta nebo směs obou. Existují slitiny alfa, blízké alfa, alfa-beta, beta a blízké beta.
Když tekutý kov ztuhne, pevné částice termodynamicky preferované fáze se vysrážejí tam, kde to tlak, teplota a chemické složení dovolí. To se obvykle děje na rozhraních, jako jsou ledové krystaly na hladině teplého rybníka za chladného dne. Když zrna nukleují, krystalická struktura roste v jednom směru, dokud nenarazí na další zrno. Hranice zrn se tvoří na průsečíkech nesourodých struktur v důsledku odlišných shluků krystalických struktur v důsledku cuchmagik. různé velikosti v krabici. Každá krychle má uspořádání čtvercové mřížky, ale všechny budou uspořádány v různých náhodných směrech. Plně ztuhlý kovový obrobek se skládá ze série zdánlivě náhodně orientovaných zrn.
Kdykoli se vytvoří zrno, existuje možnost liniových defektů. Těmito defekty jsou chybějící části krystalové struktury nazývané dislokace. Tyto dislokace a jejich následný pohyb v zrnu a přes hranice zrn jsou zásadní pro tažnost kovu.
Namontuje se, brousí, leští a vyleptá průřez obrobku, aby se zobrazila struktura zrna. Když jsou stejnoměrné a rovnoosé, vypadají mikrostruktury pozorované na optickém mikroskopu trochu jako skládačka. Ve skutečnosti jsou zrna trojrozměrná a průřez každého zrna se bude lišit v závislosti na orientaci průřezu obrobku.
Když je krystalová struktura naplněna všemi svými atomy, není zde žádný prostor pro jiný pohyb než protahování atomových vazeb.
Když odstraníte polovinu řady atomů, vytvoříte příležitost pro další řadu atomů, aby vklouzla do této polohy a efektivně posunula dislokaci. Když na obrobek působí síla, agregovaný pohyb dislokací v mikrostruktuře mu umožňuje ohýbat se, natahovat nebo stlačovat, aniž by se zlomil nebo zlomil.
Když síla působí na kovovou slitinu, systém zvyšuje energii. Pokud se přidá dostatek energie, aby způsobila plastickou deformaci, mřížka se deformuje a vznikají nové dislokace. Zdá se logické, že by to mělo zvýšit tažnost, protože to uvolní více prostoru a tím vytvoří potenciál pro větší pohyb dislokací. Když se však dislokace srazí, mohou se navzájem fixovat.
Jak se počet a koncentrace dislokací zvyšuje, stále více dislokací se spojuje, čímž se snižuje tažnost. Nakonec se objeví tolik dislokací, že tváření za studena již není možné. Protože se stávající dislokace kolíků již nemohou pohybovat, atomové vazby v mřížce se natahují, dokud se nerozbijí nebo nezlomí. To je důvod, proč kovové slitiny předtím, než se zlomí, ztvrdnou, a proto existuje omezení množství deformovaného kovu.
Zrno také hraje důležitou roli při žíhání. Žíhání mechanicky zpevněného materiálu v podstatě resetuje mikrostrukturu a tím obnovuje tažnost. Během procesu žíhání se zrna transformují ve třech krocích:
Představte si člověka, který prochází přeplněným vlakovým vagónem. Davy lze stlačit pouze ponecháním mezer mezi řadami, jako jsou dislokace v mříži. Jak postupovali, lidé za nimi zaplňovali prázdnotu, kterou opustili, a vytvořili nový prostor vpředu. Jakmile dosáhnou druhého konce vagónu, uspořádání cestujících se změní. Pokud se příliš mnoho lidí pokouší projít do zdí a narazí na všechny vagóny najednou, narazí do prostoru pro ostatní cestující. Čím více dislokací se objeví, tím těžší je pro ně pohybovat se současně.
Je důležité porozumět minimální úrovni deformace požadované ke spuštění rekrystalizace. Pokud však kov před zahřátím nemá dostatečnou deformační energii, k rekrystalizaci nedojde a zrna budou jednoduše nadále růst nad svou původní velikost.
Mechanické vlastnosti lze vyladit řízením růstu zrna. Hranice zrna je v podstatě stěna dislokací. Brání pohybu.
Pokud je růst zrn omezen, vznikne vyšší počet malých zrn. Tato menší zrna jsou považována za jemnější z hlediska struktury zrn. Více hranic zrn znamená menší dislokační pohyb a vyšší pevnost.
Pokud není omezován růst zrn, struktura zrna se stává hrubší, zrna jsou větší, hranice jsou menší a pevnost je nižší.
Velikost zrna je často označována jako bezjednotkové číslo, někde mezi 5 a 15. Toto je relativní poměr a souvisí se středním průměrem zrna. Čím vyšší číslo, tím jemnější zrnitost.
ASTM E112 nastiňuje metody měření a vyhodnocování velikosti zrn. Zahrnuje počítání množství zrna v dané oblasti. Obvykle se to provádí řezáním příčného řezu suroviny, jejím broušením a leštěním a následným leptáním kyselinou, aby se částice obnažily. Počítání se provádí pod mikroskopem a zvětšení umožňuje adekvátní odběr vzorků zrn a stejnoměrný průměr zrna, přiřazování může být rovnoměrný a rovnoměrný průměr. ve velikosti zrna do dvou nebo tří bodů, aby byl zajištěn konzistentní výkon na celém obrobku.
V případě mechanického zpevnění má pevnost a tažnost inverzní vztah. Vztah mezi velikostí zrna ASTM a pevností bývá kladný a silný, obecně prodloužení nepřímo souvisí s velikostí zrna ASTM. Nadměrný růst zrna však může způsobit, že „mrtvě měkké“ materiály již nebudou efektivně pracovat.
Velikost zrna je často označována jako bezjednotkové číslo, někde mezi 5 a 15. Toto je relativní poměr a souvisí s průměrným průměrem zrna. Čím vyšší je hodnota velikosti zrna ASTM, tím více zrn na jednotku plochy.
Velikost zrna žíhaného materiálu se mění v závislosti na čase, teplotě a rychlosti ochlazování. Žíhání se obvykle provádí mezi teplotou rekrystalizace a bodem tání slitiny. Doporučený rozsah teplot žíhání pro slitinu austenitické nerezavějící oceli 301 je mezi 1 900 a 2 050 stupni Fahrenheita. U čistého titanu se začne tavit kolem 2,55 stupňů Fahrenheita na komerční úrovni. 1 292 stupňů Fahrenheita a tání kolem 3 000 stupňů Fahrenheita.
Během žíhání spolu obnovovací a rekrystalizační procesy soutěží, dokud rekrystalizovaná zrna nespotřebují všechna deformovaná zrna. Rychlost rekrystalizace se mění s teplotou. Po dokončení rekrystalizace převezme řízení růst zrna. Obrobek z nerezové oceli 301 žíhaný při 1900 °F po dobu jedné hodiny bude mít jemnější strukturu zrna 0 °F 2 žíhaný po stejnou dobu00
Pokud materiál není držen ve správném rozsahu žíhání dostatečně dlouho, může být výsledná struktura kombinací starých a nových zrn. Pokud jsou požadovány jednotné vlastnosti v celém kovu, měl by proces žíhání usilovat o dosažení jednotné rovnoosé struktury zrna. Jednotný znamená, že všechna zrna mají přibližně stejnou velikost a rovnoosý znamená, že mají přibližně stejný tvar.
Pro získání jednotné a rovnoosé mikrostruktury by měl být každý obrobek vystaven stejnému množství tepla po stejnou dobu a měl by se stejnou rychlostí ochlazovat. To není vždy snadné nebo možné u dávkového žíhání, proto je důležité před výpočtem doby namáčení alespoň počkat, až bude celý obrobek nasycen na vhodnou teplotu. Delší doby namáčení a vyšší teploty materiálu povedou k měkčí struktuře/hrubší zrnitost
Pokud velikost zrna a pevnost souvisí a pevnost je známá, proč zrna vypočítávat, že? Všechny destruktivní zkoušky mají variabilitu. Zkoušky tahem, zejména při menších tloušťkách, do značné míry závisí na přípravě vzorku. Výsledky pevnosti v tahu, které neodpovídají skutečným vlastnostem materiálu, mohou zaznamenat předčasné selhání.
Pokud vlastnosti nejsou jednotné v celém obrobku, odebrání vzorku pro zkoušku tahem nebo vzorku z jedné hrany nemusí vyprávět celý příběh. Příprava vzorku a testování může být také časově náročné. Kolik testů je možné pro daný kov a v kolika směrech je to proveditelné? Vyhodnocení struktury zrna je další pojistkou proti překvapením.
Anizotropní, izotropní. Anizotropie označuje směrovost mechanických vlastností. Kromě pevnosti lze anizotropii lépe porozumět zkoumáním struktury zrna.
Jednotná a rovnoosá struktura zrna by měla být izotropní, což znamená, že má stejné vlastnosti ve všech směrech. Izotropie je zvláště důležitá při procesech hlubokého tažení, kde je kritická soustřednost. Když je polotovar vtažen do formy, anizotropní materiál nebude rovnoměrně proudit, což může vést k defektu zvanému klas. Náušnice se vyskytuje tam, kde horní část misky vytváří zvlněnou strukturu obrobku a pomáhá diagnostikovat zvlněné umístění zrna v obrobku. hlavní příčina.
Správné žíhání je kritické pro dosažení izotropie, ale je také důležité porozumět rozsahu deformace před žíháním. Jak se materiál plasticky deformuje, zrna se začnou deformovat. V případě válcování za studena, přeměně tloušťky na délku, se zrna prodlouží ve směru válcování. Jak se poměr stran zrn silně mění, tak se mohou některé mechanické vlastnosti deformovat i izotropie. Výsledkem je anizotropie. U hlubokotažených materiálů je někdy nutné omezit velikost deformace před konečným žíháním, aby se zabránilo opotřebení.
pomerančová kůra.Nabírání není jediný defekt hlubokého tažení související s raznicí.Pomerančová kůra nastává, když jsou taženy suroviny s příliš hrubými částicemi.Každé zrno se deformuje nezávisle a v závislosti na orientaci krystalů. Rozdíl v deformaci mezi sousedními zrny má za následek texturovaný vzhled podobný pomerančové kůře. Textura je zrnitá struktura odhalená na povrchu stěny pohárku.
Stejně jako u pixelů na televizní obrazovce s jemnozrnnou strukturou bude rozdíl mezi každým zrnem méně patrný, čímž se efektivně zvýší rozlišení. Určení mechanických vlastností samo o sobě nemusí stačit k zajištění dostatečně jemné velikosti zrna, aby se zabránilo efektu pomerančové kůry. Když je změna velikosti obrobku menší než 10násobek průměru zrna, vlastnosti jednotlivých zrn ovlivní tvarovou orientaci každého zrna, ale nemůže být ovlivněna specifickou orientací zrna a oranžovou. el efekt na stěnách tažených pohárů.
Pro ASTM velikost zrna 8 je střední průměr zrna 885 µin. To znamená, že jakékoli zmenšení tloušťky o 0,00885 palce nebo méně může být ovlivněno tímto mikroformovacím efektem.
Přestože hrubá zrna mohou způsobit problémy s hlubokým tažením, někdy se doporučují pro otiskování. Razítko je proces deformace, při kterém se polotovar stlačí, aby se získala požadovaná povrchová topografie, jako je čtvrtina obrysů obličeje George Washingtona. Na rozdíl od tažení drátem lisování obvykle nezahrnuje velké množství toku sypkého materiálu, ale vyžaduje velkou sílu, která může pouze deformovat povrch polotovaru.
Z tohoto důvodu minimalizace napětí povrchového toku použitím hrubší struktury zrna může pomoci zmírnit síly potřebné pro správné plnění formy. To platí zejména v případě tisku volným lisováním, kde dislokace na povrchových zrnech mohou volně proudit, spíše než se hromadit na hranicích zrn.
Zde diskutované trendy jsou zobecnění, která se nemusí vztahovat na konkrétní sekce. Zdůrazňují však výhody měření a standardizace velikosti částic suroviny při navrhování nových dílů, aby se předešlo běžným nástrahám a optimalizovaly se parametry lisování.
Výrobci přesných lisovacích strojů na kov a operací hlubokého tažení kovu za účelem tvarování jejich dílů budou dobře spolupracovat s metalurgy na technicky kvalifikovaných přesných převalovačích, kteří jim mohou pomoci optimalizovat materiály až na úroveň zrna. Když jsou metalurgičtí a strojírenští odborníci na obou stranách vztahu integrováni do jednoho týmu, může to mít transformační dopad a přinést pozitivnější výsledky.
STAMPING Journal je jediným oborovým časopisem, který se věnuje potřebám trhu s lisováním kovů. Od roku 1989 tato publikace pokrývá špičkové technologie, průmyslové trendy, osvědčené postupy a novinky, aby pomohla profesionálům v oblasti lisování efektivněji provozovat své podnikání.
Nyní s plným přístupem k digitálnímu vydání The FABRICATOR, snadný přístup k cenným průmyslovým zdrojům.
Digitální vydání časopisu The Tube & Pipe Journal je nyní plně přístupné a poskytuje snadný přístup k cenným průmyslovým zdrojům.
Užijte si plný přístup k digitálnímu vydání časopisu STAMPING Journal, který poskytuje nejnovější technologické pokroky, osvědčené postupy a novinky z oboru pro trh lisování kovů.
Nyní s plným přístupem k digitální edici The Fabricator en Español, snadný přístup k cenným průmyslovým zdrojům.