Fordele kan opnås ved at få indsigt i et lag af kornstrukturen, der styrer den mekaniske opførsel af rustfrit stål.Getty Images
Udvælgelsen af ​​rustfrit stål og aluminiumslegeringer er generelt centreret omkring styrke, duktilitet, forlængelse og hårdhed. Disse egenskaber indikerer, hvordan metallets byggesten reagerer på påførte belastninger. De er en effektiv indikator for håndtering af råmaterialebegrænsninger;det vil sige hvor meget det vil bøje inden det går i stykker. Råmaterialet skal kunne modstå støbeprocessen uden at gå i stykker.
Destruktiv træk- og hårdhedstestning er en pålidelig, omkostningseffektiv metode til at bestemme mekaniske egenskaber. Disse tests er dog ikke altid lige pålidelige, når først tykkelsen af ​​råmaterialet begynder at begrænse størrelsen af ​​testprøven. Træktest af flade metalprodukter er naturligvis stadig nyttig, men fordele kan opnås ved at se dybere på det ene lag af dens mekaniske opførsel.
Metaller er opbygget af en række mikroskopiske krystaller kaldet korn. De er tilfældigt fordelt over hele metallet. Atomer af legeringselementer, såsom jern, krom, nikkel, mangan, silicium, kulstof, nitrogen, fosfor og svovl i austenitiske rustfrie stål, er en del af opløsningen af ​​et enkelt atommetal, som er en del af opløsningen af ​​et enkelt atom-metal. gitter gennem deres fælles elektroner.
Den kemiske sammensætning af legeringen bestemmer det termodynamisk foretrukne arrangement af atomer i kornene, kendt som krystalstrukturen. Homogene dele af et metal, der indeholder en gentagne krystalstruktur, danner et eller flere korn kaldet faser. De mekaniske egenskaber af en legering er en funktion af krystalstrukturen i legeringen. Det samme gælder størrelsen og arrangementet af hver fase.
De fleste kender til vandets stadier.Når flydende vand fryser, bliver det til fast is.Men når det kommer til metaller, er der ikke kun én fast fase.Visse legeringsfamilier er opkaldt efter deres faser.Blandt rustfrit stål består austenitiske 300-serielegeringer primært af austenit, når de er udglødet i 400 serier af 400 stavefrit. stål eller martensit i 410 og 420 rustfri stållegeringer.
Det samme gælder titanlegeringer. Navnet på hver legeringsgruppe angiver deres dominerende fase ved stuetemperatur - alfa, beta eller en blanding af begge. Der er alfa-, nær-alfa-, alfa-beta-, beta- og nær-beta-legeringer.
Når det flydende metal størkner, vil de faste partikler i den termodynamisk foretrukne fase udfældes, hvor tryk, temperatur og kemisk sammensætning tillader det. Dette sker normalt ved grænseflader, som iskrystaller på overfladen af ​​en varm dam på en kold dag. Når korn danner kerne, vokser krystalstrukturen i én retning, indtil et andet korn stødes på ved de forskellige korngrænser, der passer til korngrænserne. rystalstrukturer.Forestil dig at lægge en masse Rubiks terninger i forskellige størrelser i en kasse.Hver terning har et kvadratisk gitterarrangement, men de vil alle være arrangeret i forskellige tilfældige retninger.Et fuldt størknet metalemne består af en række tilsyneladende tilfældigt orienterede korn.
Hver gang der dannes et korn, er der mulighed for linjedefekter. Disse defekter mangler dele af krystalstrukturen kaldet dislokationer. Disse dislokationer og deres efterfølgende bevægelse gennem hele kornet og på tværs af korngrænserne er grundlæggende for metals duktilitet.
Et tværsnit af emnet monteres, slebet, poleret og ætset for at se kornstrukturen.Når de er ensartede og ligeaksede, ligner mikrostrukturerne observeret på et optisk mikroskop lidt et puslespil. I virkeligheden er kornene tredimensionelle, og tværsnittet af hvert korn vil variere afhængigt af emnets tværsnitsretning.
Når en krystalstruktur er fyldt med alle dens atomer, er der ikke plads til bevægelse udover strækningen af ​​atombindingerne.
Når du fjerner halvdelen af ​​en række af atomer, skaber du en mulighed for, at en anden række af atomer kan glide ind i den position, hvilket effektivt flytter dislokationen. Når der påføres en kraft på emnet, gør den aggregerede bevægelse af dislokationer i mikrostrukturen det i stand til at bøje, strække eller komprimere uden at gå i stykker eller knække.
Når en kraft virker på en metallegering, øger systemet energien.Hvis der tilføres energi nok til at forårsage plastisk deformation, deformeres gitteret, og der dannes nye dislokationer. Det virker logisk, at dette skal øge duktiliteten, da det frigør mere plads og dermed skaber potentiale for mere dislokationsbevægelse. Når dislokationer støder sammen, kan de dog fiksere hinanden.
Efterhånden som antallet og koncentrationen af ​​dislokationer stiger, bliver flere og flere dislokationer stiftet sammen, hvilket reducerer duktiliteten. Efterhånden ser der så mange dislokationer ud, at koldformning ikke længere er mulig. Da eksisterende pinning-dislokationer ikke længere kan bevæge sig, strækker atombindingerne i gitteret sig, indtil de knækker eller knækker. Det er grunden til, at metallegeringer hærder til mængden af ​​plastisk deformation, og hvorfor der kan forekomme en plastisk deformation.
Korn spiller også en vigtig rolle i udglødning. Udglødning af et arbejdshærdet materiale nulstiller i det væsentlige mikrostrukturen og genopretter dermed duktiliteten. Under udglødningsprocessen omdannes kornene i tre trin:
Forestil dig en person, der går gennem en overfyldt togvogn. Menneskemængder kan kun klemmes ved at efterlade mellemrum mellem rækkerne, som forskydninger i et gitter. Efterhånden som de skred frem, udfyldte folkene bag dem det tomrum, de efterlod, mens de skabte ny plads foran. Når de når den anden ende af vognen, ændres arrangementet af passagerer. væggene i togvognene, der holder alle på plads. Jo flere forskydninger, der opstår, jo sværere er det for dem at bevæge sig på samme tid.
Det er vigtigt at forstå det minimumsniveau af deformation, der kræves for at udløse omkrystallisation. Men hvis metallet ikke har nok deformationsenergi, før det opvarmes, vil omkrystallisation ikke forekomme, og kornene vil simpelthen fortsætte med at vokse ud over deres oprindelige størrelse.
Mekaniske egenskaber kan justeres ved at kontrollere kornvækst. En korngrænse er i det væsentlige en mur af dislokationer. De hindrer bevægelse.
Hvis kornvæksten begrænses, vil der blive produceret et højere antal små korn. Disse mindre korn anses for at være finere med hensyn til kornstruktur. Flere korngrænser betyder mindre dislokationsbevægelse og højere styrke.
Hvis kornvæksten ikke begrænses, bliver kornstrukturen grovere, kornene er større, grænserne er mindre, og styrken er lavere.
Kornstørrelse omtales ofte som et enhedsløst tal, et sted mellem 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relateret til den gennemsnitlige korndiameter. Jo højere tal, jo finere granularitet.
ASTM E112 skitserer metoder til måling og evaluering af kornstørrelse. Det indebærer at tælle mængden af ​​korn i et givet område. Dette gøres normalt ved at skære et tværsnit af råmaterialet, slibe og polere det, og derefter ætse det med syre for at blotlægge partiklerne. Tælling udføres under et mikroskop, og forstørrelsen tillader et passende antal grains. Det kan endda være fordelagtigt at begrænse variationen i kornstørrelsen til to eller tre punkter for at sikre ensartet ydeevne på tværs af emnet.
I tilfælde af arbejdshærdning har styrke og duktilitet et omvendt forhold. Forholdet mellem ASTM kornstørrelse og styrke har en tendens til at være positivt og stærkt, generelt er forlængelse omvendt relateret til ASTM kornstørrelse. Dog kan overdreven kornvækst forårsage at "dødbløde" materialer ikke længere virker hærde effektivt.
Kornstørrelse omtales ofte som et enhedsløst tal, et sted mellem 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relateret til den gennemsnitlige korndiameter. Jo højere ASTM-kornstørrelsesværdien er, jo flere korn pr. arealenhed.
Kornstørrelsen af ​​det udglødede materiale varierer med tid, temperatur og afkølingshastighed. Udglødning udføres sædvanligvis mellem omkrystallisationstemperaturen og smeltepunktet for legeringen. Det anbefalede udglødningstemperaturområde for austenitisk rustfrit stållegering 301 er mellem 1.900 og 2.050 grader Fahrenheit. Det vil begynde at smelte omkring 550 grader i kommerciel temperatur, 150 grader. skal udglødes ved 1.292 grader Fahrenheit og smelte omkring 3.000 grader Fahrenheit.
Under udglødning konkurrerer genvindings- og omkrystallisationsprocesserne med hinanden, indtil de omkrystalliserede korn optager alle deformerede korn. Omkrystallisationshastigheden varierer med temperaturen. Når omkrystalliseringen er afsluttet, tager kornvæksten over. Et 301 rustfrit stål-emne udglødet ved 1.900 °F i én g korn-struktur vil have den samme finere 0F-struktur ved 0F. samme tid.
Hvis materialet ikke holdes i det korrekte udglødningsområde længe nok, kan den resulterende struktur være en kombination af gamle og nye korn. Hvis ensartede egenskaber ønskes i hele metallet, bør udglødningsprocessen sigte mod at opnå en ensartet ligeakset kornstruktur. Ensartet betyder, at alle korn har omtrent samme størrelse, og ensakset betyder, at de har nogenlunde samme form.
For at opnå en ensartet og ligeakset mikrostruktur bør hvert emne udsættes for den samme mængde varme i samme tid og skal afkøles med samme hastighed. Dette er ikke altid nemt eller muligt med batchudglødning, så det er vigtigt i det mindste at vente, indtil hele emnet er mættet ved den passende temperatur, før man beregner iblødsætningstiden. Længere iblødsætningstider og højere temperaturer vil resultere i, at materialet bliver mere og mere blødt.
Hvis kornstørrelse og styrke hænger sammen, og styrken er kendt, hvorfor så beregne korn, ikke? Alle destruktive tests har variabilitet. Trækprøvning, især ved lavere tykkelser, er i høj grad afhængig af prøveforberedelse. Trækstyrkeresultater, der ikke repræsenterer faktiske materialeegenskaber, kan opleve for tidlig svigt.
Hvis egenskaberne ikke er ensartede i hele emnet, fortæller det måske ikke hele historien at tage en trækprøve eller prøve fra den ene kant. Prøveforberedelse og testning kan også være tidskrævende. Hvor mange tests er mulige for et givent metal, og i hvor mange retninger er det muligt? Evaluering af kornstrukturen er en ekstra forsikring mod overraskelser.
Anisotropisk, isotropisk.Anisotropi refererer til retningsbestemmelsen af ​​mekaniske egenskaber.Ud over styrke kan anisotropi forstås bedre ved at undersøge kornstrukturen.
En ensartet og ligeakset kornstruktur skal være isotropisk, hvilket betyder, at den har de samme egenskaber i alle retninger.Isotropi er især vigtig i dybtrækningsprocesser, hvor koncentricitet er kritisk. Når emnet trækkes ind i formen, vil det anisotrope materiale ikke flyde ensartet, hvilket kan føre til en defekt kaldet ørering. inhomogeniteter i emnet og hjælpe med at diagnosticere den grundlæggende årsag.
Korrekt udglødning er afgørende for at opnå isotropi, men det er også vigtigt at forstå omfanget af deformation før udglødning. Efterhånden som materialet deformeres plastisk, begynder kornene at deformeres. Ved koldvalsning, omdannelse af tykkelse til længde, vil kornene forlænges i rulleretningen. Efterhånden som kornenes størrelsesforhold ændres, ændres de mekaniske egenskaber og deformeringsegenskaberne generelt. stykker, kan en vis orientering bevares selv efter udglødning. Dette resulterer i anisotropi. For dybtrukne materialer er det nogle gange nødvendigt at begrænse mængden af ​​deformation før endelig udglødning for at undgå slid.
appelsinskal. Opsamling er ikke den eneste dybtrækningsfejl, der er forbundet med matrice. Appelsinhud opstår, når råmaterialer med for grove partikler trækkes. Hvert korn deformeres uafhængigt og som en funktion af dets krystalorientering. Forskellen i deformation mellem tilstødende korn resulterer i et tekstureret udseende, der ligner den kornformede struktur af appelsinskal overfladen.
Ligesom pixels på en tv-skærm, med en finkornet struktur, vil forskellen mellem hvert korn være mindre mærkbar, hvilket effektivt øger opløsningen. At specificere mekaniske egenskaber alene er muligvis ikke tilstrækkeligt til at sikre en tilstrækkelig fin kornstørrelse til at forhindre appelsinskal-effekten. Når ændringen i emnestørrelsen er mindre end 10 gange korndiameteren, afspejler egenskaberne af de enkelte kornstørrelser ensartede kornstørrelser, men det afspejler ikke de specifikke kornstørrelser, men deformerer ikke mange kornstørrelser. orientering af hvert korn. Dette kan ses fra appelsinskal-effekten på væggene af de tegnede kopper.
For en ASTM-kornstørrelse på 8 er den gennemsnitlige korndiameter 885 µin. Dette betyder, at enhver tykkelsesreduktion på 0,00885 tommer eller mindre kan blive påvirket af denne mikroformningseffekt.
Selvom grove korn kan forårsage dybtrækningsproblemer, anbefales de nogle gange til prægning. Stempling er en deformationsproces, hvor et emne komprimeres for at give en ønsket overfladetopografi, såsom en fjerdedel af George Washingtons ansigtskonturer. I modsætning til trådtegning involverer stempling normalt ikke en masse bulkmaterialeflow, men det kræver kun en masse kraft af emnet.
Af denne grund kan minimering af overfladestrømningsspænding ved at bruge en grovere kornstruktur hjælpe med at afhjælpe de kræfter, der kræves for korrekt formfyldning. Dette er især tilfældet i tilfælde af fri-die-prægning, hvor dislokationer på overfladekorn kan flyde frit i stedet for at akkumulere ved korngrænser.
De tendenser, der diskuteres her, er generaliseringer, som muligvis ikke gælder for specifikke sektioner. De fremhævede dog fordelene ved at måle og standardisere råmaterialepartikelstørrelsen, når man designer nye dele for at undgå almindelige faldgruber og optimere støbeparametre.
Producenter af præcisionsmetalprægemaskiner og dybtrækningsoperationer på metal for at danne deres dele vil arbejde godt sammen med metallurger på teknisk kvalificerede præcisionsvalser, som kan hjælpe dem med at optimere materialer ned til kornniveauet. Når metallurgiske og tekniske eksperter på begge sider af forholdet integreres i ét team, kan det have en positiv effekt og producere mere.
STAMPING Journal er det eneste branchetidsskrift, der er dedikeret til at opfylde behovene på metalstemplingsmarkedet. Siden 1989 har publikationen dækket banebrydende teknologier, branchetrends, bedste praksis og nyheder for at hjælpe stemplingsprofessionelle med at drive deres forretning mere effektivt.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af FABRICATOR, nem adgang til værdifulde industriressourcer.
Den digitale udgave af The Tube & Pipe Journal er nu fuldt tilgængelig og giver nem adgang til værdifulde industriressourcer.
Nyd fuld adgang til den digitale udgave af STAMPING Journal, som giver de seneste teknologiske fremskridt, bedste praksis og industrinyheder til metalstemplingsmarkedet.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af The Fabricator en Español, nem adgang til værdifulde industriressourcer.