Durch den Einblick in eine Schicht der Kornstruktur, die das mechanische Verhalten von Edelstahl steuert, können Vorteile erzielt werden.Getty Images
Bei der Auswahl von Edelstahl- und Aluminiumlegierungen stehen im Allgemeinen Festigkeit, Duktilität, Dehnung und Härte im Mittelpunkt. Diese Eigenschaften geben an, wie die Bausteine ​​des Metalls auf aufgebrachte Belastungen reagieren. Sie sind ein wirksamer Indikator für die Bewältigung von Rohstoffbeschränkungen.Das heißt, wie stark es sich verbiegt, bevor es bricht. Das Rohmaterial muss dem Formprozess standhalten können, ohne zu brechen.
Die zerstörende Zug- und Härteprüfung ist eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften. Allerdings sind diese Prüfungen nicht immer so zuverlässig, wenn die Dicke des Rohmaterials beginnt, die Größe der Testprobe zu begrenzen. Zugprüfungen von flachen Metallprodukten sind natürlich immer noch nützlich, aber es können Vorteile erzielt werden, wenn man eine Schicht der Kornstruktur, die ihr mechanisches Verhalten steuert, genauer untersucht.
Metalle bestehen aus einer Reihe mikroskopisch kleiner Kristalle, die als Körner bezeichnet werden. Sie sind zufällig im Metall verteilt. Atome von Legierungselementen wie Eisen, Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel in austenitischen Edelstählen sind Teil eines einzelnen Korns. Diese Atome bilden eine feste Lösung von Metallionen, die über ihre gemeinsamen Elektronen in das Kristallgitter eingebunden werden.
Die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt die thermodynamisch bevorzugte Anordnung der Atome in den Körnern, die sogenannte Kristallstruktur. Homogene Anteile eines Metalls mit einer sich wiederholenden Kristallstruktur bilden ein oder mehrere Körner, sogenannte Phasen. Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung hängen von der Kristallstruktur in der Legierung ab. Das Gleiche gilt für die Größe und Anordnung der Körner jeder Phase.
Die meisten Menschen sind mit den Stadien von Wasser vertraut. Wenn flüssiges Wasser gefriert, wird es zu festem Eis. Bei Metallen gibt es jedoch nicht nur eine feste Phase. Bestimmte Legierungsfamilien sind nach ihren Phasen benannt. Unter den rostfreien Stählen bestehen austenitische Legierungen der Serie 300 im geglühten Zustand hauptsächlich aus Austenit. Legierungen der Serie 400 bestehen jedoch aus Ferrit in Edelstahl 430 oder Martensit in Edelstahllegierungen 410 und 420.
Das Gleiche gilt für Titanlegierungen. Der Name jeder Legierungsgruppe gibt die vorherrschende Phase bei Raumtemperatur an – Alpha, Beta oder eine Mischung aus beiden. Es gibt Alpha-, Near-Alpha-, Alpha-Beta-, Beta- und Near-Beta-Legierungen.
Wenn das flüssige Metall erstarrt, fallen die festen Partikel der thermodynamisch bevorzugten Phase dort aus, wo Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung dies zulassen. Dies geschieht normalerweise an Grenzflächen, wie Eiskristalle auf der Oberfläche eines warmen Teichs an einem kalten Tag. Wenn Körner entstehen, wächst die Kristallstruktur in eine Richtung, bis ein anderes Korn angetroffen wird. Korngrenzen bilden sich an den Schnittpunkten nicht übereinstimmender Gitter aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der Kristallstrukturen. Stellen Sie sich vor, Sie legen einen Haufen Zauberwürfel unterschiedlicher Größe in eine Kiste .Jeder Würfel hat eine quadratische Gitteranordnung, aber alle sind in unterschiedlichen zufälligen Richtungen angeordnet. Ein vollständig erstarrtes Metallwerkstück besteht aus einer Reihe scheinbar zufällig ausgerichteter Körner.
Jedes Mal, wenn ein Korn gebildet wird, besteht die Möglichkeit von Liniendefekten. Bei diesen Defekten fehlen Teile der Kristallstruktur, sogenannte Versetzungen. Diese Versetzungen und ihre anschließende Bewegung durch das Korn und über Korngrenzen hinweg sind für die Duktilität von Metallen von grundlegender Bedeutung.
Ein Querschnitt des Werkstücks wird montiert, geschliffen, poliert und geätzt, um die Kornstruktur zu betrachten. Wenn sie gleichmäßig und gleichachsig sind, sehen die mit einem optischen Mikroskop beobachteten Mikrostrukturen ein wenig wie ein Puzzle aus. In Wirklichkeit sind die Körner dreidimensional und der Querschnitt jedes Korns variiert je nach Ausrichtung des Werkstückquerschnitts.
Wenn eine Kristallstruktur mit all ihren Atomen gefüllt ist, gibt es außer der Streckung der Atombindungen keinen Raum für Bewegung.
Wenn Sie die Hälfte einer Reihe von Atomen entfernen, schaffen Sie die Möglichkeit für eine andere Reihe von Atomen, in diese Position zu rutschen und so die Versetzung effektiv zu verschieben. Wenn eine Kraft auf das Werkstück ausgeübt wird, ermöglicht die aggregierte Bewegung der Versetzungen in der Mikrostruktur, dass es sich biegt, dehnt oder komprimiert, ohne zu brechen oder zu brechen.
Wenn eine Kraft auf eine Metalllegierung einwirkt, erhöht das System die Energie. Wenn genügend Energie zugeführt wird, um eine plastische Verformung zu bewirken, verformt sich das Gitter und es bilden sich neue Versetzungen. Es scheint logisch, dass dies die Duktilität erhöhen sollte, da dadurch mehr Raum frei wird und somit die Möglichkeit für mehr Versetzungsbewegungen entsteht. Wenn Versetzungen jedoch kollidieren, können sie sich gegenseitig fixieren.
Mit zunehmender Anzahl und Konzentration der Versetzungen werden immer mehr Versetzungen aneinander geheftet, wodurch die Duktilität abnimmt. Schließlich treten so viele Versetzungen auf, dass eine Kaltumformung nicht mehr möglich ist. Da sich bestehende Versetzungen nicht mehr bewegen können, dehnen sich die atomaren Bindungen im Gitter, bis sie brechen oder brechen. Aus diesem Grund verfestigen sich Metalllegierungen und es gibt eine Grenze für die plastische Verformung, die ein Metall aushalten kann, bevor es bricht.
Beim Glühen spielt auch das Korn eine wichtige Rolle. Durch das Glühen eines kaltverfestigten Materials wird die Mikrostruktur im Wesentlichen neu eingestellt und somit die Duktilität wiederhergestellt. Während des Glühvorgangs werden die Körner in drei Schritten umgewandelt:
Stellen Sie sich eine Person vor, die durch einen überfüllten Waggon geht. Menschenmengen können nur zusammengedrückt werden, indem Lücken zwischen den Reihen gelassen werden, wie Versetzungen in einem Gitter. Während sie voranschreiten, füllen die Menschen hinter ihnen die Lücke, die sie hinterlassen haben, während sie vorne neuen Raum schaffen. Sobald sie das andere Ende des Waggons erreichen, ändert sich die Anordnung der Fahrgäste. Wenn zu viele Menschen gleichzeitig versuchen, Platz zu schaffen, kollidieren die Fahrgäste miteinander und prallen gegen die Wände der Waggons, wodurch alle eingeklemmt werden an Ort und Stelle. Je mehr Versetzungen auftreten, desto schwieriger ist es für sie, sich gleichzeitig zu bewegen.
Es ist wichtig zu verstehen, welches Mindestmaß an Verformung erforderlich ist, um eine Rekristallisation auszulösen. Wenn das Metall jedoch vor dem Erhitzen nicht über genügend Verformungsenergie verfügt, findet keine Rekristallisation statt und die Körner wachsen einfach weiter über ihre ursprüngliche Größe hinaus.
Mechanische Eigenschaften können durch die Steuerung des Kornwachstums eingestellt werden. Eine Korngrenze ist im Wesentlichen eine Wand aus Versetzungen. Sie behindern die Bewegung.
Wenn das Kornwachstum eingeschränkt wird, entsteht eine höhere Anzahl kleiner Körner. Diese kleineren Körner gelten im Hinblick auf die Kornstruktur als feiner. Mehr Korngrenzen bedeuten weniger Versetzungsbewegung und höhere Festigkeit.
Wird das Kornwachstum nicht eingeschränkt, wird die Kornstruktur gröber, die Körner größer, die Grenzen kleiner und die Festigkeit geringer.
Die Korngröße wird oft als einheitslose Zahl bezeichnet und liegt irgendwo zwischen 5 und 15. Dies ist ein relatives Verhältnis und bezieht sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher die Zahl, desto feiner die Körnung.
ASTM E112 beschreibt Methoden zur Messung und Bewertung der Korngröße. Dabei wird die Kornmenge in einem bestimmten Bereich gezählt. Dies erfolgt normalerweise durch Schneiden eines Querschnitts des Rohmaterials, Schleifen und Polieren und anschließendes Ätzen mit Säure, um die Partikel freizulegen. Die Zählung erfolgt unter einem Mikroskop, und die Vergrößerung ermöglicht eine angemessene Probenahme der Körner. Die Zuweisung von ASTM-Korngrößenzahlen zeigt ein angemessenes Maß an Gleichmäßigkeit in der Kornform und im Korndurchmesser an. Es kann sogar vorteilhaft sein, die Variation der Korngröße auf zwei zu begrenzen oder drei Punkte, um eine gleichbleibende Leistung am gesamten Werkstück sicherzustellen.
Bei der Kaltverfestigung besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Festigkeit und Duktilität. Die Beziehung zwischen ASTM-Korngröße und Festigkeit ist tendenziell positiv und stark, im Allgemeinen ist die Dehnung umgekehrt proportional zur ASTM-Korngröße. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch dazu führen, dass „tote weiche“ Materialien nicht mehr effektiv kaltverfestigt werden.
Die Korngröße wird oft als einheitslose Zahl bezeichnet, irgendwo zwischen 5 und 15. Dies ist ein relatives Verhältnis und bezieht sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher der ASTM-Korngrößenwert, desto mehr Körner pro Flächeneinheit.
Die Korngröße des geglühten Materials variiert mit der Zeit, der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit. Das Glühen erfolgt normalerweise zwischen der Rekristallisationstemperatur und dem Schmelzpunkt der Legierung. Der empfohlene Glühtemperaturbereich für die austenitische Edelstahllegierung 301 liegt zwischen 1.900 und 2.050 Grad Fahrenheit. Das Schmelzen beginnt bei etwa 2.550 Grad Fahrenheit. Im Gegensatz dazu sollte kommerziell reines Titan der Güteklasse 1 bei 1.292 Grad Fahrenheit geglüht werden und bei etwa 3.000 Grad Fahrenheit schmelzen.
Während des Glühens konkurrieren die Erholungs- und Rekristallisationsprozesse miteinander, bis die rekristallisierten Körner alle deformierten Körner aufbrauchen.
Wenn das Material nicht lange genug im richtigen Glühbereich gehalten wird, kann die resultierende Struktur eine Kombination aus alten und neuen Körnern sein. Wenn im gesamten Metall gleichmäßige Eigenschaften gewünscht werden, sollte der Glühprozess darauf abzielen, eine gleichmäßige gleichachsige Kornstruktur zu erreichen. Gleichmäßig bedeutet, dass alle Körner ungefähr die gleiche Größe haben, und gleichachsig bedeutet, dass sie ungefähr die gleiche Form haben.
Um eine gleichmäßige und gleichachsige Mikrostruktur zu erhalten, sollte jedes Werkstück der gleichen Wärmemenge für die gleiche Zeit ausgesetzt werden und mit der gleichen Geschwindigkeit abkühlen. Dies ist beim Chargenglühen nicht immer einfach oder möglich, daher ist es wichtig, mit der Berechnung der Einweichzeit zumindest zu warten, bis das gesamte Werkstück bei der richtigen Temperatur gesättigt ist. Längere Einweichzeiten und höhere Temperaturen führen zu einer gröberen Kornstruktur/weicherem Material und umgekehrt.
Wenn Korngröße und Festigkeit miteinander in Zusammenhang stehen und die Festigkeit bekannt ist, warum sollte man dann die Körner berechnen? Alle zerstörenden Prüfungen weisen Schwankungen auf. Zugprüfungen, insbesondere bei geringeren Dicken, hängen weitgehend von der Probenvorbereitung ab. Zugfestigkeitsergebnisse, die nicht den tatsächlichen Materialeigenschaften entsprechen, können zu vorzeitigem Versagen führen.
Wenn die Eigenschaften nicht über das gesamte Werkstück hinweg einheitlich sind, sagt die Entnahme einer Zugprobe oder einer Probe von einer Kante möglicherweise nicht die ganze Wahrheit aus. Die Probenvorbereitung und -prüfung kann auch zeitaufwändig sein. Wie viele Tests sind für ein bestimmtes Metall möglich und in wie vielen Richtungen ist dies möglich? Die Bewertung der Kornstruktur ist eine zusätzliche Absicherung gegen Überraschungen.
Anisotrop, isotrop. Anisotropie bezieht sich auf die Richtung der mechanischen Eigenschaften. Zusätzlich zur Festigkeit kann Anisotropie durch die Untersuchung der Kornstruktur besser verstanden werden.
Eine gleichmäßige und gleichachsige Kornstruktur sollte isotrop sein, was bedeutet, dass sie in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften aufweist. Isotropie ist besonders wichtig bei Tiefziehprozessen, bei denen die Konzentrizität von entscheidender Bedeutung ist. Wenn der Rohling in die Form gezogen wird, fließt das anisotrope Material nicht gleichmäßig, was zu einem Defekt führen kann, der als Zapfenbildung bezeichnet wird. Die Zapfenbildung tritt dort auf, wo der obere Teil des Bechers eine wellenförmige Silhouette bildet. Die Untersuchung der Kornstruktur kann die Lage von Inhomogenitäten im Werkstück aufdecken und bei der Diagnose der Grundursache helfen.
Das richtige Glühen ist entscheidend für die Erzielung der Isotropie, aber es ist auch wichtig, das Ausmaß der Verformung vor dem Glühen zu verstehen. Wenn sich das Material plastisch verformt, beginnen sich die Körner zu verformen. Beim Kaltwalzen, bei dem Dicke in Länge umgewandelt wird, verlängern sich die Körner in Walzrichtung. Wenn sich das Kornseitenverhältnis ändert, ändern sich auch die Isotropie und die mechanischen Gesamteigenschaften. Bei stark verformten Werkstücken kann eine gewisse Orientierung auch nach dem Glühen erhalten bleiben. Dies führt zu Anisotropie .Bei tiefgezogenen Materialien ist es manchmal notwendig, die Verformung vor dem Schlussglühen zu begrenzen, um Verschleiß zu vermeiden.
Orangenschale. Das Aufnehmen ist nicht der einzige mit der Matrize verbundene Tiefziehfehler. Orangenschale tritt auf, wenn Rohstoffe mit zu groben Partikeln gezogen werden. Jedes Korn verformt sich unabhängig und in Abhängigkeit von seiner Kristallorientierung. Der Unterschied in der Verformung zwischen benachbarten Körnern führt zu einem strukturierten Erscheinungsbild, das der Orangenschale ähnelt. Textur ist die körnige Struktur, die auf der Oberfläche der Becherwand sichtbar wird.
Genau wie bei den Pixeln auf einem Fernsehbildschirm ist bei einer feinkörnigen Struktur der Unterschied zwischen den einzelnen Körnern weniger auffällig, was die Auflösung effektiv erhöht. Die Angabe mechanischer Eigenschaften allein reicht möglicherweise nicht aus, um eine ausreichend feine Korngröße sicherzustellen, um den Orangenhauteffekt zu verhindern. Wenn die Maßabweichung des Werkstücks weniger als das Zehnfache des Korndurchmessers beträgt, bestimmen die Eigenschaften der einzelnen Körner das Umformverhalten. Es verformt sich nicht gleichmäßig über viele Körner hinweg, sondern spiegelt die spezifische Größe und Ausrichtung jedes Korns wider. Dies ist am Orangenschaleneffekt auf der zu erkennen Wände der gezogenen Tassen.
Bei einer ASTM-Korngröße von 8 beträgt der durchschnittliche Korndurchmesser 885 µZoll. Dies bedeutet, dass jede Dickenreduzierung von 0,00885 Zoll oder weniger durch diesen Mikroformungseffekt beeinflusst werden kann.
Obwohl grobe Körner Probleme beim Tiefziehen verursachen können, werden sie manchmal zum Prägen empfohlen. Beim Stanzen handelt es sich um einen Verformungsprozess, bei dem ein Rohling zusammengedrückt wird, um ihm eine gewünschte Oberflächentopographie zu verleihen, beispielsweise ein Viertel der Gesichtskonturen von George Washington. Im Gegensatz zum Drahtziehen erfordert das Stanzen in der Regel keinen großen Materialfluss, sondern erfordert viel Kraft, wodurch möglicherweise nur die Oberfläche des Rohlings verformt wird.
Aus diesem Grund kann die Minimierung der Oberflächenfließspannung durch die Verwendung einer gröberen Kornstruktur dazu beitragen, die für eine ordnungsgemäße Formfüllung erforderlichen Kräfte zu verringern. Dies gilt insbesondere für das Freiformprägen, bei dem Versetzungen auf Oberflächenkörnern frei fließen können, anstatt sich an Korngrenzen anzusammeln.
Bei den hier besprochenen Trends handelt es sich um Verallgemeinerungen, die möglicherweise nicht auf bestimmte Abschnitte zutreffen. Sie haben jedoch die Vorteile der Messung und Standardisierung der Rohmaterialkorngröße bei der Konstruktion neuer Teile hervorgehoben, um häufige Fehler zu vermeiden und die Formparameter zu optimieren.
Hersteller von Präzisionsstanzmaschinen und Tiefziehvorgängen für Metall zur Formung ihrer Teile arbeiten gut mit Metallurgen an technisch qualifizierten Präzisionswalzen zusammen, die ihnen dabei helfen können, Materialien bis hin zur Kornebene zu optimieren. Wenn metallurgische und technische Experten auf beiden Seiten der Beziehung in einem Team integriert werden, kann dies eine transformative Wirkung haben und zu positiveren Ergebnissen führen.
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