Se pueden obtener beneficios al obtener información sobre una capa de la estructura del grano que controla el comportamiento mecánico del acero inoxidable. Getty Images
La selección de acero inoxidable y aleaciones de aluminio generalmente se centra en la resistencia, la ductilidad, el alargamiento y la dureza. Estas propiedades indican cómo responden los componentes básicos del metal a las cargas aplicadas. Son un indicador eficaz de la gestión de las limitaciones de la materia prima;es decir, cuánto se doblará antes de romperse. La materia prima debe poder soportar el proceso de moldeo sin romperse.
Las pruebas destructivas de tracción y dureza son un método confiable y rentable para determinar las propiedades mecánicas. Sin embargo, estas pruebas no siempre son tan confiables una vez que el espesor de la materia prima comienza a limitar el tamaño de la muestra de prueba. Por supuesto, las pruebas de tracción de productos metálicos planos siguen siendo útiles, pero se pueden obtener beneficios observando más profundamente una capa de la estructura del grano que controla su comportamiento mecánico.
Los metales están formados por una serie de cristales microscópicos llamados granos. Están distribuidos aleatoriamente por todo el metal. Los átomos de los elementos de aleación, como el hierro, el cromo, el níquel, el manganeso, el silicio, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre en los aceros inoxidables austeníticos, forman parte de un solo grano. Estos átomos forman una solución sólida de iones metálicos, que se unen a la red cristalina a través de sus electrones compartidos.
La composición química de la aleación determina la disposición termodinámicamente preferida de los átomos en los granos, conocida como estructura cristalina. Las porciones homogéneas de un metal que contienen una estructura cristalina repetitiva forman uno o más granos llamados fases. Las propiedades mecánicas de una aleación son una función de la estructura cristalina en la aleación. Lo mismo ocurre con el tamaño y la disposición de los granos de cada fase.
La mayoría de las personas están familiarizadas con las etapas del agua. Cuando el agua líquida se congela, se convierte en hielo sólido. Sin embargo, cuando se trata de metales, no hay solo una fase sólida. Ciertas familias de aleaciones llevan el nombre de sus fases. Entre los aceros inoxidables, las aleaciones austeníticas de la serie 300 consisten principalmente en austenita cuando se recocen. .
Lo mismo ocurre con las aleaciones de titanio. El nombre de cada grupo de aleaciones indica su fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una mezcla de ambas. Hay aleaciones alfa, casi alfa, alfa-beta, beta y casi beta.
Cuando el metal líquido se solidifica, las partículas sólidas de la fase preferida termodinámicamente precipitarán donde lo permitan la presión, la temperatura y la composición química. Esto suele ocurrir en las interfaces, como los cristales de hielo en la superficie de un estanque cálido en un día frío. Cuando los granos se nuclean, la estructura cristalina crece en una dirección hasta que se encuentra con otro grano. tiene una disposición de rejilla cuadrada, pero todos estarán dispuestos en diferentes direcciones aleatorias. Una pieza de trabajo de metal completamente solidificado consta de una serie de granos orientados aparentemente al azar.
Cada vez que se forma un grano, existe la posibilidad de defectos de línea. Estos defectos son partes faltantes de la estructura cristalina llamadas dislocaciones. Estas dislocaciones y su movimiento posterior a lo largo del grano y a través de los límites de grano son fundamentales para la ductilidad del metal.
Se monta, rectifica, pule y graba una sección transversal de la pieza de trabajo para ver la estructura del grano. Cuando son uniformes y equiaxiales, las microestructuras observadas en un microscopio óptico se parecen un poco a un rompecabezas. En realidad, los granos son tridimensionales y la sección transversal de cada grano variará según la orientación de la sección transversal de la pieza de trabajo.
Cuando una estructura cristalina se llena con todos sus átomos, no hay lugar para otro movimiento que no sea el estiramiento de los enlaces atómicos.
Cuando elimina la mitad de una fila de átomos, crea una oportunidad para que otra fila de átomos se deslice a esa posición, moviendo efectivamente la dislocación. Cuando se aplica una fuerza a la pieza de trabajo, el movimiento agregado de las dislocaciones en la microestructura le permite doblarse, estirarse o comprimirse sin romperse o romperse.
Cuando una fuerza actúa sobre una aleación de metal, el sistema aumenta la energía. Si se agrega suficiente energía para causar la deformación plástica, la red se deforma y se forman nuevas dislocaciones. Parece lógico que esto aumente la ductilidad, ya que libera más espacio y, por lo tanto, crea el potencial para un mayor movimiento de dislocación. Sin embargo, cuando las dislocaciones chocan, pueden fijarse entre sí.
A medida que aumenta el número y la concentración de dislocaciones, más y más dislocaciones se unen entre sí, lo que reduce la ductilidad. Eventualmente, aparecen tantas dislocaciones que ya no es posible la conformación en frío. Dado que las dislocaciones de fijación existentes ya no pueden moverse, los enlaces atómicos en la red se estiran hasta romperse o romperse. Esta es la razón por la que las aleaciones metálicas se endurecen por trabajo y por la que existe un límite en la cantidad de deformación plástica que un metal puede soportar antes de romperse.
El grano también juega un papel importante en el recocido. El recocido de un material endurecido por trabajo esencialmente restablece la microestructura y, por lo tanto, restaura la ductilidad. Durante el proceso de recocido, los granos se transforman en tres pasos:
Imagínese a una persona caminando a través de un vagón de tren lleno de gente. Las multitudes solo se pueden apretar dejando espacios entre las filas, como dislocaciones en una celosía. A medida que avanzaban, las personas detrás de ellos llenaban el vacío que habían dejado, mientras creaban un nuevo espacio en el frente. Una vez que llegan al otro extremo del vagón, la disposición de los pasajeros cambia. lugar. Cuantas más dislocaciones aparezcan, más difícil será que se muevan al mismo tiempo.
Es importante comprender el nivel mínimo de deformación requerido para desencadenar la recristalización. Sin embargo, si el metal no tiene suficiente energía de deformación antes de calentarse, no se producirá la recristalización y los granos simplemente seguirán creciendo más allá de su tamaño original.
Las propiedades mecánicas se pueden ajustar controlando el crecimiento del grano. Un límite de grano es esencialmente una pared de dislocaciones que dificultan el movimiento.
Si se restringe el crecimiento del grano, se producirá una mayor cantidad de granos pequeños. Estos granos más pequeños se consideran más finos en términos de estructura de grano. Más límites de grano significan menos movimiento de dislocación y mayor resistencia.
Si no se restringe el crecimiento del grano, la estructura del grano se vuelve más gruesa, los granos son más grandes, los límites son menores y la resistencia es menor.
El tamaño del grano a menudo se denomina un número sin unidad, entre 5 y 15. Esta es una proporción relativa y está relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el número, más fina será la granularidad.
ASTM E112 describe métodos para medir y evaluar el tamaño de grano. Implica contar la cantidad de grano en un área determinada. Esto generalmente se hace cortando una sección transversal de la materia prima, moliéndola y puliéndola, y luego grabándola con ácido para exponer las partículas. El conteo se realiza bajo un microscopio y la ampliación permite un muestreo adecuado de los granos. La asignación de números de tamaño de grano de ASTM indica un nivel razonable de uniformidad en la forma y el diámetro del grano. a través de la pieza de trabajo.
En el caso del endurecimiento por trabajo, la resistencia y la ductilidad tienen una relación inversa. La relación entre el tamaño de grano ASTM y la resistencia tiende a ser positiva y fuerte, generalmente el alargamiento está inversamente relacionado con el tamaño de grano ASTM. Sin embargo, el crecimiento excesivo del grano puede causar que los materiales "muertos blandos" ya no se endurezcan con eficacia.
El tamaño de grano a menudo se conoce como un número sin unidad, entre 5 y 15. Esta es una proporción relativa y está relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el valor del tamaño de grano de ASTM, más granos por unidad de área.
El tamaño de grano del material recocido varía con el tiempo, la temperatura y la velocidad de enfriamiento. El recocido generalmente se realiza entre la temperatura de recristalización y el punto de fusión de la aleación. El rango de temperatura de recocido recomendado para la aleación de acero inoxidable austenítico 301 es entre 1900 y 2050 grados Fahrenheit. Comenzará a fundirse alrededor de 2550 grados Fahrenheit. 2 grados Fahrenheit y se derrite alrededor de 3000 grados Fahrenheit.
Durante el recocido, los procesos de recuperación y recristalización compiten entre sí hasta que los granos recristalizados consumen todos los granos deformados. La tasa de recristalización varía con la temperatura. Una vez que se completa la recristalización, el crecimiento del grano se hace cargo.
Si el material no se mantiene en el rango de recocido adecuado durante el tiempo suficiente, la estructura resultante puede ser una combinación de granos antiguos y nuevos. Si se desean propiedades uniformes en todo el metal, el proceso de recocido debe apuntar a lograr una estructura de grano equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos los granos tienen aproximadamente el mismo tamaño y equiaxial significa que tienen aproximadamente la misma forma.
Para obtener una microestructura uniforme y equiaxial, cada pieza de trabajo debe exponerse a la misma cantidad de calor durante la misma cantidad de tiempo y debe enfriarse a la misma velocidad. Esto no siempre es fácil o posible con el recocido por lotes, por lo que es importante al menos esperar hasta que toda la pieza de trabajo esté saturada a la temperatura adecuada antes de calcular el tiempo de remojo. Los tiempos de remojo más largos y las temperaturas más altas darán como resultado una estructura de grano más grueso/material más suave y viceversa.
Si el tamaño de grano y la resistencia están relacionados, y se conoce la resistencia, ¿por qué calcular los granos, verdad? Todas las pruebas destructivas tienen variabilidad. Las pruebas de tracción, especialmente en espesores más bajos, dependen en gran medida de la preparación de la muestra. Los resultados de resistencia a la tracción que no representan las propiedades reales del material pueden experimentar una falla prematura.
Si las propiedades no son uniformes en toda la pieza de trabajo, es posible que tomar una muestra de prueba de tracción o una muestra de un borde no cuente toda la historia. La preparación y la prueba de la muestra también pueden llevar mucho tiempo. ¿Cuántas pruebas son posibles para un metal dado y en cuántas direcciones es factible? La evaluación de la estructura del grano es un seguro adicional contra sorpresas.
Anisotrópico, isotrópico. La anisotropía se refiere a la direccionalidad de las propiedades mecánicas. Además de la resistencia, la anisotropía se puede comprender mejor examinando la estructura del grano.
Una estructura de grano uniforme y equiaxial debe ser isotrópica, lo que significa que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía es especialmente importante en los procesos de embutición profunda donde la concentricidad es crítica. Cuando la pieza bruta se mete en el molde, el material anisotrópico no fluirá uniformemente, lo que puede conducir a un defecto llamado arete. El arete ocurre donde la parte superior de la copa forma una silueta ondulada. Examinar la estructura del grano puede revelar la ubicación de las faltas de homogeneidad en la pieza de trabajo y ayudar a diagnosticar la causa principal.
El recocido adecuado es fundamental para lograr la isotropía, pero también es importante comprender el alcance de la deformación antes del recocido. A medida que el material se deforma plásticamente, los granos comienzan a deformarse. En el caso del laminado en frío, al convertir el espesor en longitud, los granos se alargarán en la dirección del laminado. isotropía. Para materiales de embutición profunda, a veces es necesario limitar la cantidad de deformación antes del recocido final para evitar el desgaste.
piel de naranja. La recogida no es el único defecto de embutición profunda asociado con el troquel. La piel de naranja se produce cuando se extraen materias primas con partículas demasiado gruesas. Cada grano se deforma de forma independiente y en función de la orientación de su cristal. La diferencia de deformación entre los granos adyacentes da como resultado una apariencia texturizada similar a la piel de naranja.
Al igual que los píxeles en una pantalla de TV, con una estructura de grano fino, la diferencia entre cada grano será menos notable, lo que aumentará efectivamente la resolución. La especificación de las propiedades mecánicas por sí sola puede no ser suficiente para garantizar un tamaño de grano suficientemente fino para evitar el efecto de piel de naranja. Cuando la variación dimensional de la pieza de trabajo es inferior a 10 veces el diámetro del grano, las propiedades de los granos individuales impulsarán el comportamiento de formación. en las paredes de las copas dibujadas.
Para un tamaño de grano ASTM de 8, el diámetro de grano promedio es de 885 µin. Esto significa que cualquier reducción de espesor de 0,00885 pulgadas o menos puede verse afectada por este efecto de microformado.
Aunque los granos gruesos pueden causar problemas de embutición profunda, a veces se recomiendan para la impresión. El estampado es un proceso de deformación en el que se comprime una pieza en blanco para impartir una topografía de superficie deseada, como una cuarta parte de los contornos faciales de George Washington. A diferencia del trefilado, el estampado generalmente no implica mucho flujo de material a granel, pero sí requiere mucha fuerza, lo que puede deformar la superficie de la pieza en bruto.
Por esta razón, minimizar la tensión de flujo superficial mediante el uso de una estructura de grano más grueso puede ayudar a aliviar las fuerzas requeridas para el llenado adecuado del molde. Esto es especialmente cierto para la impresión de matriz libre, donde las dislocaciones en los granos de la superficie pueden fluir libremente, en lugar de acumularse en los límites de grano.
Las tendencias discutidas aquí son generalizaciones que pueden no aplicarse a secciones específicas. Sin embargo, destacaron los beneficios de medir y estandarizar el tamaño de grano de la materia prima al diseñar nuevas piezas para evitar defectos comunes y optimizar los parámetros de moldeo.
Los fabricantes de máquinas de estampado de metal de precisión y operaciones de embutición profunda en metal para formar sus piezas trabajarán bien con metalúrgicos en relaminadores de precisión técnicamente calificados que pueden ayudarlos a optimizar los materiales hasta el nivel de grano. Cuando los expertos metalúrgicos y de ingeniería de ambos lados de la relación se integran en un solo equipo, puede tener un impacto transformador y producir resultados más positivos.
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