Des avantages peuvent être obtenus en obtenant un aperçu d'une couche de la structure du grain qui contrôle le comportement mécanique de l'acier inoxydable.Getty Images
La sélection des alliages d'acier inoxydable et d'aluminium se concentre généralement sur la résistance, la ductilité, l'allongement et la dureté. Ces propriétés indiquent comment les éléments constitutifs du métal répondent aux charges appliquées. Elles sont un indicateur efficace de la gestion des contraintes de matières premières ;c'est-à-dire combien il se pliera avant de se casser. La matière première doit pouvoir résister au processus de moulage sans se casser.
Les essais destructifs de traction et de dureté sont une méthode fiable et rentable pour déterminer les propriétés mécaniques. Cependant, ces essais ne sont pas toujours aussi fiables une fois que l'épaisseur de la matière première commence à limiter la taille de l'échantillon d'essai. Les essais de traction de produits métalliques plats sont bien sûr toujours utiles, mais des avantages peuvent être obtenus en examinant plus en profondeur une couche de la structure du grain qui contrôle son comportement mécanique.
Les métaux sont constitués d'une série de cristaux microscopiques appelés grains. Ils sont répartis de manière aléatoire dans tout le métal. Les atomes d'éléments d'alliage, tels que le fer, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium, le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre dans les aciers inoxydables austénitiques, font partie d'un seul grain. Ces atomes forment une solution solide d'ions métalliques, qui sont liés au réseau cristallin par leurs électrons communs.
La composition chimique de l'alliage détermine la disposition thermodynamique préférée des atomes dans les grains, appelée structure cristalline. Des parties homogènes d'un métal contenant une structure cristalline répétitive forment un ou plusieurs grains appelés phases. Les propriétés mécaniques d'un alliage sont fonction de la structure cristalline de l'alliage. Il en va de même pour la taille et la disposition des grains de chaque phase.
La plupart des gens connaissent les étapes de l'eau. Lorsque l'eau liquide gèle, elle devient de la glace solide. Cependant, lorsqu'il s'agit de métaux, il n'y a pas qu'une seule phase solide. Certaines familles d'alliages portent le nom de leurs phases.
Il en va de même pour les alliages de titane. Le nom de chaque groupe d'alliages indique leur phase prédominante à température ambiante - alpha, bêta ou un mélange des deux. Il existe des alliages alpha, quasi-alpha, alpha-bêta, bêta et quasi-bêta.
Lorsque le métal liquide se solidifie, les particules solides de la phase thermodynamique préférée précipitent là où la pression, la température et la composition chimique le permettent. Cela se produit généralement aux interfaces, comme des cristaux de glace à la surface d'un étang chaud par temps froid. Lorsque les grains nucléent, la structure cristalline se développe dans une direction jusqu'à ce qu'un autre grain soit rencontré. disposition de grille carrée, mais ils seront tous disposés dans différentes directions aléatoires. Une pièce métallique entièrement solidifiée se compose d'une série de grains apparemment orientés au hasard.
Chaque fois qu'un grain se forme, il existe une possibilité de défauts linéaires. Ces défauts sont des parties manquantes de la structure cristalline appelées dislocations. Ces dislocations et leur mouvement ultérieur dans le grain et à travers les joints de grains sont fondamentaux pour la ductilité du métal.
Une section transversale de la pièce est montée, meulée, polie et gravée pour visualiser la structure du grain. Lorsqu'elles sont uniformes et équiaxes, les microstructures observées au microscope optique ressemblent un peu à un puzzle. En réalité, les grains sont tridimensionnels et la section transversale de chaque grain varie en fonction de l'orientation de la section transversale de la pièce.
Lorsqu'une structure cristalline est remplie de tous ses atomes, il n'y a pas de place pour le mouvement autre que l'étirement des liaisons atomiques.
Lorsque vous supprimez la moitié d'une rangée d'atomes, vous créez une opportunité pour qu'une autre rangée d'atomes glisse dans cette position, déplaçant efficacement la dislocation. Lorsqu'une force est appliquée à la pièce, le mouvement agrégé des dislocations dans la microstructure lui permet de se plier, de s'étirer ou de se comprimer sans casser ni casser.
Lorsqu'une force agit sur un alliage métallique, le système augmente l'énergie. Si suffisamment d'énergie est ajoutée pour provoquer une déformation plastique, le réseau se déforme et de nouvelles dislocations se forment. Il semble logique que cela augmente la ductilité, car cela libère plus d'espace et crée ainsi le potentiel pour plus de mouvement de dislocation. Cependant, lorsque les dislocations entrent en collision, elles peuvent se réparer.
Au fur et à mesure que le nombre et la concentration de dislocations augmentent, de plus en plus de dislocations sont épinglées ensemble, ce qui réduit la ductilité. Finalement, de si nombreuses dislocations apparaissent que le formage à froid n'est plus possible. Puisque les dislocations d'épinglage existantes ne peuvent plus bouger, les liaisons atomiques dans le réseau s'étirent jusqu'à ce qu'elles se cassent ou se cassent.
Le grain joue également un rôle important dans le recuit. Le recuit d'un matériau écroui réinitialise essentiellement la microstructure et restaure ainsi la ductilité. Au cours du processus de recuit, les grains sont transformés en trois étapes :
Imaginez une personne marchant dans un wagon bondé. Les foules ne peuvent être comprimées qu'en laissant des espaces entre les rangées, comme des dislocations dans un treillis. Au fur et à mesure qu'ils progressent, les personnes derrière eux comblent le vide qu'ils ont laissé, tandis qu'ils créent un nouvel espace devant. Une fois qu'ils atteignent l'autre bout du wagon, la disposition des passagers change. plus de luxations apparaissent, plus il leur est difficile de se déplacer en même temps.
Il est important de comprendre le niveau minimum de déformation requis pour déclencher la recristallisation. Cependant, si le métal n'a pas assez d'énergie de déformation avant d'être chauffé, la recristallisation ne se produira pas et les grains continueront simplement à croître au-delà de leur taille d'origine.
Les propriétés mécaniques peuvent être ajustées en contrôlant la croissance des grains. Un joint de grain est essentiellement un mur de dislocations. Elles entravent le mouvement.
Si la croissance des grains est restreinte, un plus grand nombre de petits grains seront produits. Ces grains plus petits sont considérés comme plus fins en termes de structure de grains. Plus de joints de grains signifient moins de mouvement de dislocation et une plus grande résistance.
Si la croissance des grains n'est pas restreinte, la structure des grains devient plus grossière, les grains sont plus gros, les limites sont moindres et la résistance est plus faible.
La taille des grains est souvent appelée un nombre sans unité, quelque part entre 5 et 15. Il s'agit d'un rapport relatif et est lié au diamètre moyen des grains. Plus le nombre est élevé, plus la granularité est fine.
ASTM E112 décrit les méthodes de mesure et d'évaluation de la taille des grains. Cela implique de compter la quantité de grains dans une zone donnée. Cela se fait généralement en coupant une section transversale de la matière première, en la broyant et en la polissant, puis en la gravant avec de l'acide pour exposer les particules. Le comptage est effectué au microscope et le grossissement permet un échantillonnage adéquat des grains. à travers la pièce.
Dans le cas de l'écrouissage, la résistance et la ductilité ont une relation inverse. La relation entre la taille du grain ASTM et la résistance a tendance à être positive et forte, généralement l'allongement est inversement lié à la taille du grain ASTM. Cependant, une croissance excessive du grain peut empêcher les matériaux "morts mous" de durcir efficacement.
La taille des grains est souvent appelée un nombre sans unité, quelque part entre 5 et 15. Il s'agit d'un rapport relatif et est lié au diamètre moyen des grains. Plus la valeur de la taille des grains ASTM est élevée, plus il y a de grains par unité de surface.
La granulométrie du matériau recuit varie en fonction du temps, de la température et de la vitesse de refroidissement. Le recuit est généralement effectué entre la température de recristallisation et le point de fusion de l'alliage. 92 degrés Fahrenheit et fondre autour de 3 000 degrés Fahrenheit.
Pendant le recuit, les processus de récupération et de recristallisation se font concurrence jusqu'à ce que les grains recristallisés consomment tous les grains déformés. Le taux de recristallisation varie avec la température. Une fois la recristallisation terminée, la croissance des grains prend le relais.
Si le matériau n'est pas maintenu suffisamment longtemps dans la plage de recuit appropriée, la structure résultante peut être une combinaison d'anciens et de nouveaux grains. Si des propriétés uniformes sont souhaitées dans tout le métal, le processus de recuit doit viser à obtenir une structure de grain équiaxe uniforme. Uniforme signifie que tous les grains ont approximativement la même taille et équiaxe signifie qu'ils ont approximativement la même forme.
Pour obtenir une microstructure uniforme et équiaxe, chaque pièce doit être exposée à la même quantité de chaleur pendant la même durée et doit refroidir à la même vitesse. Ce n'est pas toujours facile ou possible avec le recuit par lots, il est donc important d'attendre au moins jusqu'à ce que toute la pièce soit saturée à la température appropriée avant de calculer le temps de trempage.
Si la taille et la résistance des grains sont liées et que la résistance est connue, pourquoi calculer les grains, n'est-ce pas ?
Si les propriétés ne sont pas uniformes sur toute la pièce, le fait de prélever une éprouvette ou un échantillon d'essai de traction sur un bord peut ne pas dire tout. La préparation et les essais des échantillons peuvent également prendre du temps. Combien de tests sont possibles pour un métal donné, et dans combien de directions est-ce faisable ? L'évaluation de la structure du grain est une assurance supplémentaire contre les surprises.
Anisotrope, isotrope. L'anisotropie fait référence à la directionnalité des propriétés mécaniques. En plus de la résistance, l'anisotropie peut être mieux comprise en examinant la structure du grain.
Une structure de grain uniforme et équiaxe doit être isotrope, ce qui signifie qu'elle a les mêmes propriétés dans toutes les directions. L'isotropie est particulièrement importante dans les processus d'emboutissage profond où la concentricité est critique.
Un recuit approprié est essentiel pour obtenir l'isotropie, mais il est également important de comprendre l'étendue de la déformation avant le recuit. Au fur et à mesure que le matériau se déforme plastiquement, les grains commencent à se déformer. Il en résulte une anisotropie. Pour les matériaux emboutis, il est parfois nécessaire de limiter la quantité de déformation avant le recuit final pour éviter l'usure.
peau d'orange. Le ramassage n'est pas le seul défaut d'emboutissage associé à la matrice. La peau d'orange se produit lorsque des matières premières avec des particules trop grossières sont étirées. Chaque grain se déforme indépendamment et en fonction de son orientation cristalline. La différence de déformation entre les grains adjacents se traduit par un aspect texturé similaire à la peau d'orange.
Tout comme les pixels sur un écran de télévision, avec une structure à grain fin, la différence entre chaque grain sera moins perceptible, ce qui augmentera efficacement la résolution. La spécification des propriétés mécaniques seules peut ne pas être suffisante pour garantir une taille de grain suffisamment fine pour empêcher l'effet de peau d'orange. Lorsque le changement de taille de la pièce est inférieur à 10 fois le diamètre du grain, les propriétés des grains individuels détermineront le comportement de formage. des tasses dessinées.
Pour une taille de grain ASTM de 8, le diamètre moyen du grain est de 885 µin. Cela signifie que toute réduction d'épaisseur de 0,00885 pouce ou moins peut être affectée par cet effet de microformage.
Bien que les grains grossiers puissent causer des problèmes d'emboutissage profond, ils sont parfois recommandés pour l'impression. L'estampage est un processus de déformation dans lequel une ébauche est comprimée pour donner une topographie de surface souhaitée, comme un quart des contours du visage de George Washington. Contrairement au tréfilage, l'estampage n'implique généralement pas beaucoup de flux de matériau en vrac, mais nécessite beaucoup de force, ce qui peut simplement déformer la surface de l'ébauche.
Pour cette raison, la minimisation des contraintes d'écoulement de surface en utilisant une structure à grains plus grossiers peut aider à atténuer les forces nécessaires au bon remplissage du moule.
Les tendances discutées ici sont des généralisations qui peuvent ne pas s'appliquer à des sections spécifiques. Cependant, elles ont mis en évidence les avantages de mesurer et de standardiser la taille des particules de matières premières lors de la conception de nouvelles pièces pour éviter les pièges courants et optimiser les paramètres de moulage.
Les fabricants de machines d'emboutissage de précision en métal et d'opérations d'emboutissage profond sur le métal pour former leurs pièces travailleront bien avec les métallurgistes sur des relamineurs de précision techniquement qualifiés qui peuvent les aider à optimiser les matériaux jusqu'au niveau du grain. Lorsque des experts en métallurgie et en ingénierie des deux côtés de la relation sont intégrés dans une seule équipe, cela peut avoir un impact transformateur et produire des résultats plus positifs.
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