Pódense obter beneficios ao coñecer unha capa da estrutura do gran que controla o comportamento mecánico do aceiro inoxidable.Getty Images
A selección de aceiro inoxidable e aliaxes de aluminio céntrase xeralmente en torno á resistencia, a ductilidade, o alongamento e a dureza. Estas propiedades indican como responden os bloques de construción do metal ás cargas aplicadas. Son un indicador eficaz da xestión das limitacións das materias primas;é dicir, canto se dobrará antes de romperse.A materia prima debe ser capaz de soportar o proceso de moldeo sen romperse.
As probas de tracción e dureza destrutivas son un método fiable e rendible para determinar as propiedades mecánicas. Non obstante, estas probas non sempre son tan fiables unha vez que o grosor da materia prima comeza a limitar o tamaño da mostra de ensaio. As probas de tracción de produtos metálicos planos seguen sendo útiles, pero pódense obter beneficios observando máis profundamente a estrutura mecánica que controla esa capa.
Os metais están formados por unha serie de cristais microscópicos chamados grans. Están distribuídos aleatoriamente por todo o metal. Os átomos de elementos de aliaxe, como ferro, cromo, níquel, manganeso, silicio, carbono, nitróxeno, fósforo e xofre dos aceiros inoxidables austeníticos, forman parte dun só gran.
A composición química da aliaxe determina a disposición termodinámicamente preferida dos átomos nos grans, coñecida como estrutura cristalina. As porcións homoxéneas dun metal que contén unha estrutura cristalina repetida forman un ou máis grans chamados fases. As propiedades mecánicas dunha aliaxe son función da estrutura cristalina da aliaxe. O mesmo ocorre co tamaño dos grans e a disposición de cada fase.
A maioría da xente está familiarizada coas fases da auga. Cando a auga líquida se conxela, convértese en xeo sólido. Non obstante, cando se trata de metais, non hai só unha fase sólida. Algunhas familias de aliaxes reciben o nome das súas fases. Entre os aceiros inoxidables, as aliaxes austeníticas da serie 300 consisten principalmente en austenita cando se recoxen. Aliaxes de aceiro inoxidable 10 e 420.
O mesmo ocorre coas aliaxes de titanio. O nome de cada grupo de aliaxes indica a súa fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta ou unha mestura de ambos. Hai aliaxes alfa, case alfa, alfa-beta, beta e case beta.
Cando o metal líquido se solidifica, as partículas sólidas da fase termodinámicamente preferida precipitarán onde a presión, a temperatura e a composición química o permiten. Isto adoita ocorrer nas interfaces, como os cristais de xeo na superficie dunha lagoa quente nun día frío. Cando os grans se nuclean, a estrutura cristalina crece nunha dirección ata que se atopa outro gran. estruturas cristalinas. Imaxina meter unha morea de cubos de Rubik de diferentes tamaños nunha caixa. Cada cubo ten unha disposición de cuadrícula cadrada, pero todos estarán dispostos en diferentes direccións aleatorias. Unha peza de metal totalmente solidificada consiste nunha serie de grans aparentemente orientados ao azar.
Cada vez que se forma un gran, hai unha posibilidade de defectos na liña. Estes defectos son partes que faltan da estrutura cristalina chamadas dislocacións. Estas dislocacións e o seu posterior movemento ao longo do gran e a través dos límites dos grans son fundamentais para a ductilidade do metal.
Unha sección transversal da peza é montada, rectificada, pulida e gravada para ver a estrutura do gran. Cando son uniformes e equiaxiadas, as microestruturas observadas nun microscopio óptico parecen un pouco un crebacabezas. En realidade, os grans son tridimensionais e a sección transversal de cada gran variará dependendo da orientación da sección transversal da peza de traballo.
Cando unha estrutura cristalina está chea de todos os seus átomos, non hai espazo para o movemento que non sexa o estiramento dos enlaces atómicos.
Cando eliminas a metade dunha fila de átomos, creas unha oportunidade para que outra fila de átomos se deslice nesa posición, movendo efectivamente a dislocación. Cando se aplica unha forza á peza de traballo, o movemento agregado das dislocacións na microestrutura permítelle dobrarse, estirar ou comprimir sen romper nin romper.
Cando unha forza actúa sobre unha aliaxe metálica, o sistema aumenta a enerxía.Se se engade enerxía suficiente para provocar a deformación plástica, a rede defórmase e fórmanse novas dislocacións.Parece lóxico que isto aumente a ductilidade, xa que libera máis espazo e, polo tanto, crea o potencial de máis movemento de dislocación. Non obstante, cando as dislocacións chocan, poden fixarse ​​entre si.
A medida que aumenta o número e a concentración de dislocacións, cada vez se unen máis dislocacións, reducindo a ductilidade. Finalmente, aparecen tantas dislocacións que xa non é posible a formación en frío. Dado que as dislocacións de fixación existentes xa non se poden mover, os enlaces atómicos na rede esténdense ata romper ou romper. É por iso que as aliaxes metálicas traballan endurecerse antes de romper o plástico.
O gran tamén xoga un papel importante no recocido. O recocido dun material endurecido por traballo restablece esencialmente a microestrutura e restablece así a ductilidade. Durante o proceso de recocido, os grans transfórmanse en tres pasos:
Imaxina unha persoa camiñando por un vagón de tren ateigado. As multitudes só se poden espremer deixando ocos entre as filas, como dislocacións nunha celosía. A medida que avanzaban, as persoas detrás delas encheron o baleiro que deixaron, mentres creaban un novo espazo diante. Unha vez que chegan ao outro extremo do vagón, a disposición dos pasaxeiros fará que os pasaxeiros poidan moverse demasiado para que os pasaxeiros poidan moverse á vez. chocan uns cos outros e chocan contra as paredes dos vagóns do tren, fixando a todos no seu lugar. Cantas máis luxacións aparezan, máis difícil é para eles moverse ao mesmo tempo.
É importante comprender o nivel mínimo de deformación necesario para desencadear a recristalización. Non obstante, se o metal non ten suficiente enerxía de deformación antes de ser quentado, a recristalización non se producirá e os grans seguirán crecendo máis aló do seu tamaño orixinal.
As propiedades mecánicas pódense axustar controlando o crecemento dos grans. Un límite de grans é esencialmente unha parede de dislocacións. Dificultan o movemento.
Se o crecemento dos grans está restrinxido, producirase un maior número de grans pequenos. Estes grans máis pequenos considéranse máis finos en termos de estrutura de grans. Máis límites de grans significa menos movemento de dislocación e maior resistencia.
Se o crecemento do gran non está restrinxido, a estrutura do gran faise máis grosa, os grans son máis grandes, os límites son menores e a forza é menor.
O tamaño do gran é frecuentemente referido como un número sen unidades, nalgún lugar entre 5 e 15. Esta é unha relación relativa e está relacionada co diámetro medio do gran. Canto maior sexa o número, máis fina é a granularidade.
ASTM E112 describe métodos para medir e avaliar o tamaño dos grans. Implica o reconto da cantidade de grans nunha determinada área. Isto adoita facerse cortando unha sección transversal da materia prima, triturando e pulíndoa, e logo gravando con ácido para expor as partículas. O reconto realízase ao microscopio, e a ampliación permite que o gran número de mostras de grano de ASTM permita un número adecuado de graos de mostraxe. en forma e diámetro do gran. Mesmo pode ser vantaxoso limitar a variación do tamaño do gran a dous ou tres puntos para garantir un rendemento consistente en toda a peza.
No caso do endurecemento por traballo, a resistencia e a ductilidade teñen unha relación inversa.A relación entre o tamaño do gran ASTM e a forza tende a ser positiva e forte, xeralmente o alongamento está inversamente relacionado co tamaño do gran ASTM. Non obstante, o crecemento excesivo do gran pode facer que os materiais "motos brandos" xa non funcionen de forma eficaz.
O tamaño do gran é frecuentemente referido como un número sen unidades, nalgún lugar entre 5 e 15. Esta é unha relación relativa e está relacionada co diámetro medio do gran. Canto maior sexa o valor de tamaño de gran ASTM, máis grans por unidade de área.
O tamaño do gran do material recocido varía co tempo, a temperatura e a velocidade de arrefriamento. O recocido adoita realizarse entre a temperatura de recristalización e o punto de fusión da aliaxe. O intervalo de temperatura de recocido recomendado para a aliaxe de aceiro inoxidable austenítico 301 está entre 1.900 e 2.050 graos Fahrenheit. debe ser recocido a 1.292 graos Fahrenheit e derreter ao redor de 3.000 graos Fahrenheit.
Durante o recocido, os procesos de recuperación e recristalización compiten entre si ata que os grans recristalizados consumen todos os grans deformados. A taxa de recristalización varía coa temperatura. Unha vez completada a recristalización, o crecemento do gran toma o relevo. Unha peza de aceiro inoxidable 301 recocida a 1.900 °F durante unha hora terá unha estrutura de gran máis fina que o mesmo tempo 200 °F ao mesmo tempo.
Se o material non se mantén no intervalo de recocido adecuado o tempo suficiente, a estrutura resultante pode ser unha combinación de grans antigos e novos. Se se desexan propiedades uniformes en todo o metal, o proceso de recocido debe ter como obxectivo conseguir unha estrutura de grans equiaxiales uniforme. Uniforme significa que todos os grans teñen aproximadamente o mesmo tamaño, e equiaxe significa que teñen aproximadamente a mesma forma.
Para obter unha microestrutura uniforme e equiaxiada, cada peza debe estar exposta á mesma cantidade de calor durante o mesmo tempo e debe arrefriarse á mesma velocidade. Isto non sempre é fácil nin é posible co recocido por lotes, polo que é importante esperar polo menos ata que toda a peza estea saturada á temperatura adecuada antes de calcular o tempo de inmersión.
Se o tamaño dos grans e a forza están relacionados, e a resistencia é coñecida, por que calcular os grans, non?Todas as probas destrutivas teñen variabilidade.As probas de tracción, especialmente en espesores máis baixos, dependen en gran medida da preparación da mostra.Os resultados da resistencia á tracción que non representan as propiedades reais do material poden sufrir fallos prematuros.
Se as propiedades non son uniformes en toda a peza de traballo, a toma dunha mostra de ensaio de tracción ou mostra dun bordo pode non contar toda a historia. A preparación e a proba da mostra tamén poden levar moito tempo. Cantas probas son posibles para un determinado metal e en cantas direccións é factible? Avaliar a estrutura do gran é un seguro adicional contra sorpresas.
Anisótropo, isotrópico.A anisotropía refírese á direccionalidade das propiedades mecánicas.Ademais da forza, a anisotropía pódese entender mellor examinando a estrutura do gran.
Unha estrutura de gran uniforme e equiaxiada debe ser isotrópica, o que significa que ten as mesmas propiedades en todas as direccións. A isotropía é especialmente importante nos procesos de embutición profunda onde a concentricidade é crítica. Cando o en branco é tirado no molde, o material anisótropo non fluirá uniformemente, o que pode provocar un defecto chamado espiga.O pendente ocorre onde a parte superior da estrutura ondulada da silueta revela a parte superior da estrutura ondulada da silueta. peza de traballo e axudar a diagnosticar a causa raíz.
O recocido adecuado é fundamental para lograr a isotropía, pero tamén é importante comprender o alcance da deformación antes do recocido. A medida que o material se deforma plásticamente, os grans comezan a deformarse. No caso de laminación en frío, convertendo o grosor en lonxitude, os grans alongaranse na dirección de laminación. A medida que a relación de aspecto dos grans cambia as propiedades isotrópicas, e no caso xeral cambian as propiedades isotrópicas. s, pode manterse algunha orientación mesmo despois do recocido. Isto resulta en anisotropía. Para materiais de embutición profunda, ás veces é necesario limitar a cantidade de deformación antes do recocido final para evitar o desgaste.
casca de laranxa.A recollida non é o único defecto de embutición asociado ao troquel.A casca de laranxa prodúcese cando se extraen materias primas con partículas demasiado grosas.Cada gran defórmase de forma independente e en función da súa orientación cristalina.A diferenza de deformación entre grans adxacentes dá lugar a unha aparencia de textura semellante á casca de laranxa.A textura é a superficie granular da estrutura da copa revelada na parede.
Do mesmo xeito que os píxeles dunha pantalla de televisión, cunha estrutura de gran fino, a diferenza entre cada gran será menos perceptible, aumentando efectivamente a resolución. Especificar as propiedades mecánicas por si só pode non ser suficiente para garantir un tamaño de gran suficientemente fino para evitar o efecto de casca de laranxa. Cando o cambio no tamaño da peza de traballo é inferior a 10 veces o diámetro do gran, as propiedades dos grans non reflicten de forma específica o comportamento de deformación dos grans individuais. tamaño e orientación de cada gran.Isto pódese ver polo efecto casca de laranxa nas paredes das copas debuxadas.
Para un tamaño de gran ASTM de 8, o diámetro medio de gran é de 885 µin. Isto significa que calquera redución de espesor de 0,00885 polgadas ou menos pode verse afectada por este efecto de microformación.
Aínda que os grans grosos poden causar problemas de embutición profunda, ás veces recoméndase para a impresión. O estampado é un proceso de deformación no que se comprime un branco para impartir unha topografía superficial desexada, como un cuarto dos contornos faciais de George Washington. A diferenza do trefilado, a estampación xeralmente non implica moito fluxo de material a granel, pero require moita forza, o que pode só deformar a superficie do branco.
Por este motivo, minimizar o estrés do fluxo superficial mediante o uso dunha estrutura de grans máis grosos pode axudar a aliviar as forzas necesarias para o recheo axeitado do molde. Isto é especialmente certo no caso da impresión de matriz libre, onde as dislocacións nos grans de superficie poden fluír libremente en lugar de acumularse nos límites dos grans.
As tendencias discutidas aquí son xeneralizacións que poden non aplicarse a seccións específicas. Non obstante, destacaron os beneficios de medir e estandarizar o tamaño das partículas da materia prima ao deseñar novas pezas para evitar trampas comúns e optimizar os parámetros de moldaxe.
Os fabricantes de máquinas de estampación de metal de precisión e operacións de embutición profunda sobre metal para formar as súas pezas traballarán ben cos metalúrxicos en rodillos de precisión tecnicamente cualificados que poden axudalos a optimizar os materiais ata o nivel do gran. Cando os expertos metalúrxicos e de enxeñería de ambos os dous lados da relación están integrados nun só equipo, pode ter un impacto transformador e producir resultados máis positivos.
STAMPING Journal é a única revista do sector dedicada a atender as necesidades do mercado de estampación de metal. Desde 1989, a publicación abarca tecnoloxías de punta, tendencias do sector, mellores prácticas e noticias para axudar aos profesionais da estampación a realizar o seu negocio de forma máis eficiente.
Agora, con acceso completo á edición dixital de The FABRICATOR, fácil acceso a valiosos recursos do sector.
A edición dixital de The Tube & Pipe Journal é agora totalmente accesible e ofrece un fácil acceso a valiosos recursos da industria.
Goza de acceso completo á edición dixital de STAMPING Journal, que ofrece os últimos avances tecnolóxicos, mellores prácticas e noticias da industria para o mercado de estampación de metal.
Agora con acceso completo á edición dixital de The Fabricator en Español, fácil acceso a valiosos recursos da industria.