Pódense obter beneficios ao comprender mellor unha capa da estrutura do gran que controla o comportamento mecánico do aceiro inoxidable. Getty Images
A selección de aliaxes de aceiro inoxidable e aluminio céntrase xeralmente na 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 restricións da materia prima; é dicir, canto se dobrará antes de romperse. A materia prima debe ser capaz de soportar o proceso de moldeo sen romperse.
As probas destrutivas de tracción e dureza 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 proba. Por suposto, as probas de tracción de produtos metálicos planos seguen sendo útiles, pero pódense obter beneficios observando máis a fondo unha capa da estrutura do gran que controla o seu comportamento mecánico.
Os metais están formados por unha serie de cristais microscópicos chamados grans. Están distribuídos aleatoriamente por todo o metal. Os átomos dos elementos de aliaxe, como o ferro, o cromo, o níquel, o manganeso, o silicio, o carbono, o nitróxeno, o fósforo e o xofre nos aceiros inoxidables austeníticos, forman parte dun só gran. Estes átomos forman unha solución sólida de ións metálicos, que se unen á rede cristalina a través dos seus electróns compartidos.
A composición química da aliaxe determina a disposición termodinamicamente preferida dos átomos nos grans, coñecida como estrutura cristalina. As porcións homoxéneas dun metal que conteñen unha estrutura cristalina repetitiva forman un ou máis grans chamados fases. As propiedades mecánicas dunha aliaxe son función da estrutura cristalina da aliaxe. O mesmo ocorre co tamaño e a disposición dos grans de cada fase.
A maioría da xente está familiarizada coas etapas da auga. Cando a auga líquida se conxela, convértese en xeo sólido. Non obstante, cando se trata de metais, non hai unha soa fase sólida. Certas familias de aliaxes reciben o nome das súas fases. Entre os aceiros inoxidables, as aliaxes austeníticas da serie 300 constan principalmente de austenita cando se recocen. Non obstante, as aliaxes da serie 400 constan de ferrita no aceiro inoxidable 430 ou martensita nas aliaxes de aceiro inoxidable 410 e 420.
O mesmo ocorre coas aliaxes de titanio. O nome de cada grupo de aliaxes indica a súa fase predominante á temperatura ambiente: alfa, beta ou unha mestura de ambas. Hai aliaxes alfa, case alfa, alfa-beta, beta e case beta.
Cando o metal líquido solidifica, as partículas sólidas da fase termodinamicamente preferida precipitarán onde a presión, a temperatura e a composición química o permitan. Isto adoita ocorrer nas interfaces, como os cristais de xeo na superficie dun estanque cálido nun día frío. Cando os grans nuclean, a estrutura cristalina crece nunha dirección ata que se atopa outro gran. Os límites dos grans fórmanse nas interseccións de redes non coincidentes debido ás diferentes orientacións das estruturas cristalinas. Imaxina poñer un feixe de cubos de Rubik de diferentes tamaños nunha caixa. Cada cubo ten unha disposición de grella cadrada, pero todos estarán dispostos en diferentes direccións aleatorias. Unha peza de metal totalmente solidificada consiste nunha serie de grans aparentemente orientados aleatoriamente.
En calquera momento en que se forma un gran, existe a posibilidade de defectos lineais. Estes defectos son partes faltantes da estrutura cristalina chamadas dislocacións. Estas dislocacións e o seu movemento posterior ao longo do gran e a través dos límites de grans son fundamentais para a ductilidade dos metais.
Móntase, esmírase, pírase e grávase unha sección transversal da peza para ver a estrutura do gran. Cando son uniformes e equiaxiales, as microestruturas observadas nun microscopio óptico parécense un pouco a un crebacabezas. En realidade, os grans son tridimensionais e a sección transversal de cada gran variará dependendo da orientación da sección transversal da peza.
Cando unha estrutura cristalina está chea de todos os seus átomos, non hai espazo para o movemento máis alá do estiramento das ligazóns atómicas.
Ao retirar a metade dunha fila de átomos, créase unha oportunidade para que outra fila de átomos se deslice cara a esa posición, movendo efectivamente a dislocación. Cando se aplica unha forza á peza de traballo, o movemento agregado das dislocacións na microestrutura permítelle dobrarse, estirarse ou comprimirse sen romperse nin romperse.
Cando unha forza actúa sobre unha aliaxe metálica, o sistema aumenta a enerxía. Se se engade suficiente enerxía para causar 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 para un maior movemento de dislocacións. Non obstante, cando as dislocacións chocan, poden arranxarse ​​entre si.
A medida que aumentan o número e a concentración de dislocacións, máis e máis dislocacións quedan fixadas entre si, o que reduce a ductilidade. Finalmente, aparecen tantas dislocacións que a conformación en frío xa non é posible. Dado que as dislocacións de fixación existentes xa non se poden mover, as ligazóns atómicas na rede estíranse ata que se rompen ou rompen. Por iso as aliaxes metálicas endurécense por traballo e por iso hai un límite na cantidade de deformación plástica que un metal pode soportar antes de romperse.
O gran tamén xoga un papel importante no recocido. O recocido dun material endurecido por deformación esencialmente restablece a microestrutura e, polo tanto, restaura 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 espazos entre as filas, como dislocacións nunha celosía. A medida que avanzaban, a xente detrás deles enchía o baleiro que deixaban, mentres creaban un novo espazo diante. Unha vez que chegan ao outro extremo do vagón, a disposición dos pasaxeiros cambia. Se demasiadas persoas intentan pasar ao mesmo tempo, os pasaxeiros que intentan facer espazo para o seu movemento chocarán entre si e golpearán as paredes dos vagóns do tren, inmovilizando a todos no seu lugar. Cantas máis dislocacións aparezan, máis difícil lles resulta 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 simplemente continuarán crecendo máis alá do seu tamaño orixinal.
As propiedades mecánicas pódense axustar controlando o crecemento do gran. Un límite de gran é esencialmente unha parede de dislocacións. Estas dificultan o movemento.
Se o crecemento do gran está restrinxido, producirase un maior número de grans pequenos. Estes grans máis pequenos considéranse máis finos en termos de estrutura do gran. Máis límites de gran significan menos movemento de dislocación e maior resistencia.
Se o crecemento do gran non se restrinxe, a estrutura do gran vólvese máis grosa, os grans son máis grandes, os límites son máis pequenos e a resistencia é menor.
O tamaño do gran adoita denominarse un número sen unidades, entre 5 e 15. Trátase dunha proporción relativa e está relacionada co diámetro medio do gran. Canto maior sexa o número, máis fina será a granularidade.
A norma ASTM E112 describe os métodos para medir e avaliar o tamaño do gran. Implica contar a cantidade de gran nunha área determinada. Isto faise normalmente cortando unha sección transversal da materia prima, moéndoa e pulíndoa e logo gravándoa con ácido para expoñer as partículas. A conta realízase baixo un microscopio e o aumento permite unha mostraxe axeitada dos grans. A asignación de números de tamaño de gran ASTM indica un nivel razoable de uniformidade na forma e diámetro do gran. Incluso pode ser vantaxoso limitar a variación no tamaño do gran a dous ou tres puntos para garantir un rendemento consistente en toda a peza.
No caso do endurecemento por deformación, a resistencia e a ductilidade teñen unha relación inversa. A relación entre o tamaño de gran ASTM e a resistencia tende a ser positiva e forte; xeralmente, o alongamento está inversamente relacionado co tamaño de gran ASTM. Non obstante, o crecemento excesivo do gran pode facer que os materiais "moi brandos" xa non se endurezan eficazmente por deformación.
O tamaño do gran adoita denominarse número sen unidades, entre 5 e 15. Trátase dunha proporción relativa que está relacionada co diámetro medio do gran. Canto maior sexa o valor do tamaño do gran ASTM, máis grans haberá por unidade de área.
O tamaño de gran do material recocido varía co tempo, a temperatura e a velocidade de arrefriamento. O recocido realízase normalmente entre a temperatura de recristalización e o punto de fusión da aliaxe. O rango de temperatura de recocido recomendado para a aliaxe de aceiro inoxidable austenítico 301 está entre 1900 e 2050 graos Fahrenheit. Comezará a fundirse a uns 2550 graos Fahrenheit. Pola contra, o titanio de grao 1 comercialmente puro debería recocerse a 1292 graos Fahrenheit e fundirse a uns 3000 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 velocidade de recristalización varía coa temperatura. Unha vez completada a recristalización, o crecemento do gran comeza. Unha peza de aceiro inoxidable 301 recocida a 1900 °F durante unha hora terá unha estrutura de gran máis fina que a mesma peza recocida a 2000 °F durante o mesmo tempo.
Se o material non se mantén no rango de recocido axeitado o tempo suficiente, a estrutura resultante pode ser unha combinación de grans vellos e novos. Se se desexan propiedades uniformes en todo o metal, o proceso de recocido debe ter como obxectivo conseguir unha estrutura de grans equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos os grans teñen aproximadamente o mesmo tamaño e equiaxial significa que teñen aproximadamente a mesma forma.
Para obter unha microestrutura uniforme e equiaxial, cada peza debe estar exposta á mesma cantidade de calor durante o mesmo tempo e debe arrefriar á mesma velocidade. Isto non sempre é doado nin 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 remollo. Os tempos de remollo máis longos e as temperaturas máis altas darán lugar a unha estrutura de gran máis groso/material máis brando e viceversa.
Se o tamaño do gran e a resistencia están relacionados, e se coñece a resistencia, por que calcular os grans, non si? 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 de resistencia á tracción que non representan as propiedades reais do material poden experimentar unha falla prematura.
Se as propiedades non son uniformes en toda a peza, tomar unha mostra ou espécime de proba de tracción dun bordo pode non contar toda a historia. A preparación e as probas da mostra tamén poden levar moito tempo. Cantas probas son posibles para un metal determinado e en cantas direccións é viable? Avaliar a estrutura do gran é un seguro adicional contra sorpresas.
Anisotrópico, isotrópico. A anisotropía refírese á direccionalidade das propiedades mecánicas. Ademais da resistencia, a anisotropía pódese comprender mellor examinando a estrutura do gran.
Unha estrutura de gran uniforme e equiaxial 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 fundamental. Cando a peza en bruto se introduce no molde, o material anisotrópico non fluirá uniformemente, o que pode levar a un defecto chamado espigado. O espigado prodúcese onde a parte superior da copa forma unha silueta ondulada. Examinar a estrutura de gran pode revelar a localización das inhomoxeneidades na peza e axudar a diagnosticar a causa raíz.
Un recocido axeitado é fundamental para acadar a isotropía, pero tamén é importante comprender o grao de deformación antes do recocido. A medida que o material se deforma plasticamente, os grans comezan a deformarse. No caso da laminación en frío, convertendo o grosor en lonxitude, os grans alongaranse na dirección de laminación. A medida que cambia a relación de aspecto do gran, tamén o fan a isotropía e as propiedades mecánicas xerais. No caso de pezas moi deformadas, pode manterse certa orientación mesmo despois do recocido. Isto resulta en anisotropía. Para materiais estirados, ás veces é necesario limitar a cantidade de deformación antes do recocido final para evitar o desgaste.
pel de laranxa. A recollida non é o único defecto de embutición profunda asociado co molde. A pel de laranxa prodúcese cando se estiran 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 resulta nunha aparencia texturizada similar á pel de laranxa. A textura é a estrutura granular que se revela na superficie da parede da copa.
Do mesmo xeito que os píxeles dunha pantalla de televisión, cunha estrutura de gran fino, a diferenza entre cada gran será menos perceptible, o que aumentará eficazmente a resolución. Especificar as propiedades mecánicas por si soa pode non ser suficiente para garantir un tamaño de gran suficientemente fino para evitar o efecto de pel de laranxa. Cando a variación dimensional da peza é inferior a 10 veces o diámetro do gran, as propiedades dos grans individuais determinarán o comportamento de conformado. Non se deforma por igual en moitos grans, senón que reflicte o tamaño e a orientación específicos de cada gran. Isto pódese ver no efecto de pel de laranxa nas paredes das copas debuxadas.
Para un tamaño de gran ASTM de 8, o diámetro medio do 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 microformado.
Aínda que os grans grosos poden causar problemas de embutición profunda, ás veces recoméndanse para a impresión. A estampación é un proceso de deformación no que se comprime unha peza en bruto para impartirlle unha topografía superficial desexada, como unha cuarta parte dos contornos faciais de George Washington. A diferenza do trefilado de arame, a estampación normalmente non implica moito fluxo de material a granel, pero require moita forza, que pode deformar a superficie da peza en bruto.
Por este motivo, minimizar a tensión de fluxo superficial mediante o uso dunha estrutura de gran máis groso pode axudar a aliviar as forzas necesarias para o recheo axeitado do molde. Isto é especialmente certo para a impresión en matriz libre, onde as dislocacións nos grans superficiais poden fluír libremente, en lugar de acumularse nos límites de gran.
As tendencias que se comentan aquí son xeneralizacións que poden non aplicarse a seccións específicas. Non obstante, destacaron os beneficios de medir e estandarizar o tamaño de gran da materia prima ao deseñar novas pezas para evitar defectos comúns e optimizar os parámetros de moldeo.
Os fabricantes de máquinas de estampado de metal de precisión e operacións de embutición profunda en metal para formar as súas pezas traballarán ben cos metalúrxicos en relaminadores de precisión tecnicamente cualificados que poden axudalos a optimizar os materiais ata o nivel de gran. Cando expertos en metalurxia e enxeñaría de ambos os dous lados da relación se integran 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 da estampación de metais. Desde 1989, a publicación leva cubrindo tecnoloxías de vangarda, tendencias do sector, mellores prácticas e novas para axudar aos profesionais da estampación a xestionar os seus negocios de forma máis eficiente.
Agora, con acceso completo á edición dixital de The FABRICATOR, acceso sinxelo a recursos valiosos da industria.
A edición dixital de The Tube & Pipe Journal xa é totalmente accesible, o que proporciona un acceso sinxelo a valiosos recursos da industria.
Goza de acceso completo á edición dixital de STAMPING Journal, que ofrece os últimos avances tecnolóxicos, as mellores prácticas e as novidades do sector para o mercado da estampación de metais.
Agora, con acceso completo á edición dixital de The Fabricator en Español, tes acceso doado a recursos valiosos da industria.