Prednosti se mogu postići stjecanjem uvida u jedan sloj zrnate strukture koji kontrolira mehaničko ponašanje nehrđajućeg čelika.Getty Images
Odabir nehrđajućeg čelika i aluminijskih legura općenito se temelji na čvrstoći, rastegljivosti, rastezljivosti i tvrdoći. Ova svojstva pokazuju kako građevni blokovi metala reagiraju na primijenjena opterećenja. Oni su učinkovit pokazatelj upravljanja ograničenjima sirovina;odnosno koliko će se saviti prije nego što se slomi. Sirovi materijal mora biti u stanju izdržati proces kalupljenja bez lomljenja.
Destruktivno ispitivanje vlačne čvrstoće i tvrdoće je pouzdana, isplativa metoda za određivanje mehaničkih svojstava. Međutim, ova ispitivanja nisu uvijek tako pouzdana nakon što debljina sirovog materijala počne ograničavati veličinu ispitnog uzorka. Ispitivanje vlačne čvrstoće ravnih metalnih proizvoda je naravno i dalje korisno, ali se prednosti mogu postići dubljim promatranjem jednog sloja zrnate strukture koji kontrolira njezino mehaničko ponašanje.
Metali se sastoje od niza mikroskopskih kristala koji se nazivaju zrna. Oni su nasumično raspoređeni po metalu. Atomi legirajućih elemenata, kao što su željezo, krom, nikal, mangan, silicij, ugljik, dušik, fosfor i sumpor u austenitnim nehrđajućim čelicima, dio su jednog zrna. Ovi atomi tvore čvrstu otopinu metalnih iona, koji su povezani u kristalnu rešetku kroz njihove zajedničke elektrone.
Kemijski sastav legure određuje termodinamički preferirani raspored atoma u zrncima, poznat kao kristalna struktura. Homogeni dijelovi metala koji sadrže ponavljajuću kristalnu strukturu tvore jedno ili više zrnaca koja se nazivaju fazama. Mehanička svojstva legure ovise o kristalnoj strukturi legure. Isto vrijedi i za veličinu i raspored zrna svake faze.
Ve tenzit u legurama nehrđajućeg čelika 410 i 420.
Isto vrijedi i za legure titana. Naziv svake skupine legura ukazuje na njihovu prevladavajuću fazu na sobnoj temperaturi – alfa, beta ili mješavina oba. Postoje alfa, skoro alfa, alfa-beta, beta i skoro beta legure.
Kada se tekući metal skrutne, krute čestice termodinamički preferirane faze će se istaložiti gdje tlak, temperatura i kemijski sastav to dopuštaju. To se obično događa na sučeljima, poput kristala leda na površini toplog jezerca za hladnog dana. Kada zrnca nukleiraju, kristalna struktura raste u jednom smjeru dok se ne susretne drugo zrno. Granice zrna formiraju se na sjecištima neusklađenih rešetki zbog različitih orijentacija kristala. strukture. Zamislite da stavite hrpu Rubikovih kocki različitih veličina u kutiju. Svaka kocka ima raspored kvadratne mreže, ali će sve biti raspoređene u različitim nasumičnim smjerovima. Potpuno skrutnuti metalni obradak sastoji se od niza naizgled nasumično orijentiranih zrnaca.
Svaki put kada se formira zrno, postoji mogućnost linijskog defekta. Ovi defekti su nedostajući dijelovi kristalne strukture koji se nazivaju dislokacije. Te dislokacije i njihovo naknadno kretanje kroz zrno i preko granica zrna temeljni su za duktilnost metala.
Poprečni presjek obratka je montiran, brušen, poliran i ugraviran kako bi se vidjela struktura zrna. Kada su ujednačene i jednake osi, mikrostrukture promatrane na optičkom mikroskopu izgledaju poput slagalice. U stvarnosti su zrna trodimenzionalna, a poprečni presjek svakog zrna varirat će ovisno o orijentaciji poprečnog presjeka izratka.
Kada je kristalna struktura ispunjena svim svojim atomima, nema mjesta za kretanje osim rastezanja atomskih veza.
Kada uklonite polovicu niza atoma, stvarate priliku za drugi red atoma da sklizne u tu poziciju, učinkovito pomičući dislokaciju. Kada se na radni komad primijeni sila, agregirano gibanje dislokacija u mikrostrukturi omogućuje mu da se savija, isteže ili sabija bez lomljenja ili lomljenja.
Kada sila djeluje na metalnu leguru, sustav povećava energiju. Ako se doda dovoljno energije da izazove plastičnu deformaciju, rešetka se deformira i nastaju nove dislokacije. Čini se logičnim da bi to trebalo povećati duktilnost, jer oslobađa više prostora i tako stvara potencijal za više gibanja dislokacija. Međutim, kada se dislokacije sudaraju, mogu popraviti jedna drugu.
Kako se broj i koncentracija dislokacija povećava, sve više i više dislokacija se pričvršćuje zajedno, smanjujući rastezljivost. Na kraju se pojavljuje toliko mnogo dislokacija da hladno oblikovanje više nije moguće. Budući da se postojeće dislokacije pričvršćivanja više ne mogu pomicati, atomske veze u rešetki rastežu se sve dok ne puknu ili puknu. Zbog toga metalne legure otvrdnjavaju i zašto postoji ograničenje u količini plastične deformacije koju metal može izdržati prije pucanja.
Zrnatost također igra važnu ulogu u žarenju. Žarenje očvrsnulog materijala u biti poništava mikrostrukturu i tako vraća duktilnost. Tijekom procesa žarenja, zrna se transformiraju u tri koraka:
Zamislite osobu koja hoda kroz prepuni vagon. Gužve se mogu stisnuti samo ostavljanjem praznina između redova, poput dislokacija u rešetki. Kako su napredovali, ljudi iza njih ispunjavali su prazninu koju su ostavili, dok su stvarali novi prostor ispred. Jednom kada stignu do drugog kraja vagona, raspored putnika se mijenja. Ako previše ljudi pokuša proći u isto vrijeme, putnici koji pokušavaju napraviti mjesta za svoje kretanje sudarit će se jedni s drugima i udariti zidove vagona, prikovavši sve na svoje mjesto. Što se više dislokacija pojavi, to im je teže kretati se u isto vrijeme.
Važno je razumjeti minimalnu razinu deformacije potrebnu za pokretanje rekristalizacije. Međutim, ako metal nema dovoljno energije deformacije prije nego što se zagrije, rekristalizacija se neće dogoditi i zrnca će jednostavno nastaviti rasti iznad svoje izvorne veličine.
Mehanička svojstva mogu se podesiti kontroliranjem rasta zrna. Granica zrna je u biti zid dislokacija. One ometaju kretanje.
Ako je rast zrna ograničen, proizvest će se veći broj malih zrna. Ta se manja zrna smatraju sitnijima u smislu strukture zrna. Više granica zrna znači manje dislokacijsko kretanje i veću čvrstoću.
Ako rast zrna nije ograničen, struktura zrna postaje grublja, zrna su veća, granice su manje, a čvrstoća je manja.
Veličina zrna često se naziva brojem bez jedinice, negdje između 5 i 15. Ovo je relativan omjer i povezan je s prosječnim promjerom zrna. Što je veći broj, to je sitnija granulacija.
ASTM E112 navodi metode za mjerenje i procjenu veličine zrna. To uključuje brojanje količine zrna u određenom području. To se obično radi rezanjem poprečnog presjeka sirovog materijala, brušenjem i poliranjem, a zatim nagrizanjem kiselinom kako bi se otkrile čestice. Brojenje se izvodi pod mikroskopom, a povećanje omogućuje odgovarajuće uzorkovanje zrna. Dodjeljivanje ASTM brojeva veličine zrna ukazuje na razumnu razinu ujednačenosti u obliku i promjeru zrna. Može čak biti korisno ograničiti varijacije u veličini zrna na dvije ili tri točke kako bi se osigurala dosljedna izvedba na radnom komadu.
U slučaju radnog otvrdnjavanja, čvrstoća i rastezljivost imaju obrnuti odnos. Odnos između ASTM veličine zrna i čvrstoće ima tendenciju da bude pozitivan i jak, općenito je istezanje obrnuto proporcionalno ASTM veličini zrna. Međutim, prekomjerni rast zrna može uzrokovati da se "mrtvo mekani" materijali više ne stvrdnjavaju učinkovito.
Veličina zrna često se naziva brojem bez jedinice, negdje između 5 i 15. Ovo je relativan omjer i povezan je s prosječnim promjerom zrna. Što je veća ASTM vrijednost veličine zrna, to je više zrna po jedinici površine.
Veličina zrna žarenog materijala varira s vremenom, temperaturom i brzinom hlađenja. Žarenje se obično izvodi između temperature rekristalizacije i tališta legure. Preporučeni temperaturni raspon žarenja za austenitnu leguru nehrđajućeg čelika 301 je između 1900 i 2050 stupnjeva Fahrenheita. Počet će se topiti oko 2550 stupnjeva Fahrenheita. Nasuprot tome, komercijalna titan čistoće 1. stupnja trebao bi se žariti na 1292 stupnja Fahrenheita i taliti na oko 3000 stupnjeva Fahrenheita.
Tijekom žarenja, procesi oporavka i rekristalizacije međusobno se natječu sve dok rekristalizirana zrna ne potroše sva deformirana zrna. Brzina rekristalizacije varira s temperaturom. Nakon što je rekristalizacija završena, rast zrna preuzima. 301 radni komad od nehrđajućeg čelika žaren na 1900°F jedan sat imat će finiju strukturu zrna od istog obratka žarenog na 2000 °F za isto vrijeme.
Ako se materijal ne drži u odgovarajućem rasponu žarenja dovoljno dugo, rezultirajuća struktura može biti kombinacija starih i novih zrnaca. Ako se žele ujednačena svojstva u cijelom metalu, cilj procesa žarenja treba biti postizanje ujednačene jednakoosne strukture zrna. Ujednačeno znači da su sva zrna približno iste veličine, a jednakoosna znači da su približno istog oblika.
Da bi se dobila ujednačena i jednaka mikrostruktura, svaki obradak bi trebao biti izložen istoj količini topline kroz istu količinu vremena i trebao bi se hladiti istom brzinom. To nije uvijek jednostavno ili moguće sa serijskim žarenjem, tako da je važno barem pričekati da se cijeli obradak zasiti na odgovarajuću temperaturu prije izračunavanja vremena namakanja. Dulje vrijeme namakanja i više temperature rezultirat će grubljom zrnastom strukturom/mekšim materijalom i obrnuto.
Ako su veličina i čvrstoća zrna povezani, a čvrstoća je poznata, zašto računati zrna, zar ne? Sva ispitivanja razaranja imaju varijabilnost. Ispitivanje vlačne čvrstoće, posebno pri nižim debljinama, uvelike ovisi o pripremi uzorka. Rezultati vlačne čvrstoće koji ne predstavljaju stvarna svojstva materijala mogu doživjeti prerano kvar.
Ako svojstva nisu ujednačena u cijelom radnom predmetu, uzimanje uzorka za ispitivanje vlačne čvrstoće ili uzorka s jednog ruba možda neće reći cijelu priču. Priprema uzorka i testiranje također mogu oduzimati puno vremena. Koliko je testova moguće za određeni metal i u koliko smjerova je to izvedivo? Procjena strukture zrna dodatno je osiguranje od iznenađenja.
Anizotropno, izotropno. Anizotropija se odnosi na usmjerenost mehaničkih svojstava. Osim čvrstoće, anizotropija se može bolje razumjeti ispitivanjem strukture zrna.
Ujednačena zrnata struktura s jednakim osima trebala bi biti izotropna, što znači da ima ista svojstva u svim smjerovima. Izotropija je posebno važna u procesima dubokog izvlačenja gdje je koncentričnost kritična. Kada se sirovina uvuče u kalup, anizotropni materijal neće teći jednoliko, što može dovesti do greške koja se naziva klizanje. Naušnice se javljaju tamo gdje gornji dio čašice oblikuje valovitu siluetu. Ispitivanje strukture zrna. može otkriti mjesto nehomogenosti u obratku i pomoći u dijagnosticiranju temeljnog uzroka.
Pravilno žarenje ključno je za postizanje izotropije, ali također je važno razumjeti opseg deformacije prije žarenja. Kako se materijal plastično deformira, zrna se počinju deformirati. U slučaju hladnog valjanja, pretvaranjem debljine u duljinu, zrna će se izdužiti u smjeru valjanja. Kako se mijenja omjer širine i visine zrna, mijenjaju se i izotropija i ukupna mehanička svojstva. U slučaju jako deformiranih izradaka , neka se orijentacija može zadržati čak i nakon žarenja. To rezultira anizotropijom. Za duboko izvučene materijale ponekad je potrebno ograničiti količinu deformacije prije konačnog žarenja kako bi se izbjeglo trošenje.
Narančina kora. Podizanje nije jedina greška dubokog izvlačenja povezana s matricom. Narančina kora nastaje kada se izvlače sirovine s previše grubim česticama. Svako se zrno deformira neovisno i kao funkcija svoje kristalne orijentacije. Razlika u deformaciji između susjednih zrnaca rezultira izgledom teksture sličnom narančinoj kori. Tekstura je granularna struktura otkrivena na površini stijenke čaše.
Baš kao i pikseli na TV ekranu, s fino zrnatom strukturom, razlika između svakog zrna bit će manje primjetna, učinkovito povećavajući razlučivost. Određivanje mehaničkih svojstava samo po sebi možda neće biti dovoljno da se osigura dovoljno fina veličina zrna za sprječavanje efekta narančine kore. Kada je dimenzionalna varijacija obratka manja od 10 puta promjera zrna, svojstva pojedinačnih zrna potaknut će ponašanje pri oblikovanju. Ne deformira se jednako na mnogo zrna, već odražava specifična veličina i orijentacija svakog zrna. To se može vidjeti iz efekta narančine kore na stjenkama nacrtanih šalica.
Za ASTM veličinu zrna od 8, prosječni promjer zrna je 885 µin. To znači da svako smanjenje debljine od 0,00885 inča ili manje može biti pod utjecajem ovog učinka mikroformiranja.
Iako krupna zrna mogu uzrokovati probleme s dubokim izvlačenjem, ponekad se preporučuju za otiskivanje. Žigosanje je proces deformacije u kojem se pečat sabija kako bi se dobila željena topografija površine, kao što je četvrtina kontura lica Georgea Washingtona. Za razliku od izvlačenja žice, žigosanje obično ne uključuje veliki protok rasutog materijala, ali zahtijeva veliku silu, koja može samo deformirati površinu pečata.
Iz tog razloga, minimiziranje naprezanja površinskog protoka upotrebom grublje zrnate strukture može pomoći u ublažavanju sila potrebnih za pravilno punjenje kalupa. To je posebno istinito za utiskivanje slobodnim kalupom, gdje dislokacije na površinskim zrncima mogu slobodno teći, umjesto da se nakupljaju na granicama zrna.
Trendovi o kojima se ovdje govori su generalizacije koje se možda ne odnose na određene dijelove. Međutim, istaknuli su prednosti mjerenja i standardiziranja veličine zrna sirovog materijala pri projektiranju novih dijelova kako bi se izbjegli uobičajeni nedostaci i optimizirali parametri kalupljenja.
Proizvođači preciznih strojeva za štancanje metala i operacija dubokog izvlačenja na metalu za oblikovanje svojih dijelova dobro će surađivati ​​s metalurzima na tehnički kvalificiranim preciznim valjačima koji im mogu pomoći optimizirati materijale do razine zrna. Kada su metalurški i inženjerski stručnjaci s obje strane odnosa integrirani u jedan tim, to može imati transformativni učinak i dati pozitivnije rezultate.
STAMPING Journal je jedini industrijski časopis posvećen potrebama tržišta metalnih štancanja. Od 1989. publikacija pokriva vrhunske tehnologije, trendove u industriji, najbolju praksu i novosti kako bi pomogli profesionalcima za štancanje da učinkovitije vode svoje poslovanje.
Sada uz potpuni pristup digitalnom izdanju The FABRICATOR-a, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje The Tube & Pipe Journal sada je u potpunosti dostupno, pružajući jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Uživajte u potpunom pristupu digitalnom izdanju časopisa STAMPING Journal, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište metalnih žigosanja.
Sada uz potpuni pristup digitalnom izdanju The Fabricator en Español, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.