Hægt er að ná ávinningi með því að fá innsýn í eitt lag af kornbyggingunni sem stýrir vélrænni hegðun ryðfríu stáli. Getty Images
Val á ryðfríu stáli og álfelgum byggir almennt á styrk, teygjanleika, teygju og hörku. Þessir eiginleikar gefa til kynna hvernig byggingareiningar málmsins bregðast við álagi. Þeir eru áhrifarík vísbending um hvernig hægt er að stjórna takmörkunum hráefnisins; það er að segja hversu mikið það beygist áður en það brotnar. Hráefnið verður að geta þolað mótunarferlið án þess að brotna.
Eyðileggjandi tog- og hörkuprófanir eru áreiðanleg og hagkvæm aðferð til að ákvarða vélræna eiginleika. Hins vegar eru þessar prófanir ekki alltaf eins áreiðanlegar þegar þykkt hráefnisins byrjar að takmarka stærð prófunarsýnisins. Togprófanir á flötum málmvörum eru auðvitað enn gagnlegar, en ávinningur er hægt að ná með því að skoða nánar eitt lag kornbyggingarinnar sem stýrir vélrænni hegðun þess.
Málmar eru gerðir úr röð af örsmáum kristöllum sem kallast korn. Þau eru dreift af handahófi um málminn. Atóm málmblönduþátta, svo sem járns, króms, nikkels, mangans, kísils, kolefnis, köfnunarefnis, fosfórs og brennisteins í austenískum ryðfríu stáli, eru hluti af einu korni. Þessi atóm mynda fasta lausn af málmjónum, sem eru tengdar við kristalgrindina í gegnum sameiginlegar rafeindir sínar.
Efnasamsetning málmblöndunnar ákvarðar varmafræðilega ákjósanlega uppröðun atóma í kornunum, þekkt sem kristalbygging. Einsleitir hlutar málms sem innihalda endurtekna kristalbyggingu mynda eitt eða fleiri korn sem kallast fasar. Vélrænir eiginleikar málmblöndu eru háðir kristalbyggingunni í málmblöndunni. Hið sama gildir um stærð og uppröðun korna í hverju fasa.
Flestir þekkja stig vatns. Þegar fljótandi vatn frýs verður það að föstum ís. Hins vegar, þegar kemur að málmum, er ekki bara eitt fast stig. Ákveðnar málmblöndufjölskyldur eru nefndar eftir stigum sínum. Meðal ryðfría stáltegunda eru austenítísk 300 serían málmblöndur aðallega úr austeníti þegar það er glóðað. Hins vegar eru 400 serían málmblöndur úr ferríti í 430 ryðfríu stáli eða martensíti í 410 og 420 ryðfríu stáli málmblöndum.
Hið sama á við um títanmálmblöndur. Heiti hvers málmblönduflokks gefur til kynna ríkjandi fasa þeirra við stofuhita - alfa, beta eða blanda af báðum. Það eru alfa, nær-alfa, alfa-beta, beta og nær-beta málmblöndur.
Þegar fljótandi málmur storknar munu fastar agnir í varmafræðilega kjörnum fasa falla út þar sem þrýstingur, hitastig og efnasamsetning leyfa. Þetta gerist venjulega á snertiflötum, eins og ískristallar á yfirborði hlýrrar tjarnar á köldum degi. Þegar korn mynda kjarna vex kristalbyggingin í eina átt þar til annað korn finnst. Kornamörk myndast við gatnamót ósamræmdra grindar vegna mismunandi stefnu kristalbygginganna. Ímyndaðu þér að setja fullt af Rubik's teningum af mismunandi stærðum í kassa. Hver teningur hefur ferkantað ristarkerfi, en þeir verða allir raðaðir í mismunandi handahófskenndar áttir. Fullkomlega storknað málmstykki samanstendur af röð af tilviljunarkenndum kornum.
Í hvert skipti sem korn myndast er möguleiki á línugöllum. Þessir gallar eru vantar hlutar í kristalbyggingunni sem kallast tilfærslur. Þessar tilfærslur og síðari hreyfing þeirra um kornið og yfir kornamörk eru grundvallaratriði fyrir teygjanleika málma.
Þversnið af vinnustykkinu er sett upp, slípað, fægt og etsað til að skoða kornabygginguna. Þegar örbyggingarnar, sem sjást í ljósasmásjá, eru einsleitar og jafnásaðar líta þær út eins og púsluspil. Í raun og veru eru kornin þrívídd og þversnið hvers korns er breytilegt eftir stefnu þversniðs vinnustykkisins.
Þegar kristalbygging er fyllt með öllum atómum sínum er ekkert pláss fyrir hreyfingu annað en teygju atómtengjanna.
Þegar þú fjarlægir helming af röð atóma skapar þú tækifæri fyrir aðra röð atóma til að renna í þá stöðu og færa þannig tilfærsluna. Þegar kraftur er beitt á vinnustykkið gerir samanlögð hreyfing tilfærslunnar í örbyggingunni því kleift að beygja sig, teygjast eða þjappast saman án þess að brotna eða brotna.
Þegar kraftur verkar á málmblöndu eykur kerfið orku. Ef næg orka bætist við til að valda plastaflögun, aflagast grindin og nýjar tilfærslur myndast. Það virðist rökrétt að þetta ætti að auka teygjanleika, þar sem það losar um meira pláss og skapar þannig möguleika á meiri tilfærsluhreyfingu. Hins vegar, þegar tilfærslur rekast saman, geta þær fest hvor aðra.
Þegar fjöldi og styrkur úrfellinga eykst, festast fleiri og fleiri úrfellingar saman, sem dregur úr teygjanleika. Að lokum myndast svo margar úrfellingar að kuldmyndun er ekki lengur möguleg. Þar sem núverandi festingarúrfellingar geta ekki lengur hreyfst, teygjast atómtengi í grindinni þar til þau brotna eða slitna. Þetta er ástæðan fyrir því að málmblöndur harðna eftir vinnslu og ástæðan fyrir því að það eru takmörk á magni plastaflögunar sem málmur þolir áður en hann brotnar.
Korn gegnir einnig mikilvægu hlutverki í glæðingu. Glæðing á vinnuhertu efni endurstillir í raun örbyggingu þess og endurheimtir þannig teygjanleika. Við glæðingarferlið umbreytast kornin í þremur skrefum:
Ímyndaðu þér manneskju sem gengur í gegnum troðfullan lestarvagn. Aðeins er hægt að þrengja að mannfjölda með því að skilja eftir bil á milli raðanna, eins og úrfellingar í grindverki. Þegar fólkið á eftir því fyllti það tómarúm sem það skildi eftir sig, en það skapaði nýtt rými fyrir framan það. Þegar það nær hinum enda vagnsins breytist uppröðun farþeganna. Ef of margir reyna að komast fram hjá á sama tíma, munu farþegar sem reyna að rýma fyrir hreyfingu þeirra rekast saman og lenda á veggjum lestarvagnanna, sem festir alla í sporum. Því fleiri úrfellingar sem birtast, því erfiðara er fyrir þá að hreyfa sig á sama tíma.
Mikilvægt er að skilja lágmarks aflögunarstig sem þarf til að koma af stað endurkristöllun. Hins vegar, ef málmurinn hefur ekki næga aflögunarorku áður en hann er hitaður, mun endurkristöllun ekki eiga sér stað og kornin munu einfaldlega halda áfram að vaxa umfram upprunalega stærð sína.
Hægt er að stilla vélræna eiginleika með því að stjórna kornavexti. Kornamörk eru í raun veggur af tilfærslum. Þær hindra hreyfingu.
Ef kornvöxtur er takmarkaður mun fleiri smáir korn myndast. Þessi smærri korn eru talin fínni hvað varðar kornabyggingu. Fleiri kornamörk þýða minni tilfærsluhreyfingu og meiri styrk.
Ef kornvöxtur er ekki takmarkaður verður kornabyggingin grófari, kornin stærri, mörkin minni og styrkurinn minni.
Kornastærð er oft kölluð einingarlaus tala, einhvers staðar á milli 5 og 15. Þetta er afstætt hlutfall og tengist meðalþvermáli kornsins. Því hærri sem talan er, því fínni er kornþéttleikinn.
ASTM E112 lýsir aðferðum til að mæla og meta kornastærð. Það felur í sér að telja magn korna á tilteknu svæði. Þetta er venjulega gert með því að skera þversnið af hráefninu, mala það og pússa það og síðan etsa það með sýru til að afhjúpa agnirnar. Talningin er framkvæmd undir smásjá og stækkunin gerir kleift að taka fullnægjandi sýnatöku af kornunum. Að úthluta ASTM kornastærðarnúmerum gefur til kynna hæfilegt einsleitni í lögun og þvermál korna. Það getur jafnvel verið hagkvæmt að takmarka breytileika í kornastærð við tvö eða þrjú stig til að tryggja stöðuga frammistöðu yfir vinnustykkið.
Þegar um vinnsluherðingu er að ræða er öfugt samband milli styrks og teygjanleika. Sambandið milli ASTM kornastærðar og styrks er yfirleitt jákvætt og sterkt, almennt er lenging í öfugu hlutfalli við ASTM kornastærð. Hins vegar getur of mikill kornavöxtur valdið því að „dauða mjúk“ efni herða ekki lengur á áhrifaríkan hátt.
Kornastærð er oft kölluð einingarlaus tala, einhvers staðar á bilinu 5 til 15. Þetta er afstætt hlutfall og tengist meðalþvermáli kornanna. Því hærra sem ASTM kornastærðargildið er, því fleiri korn á hverja flatarmálseiningu.
Kornastærð glóðaðs efnis er breytileg með tíma, hitastigi og kælingarhraða. Glóðun er venjulega framkvæmd á milli endurkristöllunarhitastigs og bræðslumarks málmblöndunnar. Ráðlagt glóðunarhitastig fyrir austenítískt ryðfrítt stálblöndu 301 er á milli 1.900 og 2.050 gráður Fahrenheit. Það byrjar að bráðna við um 2.550 gráður Fahrenheit. Aftur á móti ætti að glóða viðskiptahreint títan af 1. gæðaflokki við 1.292 gráður Fahrenheit og bráðna við um 3.000 gráður Fahrenheit.
Við glæðingu keppa endurheimtar- og endurkristöllunarferlarnir hvert við annað þar til endurkristölluðu kornin hafa neytt allra aflöguðu kornanna. Endurkristöllunarhraðinn er breytilegur eftir hitastigi. Þegar endurkristölluninni er lokið tekur kornavöxturinn við. Vinnustykki úr 301 ryðfríu stáli sem hefur verið glóðað við 1.900°F í eina klukkustund mun hafa fínni kornabyggingu en sama vinnustykki sem hefur verið glóðað við 2.000°F í sama tíma.
Ef efnið er ekki haldið nógu lengi innan rétts glæðingarsviðs getur uppbyggingin orðið blanda af gömlum og nýjum kornum. Ef æskilegt er að hafa einsleita eiginleika í öllum málminum ætti glæðingarferlið að miða að því að ná fram einsleitri jafnásaðri kornbyggingu. Einsleitt þýðir að öll korn eru nokkurn veginn sömu stærð og jafnása þýðir að þau eru nokkurn veginn sömu lögun.
Til að fá einsleita og jafnása örbyggingu ætti hvert vinnustykki að vera útsett fyrir sama magni af hita í sama tíma og kólna á sama hraða. Þetta er ekki alltaf auðvelt eða mögulegt með lotugleiðslu, svo það er mikilvægt að bíða að minnsta kosti þar til allt vinnustykkið er mettað við rétt hitastig áður en útreikningur á bleytitíma er gerður. Lengri bleytitími og hærra hitastig mun leiða til grófari kornabyggingar/mýkra efnis og öfugt.
Ef kornastærð og styrkur tengjast og styrkurinn er þekktur, hvers vegna að reikna út korn, ekki satt? Allar eyðileggjandi prófanir eru breytilegar. Togstyrksprófanir, sérstaklega við minni þykkt, eru að miklu leyti háðar undirbúningi sýnisins. Niðurstöður togstyrks sem endurspegla ekki raunverulega eiginleika efnisins geta orðið fyrir ótímabærum bilunum.
Ef eiginleikarnir eru ekki einsleitir um allt vinnustykkið, þá segir togprófunarsýni eða sýni af annarri brún ekki alla söguna. Undirbúningur og prófun sýna getur einnig verið tímafrek. Hversu margar prófanir eru mögulegar fyrir tiltekið málm og í hversu margar áttir er það mögulegt? Að meta kornabygginguna er auka trygging gegn óvæntum uppákomum.
Anisótrópískt, ísótrópískt. Anisótrópía vísar til stefnu vélrænna eiginleika. Auk styrks er hægt að skilja anisótrópíu betur með því að skoða kornabyggingu.
Jafn og jafnása kornabygging ætti að vera ísótrópísk, sem þýðir að hún hefur sömu eiginleika í allar áttir. Ísótrópísk áhrif eru sérstaklega mikilvæg í djúpteikningarferlum þar sem sammiðja er mikilvæg. Þegar hráefnið er dregið inn í mótið mun anisótrópíska efnið ekki flæða jafnt, sem getur leitt til galla sem kallast eyrnamyndun. Eyrnamyndunin á sér stað þar sem efri hluti bikarsins myndar bylgjulaga útlínu. Að skoða kornabygginguna getur leitt í ljós staðsetningu ójöfnuðar í vinnustykkinu og hjálpað til við að greina rót vandans.
Rétt glæðing er mikilvæg til að ná jafngildi, en það er einnig mikilvægt að skilja umfang aflögunarinnar áður en glæðing hefst. Þegar efnið afmyndast plastískt byrja kornin að afmyndast. Við kalda valsun, þar sem þykkt er breytt í lengd, munu kornin lengjast í veltingaráttinni. Þegar hlutfall kornanna breytist, breytist jafngildið og almennir vélrænir eiginleikar. Þegar um mjög aflöguð vinnustykki er að ræða getur einhver stefna haldist jafnvel eftir glæðingu. Þetta leiðir til jafngildis. Fyrir djúpdregin efni er stundum nauðsynlegt að takmarka magn aflögunarinnar fyrir lokaglæðingu til að forðast slit.
Appelsínuhýði. Upptökugallinn er ekki eini gallinn við djúpdrátt sem tengist mótum. Appelsínuhýði á sér stað þegar hráefni með of grófum ögnum eru dregin upp. Hvert korn afmyndast sjálfstætt og sem fall af kristalstefnu sinni. Mismunurinn á aflögun milli aðliggjandi korna leiðir til áferðar sem líkist appelsínuhýði. Áferð er kornbyggingin sem kemur fram á yfirborði bikarveggsins.
Rétt eins og pixlarnir á sjónvarpsskjá, með fínkornaðri uppbyggingu, verður munurinn á hverju korni minna áberandi, sem eykur upplausnina í raun. Að tilgreina vélræna eiginleika einan og sér er hugsanlega ekki nóg til að tryggja nægilega fína kornastærð til að koma í veg fyrir appelsínuhýðisáhrif. Þegar víddarbreyting vinnustykkisins er minni en 10 sinnum kornaþvermál, munu eiginleikar einstakra korna stjórna mótunarhegðuninni. Það aflagast ekki jafnt yfir mörg korn, heldur endurspeglar sérstaka stærð og stefnu hvers korns. Þetta má sjá af appelsínuhýðisáhrifum á veggjum teiknuðu bollanna.
Fyrir ASTM kornastærð 8 er meðalkornaþvermál 885 µin. Þetta þýðir að öll þykktarminnkun um 0,00885 tommur eða minna getur orðið fyrir áhrifum af þessum örmótunaráhrifum.
Þótt gróf korn geti valdið vandamálum við djúpteikningu eru þau stundum ráðlögð fyrir prentun. Stimplun er aflögunarferli þar sem eyðublað er þjappað til að gefa æskilega yfirborðsmynd, svo sem fjórðung af andlitslínum George Washington. Ólíkt vírteikningu felur stimplun venjulega ekki í sér mikið magn af efnisflæði, en krefst mikils afls, sem getur aðeins afmyndað yfirborð eyðublaðsins.
Þess vegna getur það að lágmarka yfirborðsflæðisálag með því að nota grófari kornabyggingu hjálpað til við að draga úr þeim kröftum sem þarf til að fylla mótið rétt. Þetta á sérstaklega við um frjálsa deyjaprentun, þar sem tilfærslur á yfirborðskornum geta flætt frjálslega frekar en að safnast fyrir við kornamörk.
Þróunin sem hér er rædd er alhæfing sem á hugsanlega ekki við um tiltekna hluta. Hins vegar var lögð áhersla á kosti þess að mæla og staðla kornastærð hráefnis við hönnun nýrra hluta til að forðast algeng galla og hámarka mótunarbreytur.
Framleiðendur nákvæmra málmstimplunarvéla og djúpteikningarvéla á málm til að móta hluta sína munu vinna vel með málmfræðingum á tæknilega hæfum nákvæmnisvalsara sem geta hjálpað þeim að hámarka efni allt niður í kornstig. Þegar sérfræðingar í málmvinnslu og verkfræði beggja vegna samstarfsins eru samþættir í eitt teymi getur það haft umbreytandi áhrif og skilað jákvæðari árangri.
STAMPING Journal er eina tímaritið í greininni sem helgar sig þörfum málmstimplunarmarkaðarins. Frá árinu 1989 hefur ritið fjallað um nýjustu tækni, þróun í greininni, bestu starfsvenjur og fréttir til að hjálpa stimplunarfagaðilum að reka viðskipti sín á skilvirkari hátt.
Nú með fullum aðgangi að stafrænni útgáfu af The FABRICATOR, auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum fyrir atvinnulífið.
Stafræna útgáfan af The Tube & Pipe Journal er nú aðgengileg að fullu og veitir auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum í greininni.
Njóttu aðgangs að stafrænni útgáfu STAMPING Journal, sem veitir nýjustu tækniframfarir, bestu starfsvenjur og fréttir úr greininni fyrir málmstimplunarmarkaðinn.
Nú með fullum aðgangi að stafrænni útgáfu af The Fabricator á spænsku, auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum í greininni.