I vantaggi possono essere ottenuti analizzando uno strato della struttura del grano che controlla il comportamento meccanico dell'acciaio inossidabile.Getty Images
La selezione dell'acciaio inossidabile e delle leghe di alluminio è generalmente incentrata su resistenza, duttilità, allungamento e durezza. Queste proprietà indicano come gli elementi costitutivi del metallo rispondono ai carichi applicati. Sono un indicatore efficace della gestione dei vincoli delle materie prime;cioè quanto si piegherà prima di rompersi. La materia prima deve essere in grado di sopportare il processo di stampaggio senza rompersi.
La prova distruttiva di trazione e durezza è un metodo affidabile ed economico per determinare le proprietà meccaniche.Tuttavia, queste prove non sono sempre così affidabili una volta che lo spessore della materia prima inizia a limitare le dimensioni del campione di prova.La prova di trazione dei prodotti metallici piatti è ovviamente ancora utile, ma si possono ottenere vantaggi osservando più a fondo uno strato della struttura del grano che ne controlla il comportamento meccanico.
I metalli sono costituiti da una serie di cristalli microscopici chiamati grani. Sono distribuiti in modo casuale in tutto il metallo. Gli atomi di elementi leganti, come ferro, cromo, nichel, manganese, silicio, carbonio, azoto, fosforo e zolfo negli acciai inossidabili austenitici, fanno parte di un singolo grano. Questi atomi formano una soluzione solida di ioni metallici, che sono legati nel reticolo cristallino attraverso i loro elettroni condivisi.
La composizione chimica della lega determina la disposizione termodinamicamente preferita degli atomi nei grani, nota come struttura cristallina. Porzioni omogenee di un metallo contenente una struttura cristallina ripetuta formano uno o più grani chiamati fasi. Le proprietà meccaniche di una lega sono una funzione della struttura cristallina nella lega. Lo stesso vale per la dimensione e la disposizione dei grani di ciascuna fase.
La maggior parte delle persone ha familiarità con le fasi dell'acqua. Quando l'acqua liquida si congela, diventa ghiaccio solido. Tuttavia, quando si tratta di metalli, non c'è solo una fase solida. Alcune famiglie di leghe prendono il nome dalle loro fasi. Tra gli acciai inossidabili, le leghe austenitiche della serie 300 sono costituite principalmente da austenite quando ricotte.
Lo stesso vale per le leghe di titanio. Il nome di ciascun gruppo di leghe indica la loro fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una miscela di entrambe. Esistono leghe alfa, quasi alfa, alfa-beta, beta e quasi beta.
Quando il metallo liquido si solidifica, le particelle solide della fase termodinamicamente preferita precipiteranno dove la pressione, la temperatura e la composizione chimica lo consentono. Questo di solito accade alle interfacce, come i cristalli di ghiaccio sulla superficie di uno stagno caldo in una giornata fredda. Quando i grani si nucleano, la struttura cristallina cresce in una direzione finché non incontra un altro grano. disposizione a griglia quadrata, ma saranno tutti disposti in diverse direzioni casuali. Un pezzo di metallo completamente solidificato è costituito da una serie di grani apparentemente orientati in modo casuale.
Ogni volta che si forma un grano, esiste la possibilità di difetti di linea. Questi difetti sono parti mancanti della struttura cristallina chiamate dislocazioni. Queste dislocazioni e il loro successivo movimento attraverso il grano e attraverso i bordi del grano sono fondamentali per la duttilità del metallo.
Una sezione trasversale del pezzo viene montata, levigata, lucidata e incisa per visualizzare la struttura dei grani. Quando uniformi ed equiassiche, le microstrutture osservate su un microscopio ottico assomigliano un po' a un puzzle. In realtà, i grani sono tridimensionali e la sezione trasversale di ciascun grano varierà a seconda dell'orientamento della sezione trasversale del pezzo.
Quando una struttura cristallina è piena di tutti i suoi atomi, non c'è spazio per il movimento se non per lo stiramento dei legami atomici.
Quando rimuovi metà di una fila di atomi, crei un'opportunità per un'altra fila di atomi di scivolare in quella posizione, spostando efficacemente la dislocazione. Quando viene applicata una forza al pezzo, il movimento aggregato delle dislocazioni nella microstruttura gli consente di piegarsi, allungarsi o comprimersi senza rompersi o rompersi.
Quando una forza agisce su una lega metallica, il sistema aumenta l'energia. Se viene aggiunta energia sufficiente a causare la deformazione plastica, il reticolo si deforma e si formano nuove dislocazioni. Sembra logico che ciò aumenti la duttilità, poiché libera più spazio e quindi crea il potenziale per un maggiore movimento di dislocazione. Tuttavia, quando le dislocazioni si scontrano, possono fissarsi a vicenda.
Con l'aumentare del numero e della concentrazione delle dislocazioni, sempre più dislocazioni vengono fissate insieme, riducendo la duttilità. Alla fine appaiono così tante dislocazioni che la formatura a freddo non è più possibile. Poiché le dislocazioni di fissaggio esistenti non possono più muoversi, i legami atomici nel reticolo si allungano fino a rompersi o rompersi. Questo è il motivo per cui le leghe metalliche si induriscono e c'è un limite alla quantità di deformazione plastica che un metallo può sopportare prima di rompersi.
Anche la grana svolge un ruolo importante nella ricottura. La ricottura di un materiale incrudito ripristina essenzialmente la microstruttura e quindi ripristina la duttilità. Durante il processo di ricottura, i grani vengono trasformati in tre fasi:
Immagina una persona che cammina in un vagone affollato. La folla può essere schiacciata solo lasciando spazi vuoti tra le file, come dislocazioni in un reticolo. Man mano che avanzano, le persone dietro di loro riempiono il vuoto che hanno lasciato, mentre creano nuovo spazio davanti. Una volta raggiunta l'altra estremità del vagone, la disposizione dei passeggeri cambia. posizioni che appaiono, più difficile sarà per loro spostarsi contemporaneamente.
È importante comprendere il livello minimo di deformazione richiesto per innescare la ricristallizzazione. Tuttavia, se il metallo non ha abbastanza energia di deformazione prima di essere riscaldato, la ricristallizzazione non si verificherà ei grani continueranno semplicemente a crescere oltre la loro dimensione originale.
Le proprietà meccaniche possono essere regolate controllando la crescita del grano. Un bordo di grano è essenzialmente un muro di dislocazioni. Ostacolano il movimento.
Se la crescita del grano è limitata, verrà prodotto un numero maggiore di piccoli grani. Questi grani più piccoli sono considerati più fini in termini di struttura del grano. Più bordi del grano significano meno movimento di dislocazione e maggiore resistenza.
Se la crescita del grano non è limitata, la struttura del grano diventa più grossolana, i grani sono più grandi, i bordi sono più piccoli e la resistenza è inferiore.
La dimensione del grano è spesso indicata come un numero senza unità, da qualche parte tra 5 e 15. Questo è un rapporto relativo ed è correlato al diametro medio del grano. Più alto è il numero, più fine è la granularità.
ASTM E112 delinea i metodi per misurare e valutare la dimensione del grano. Si tratta di contare la quantità di grano in una data area. Questo viene solitamente fatto tagliando una sezione trasversale della materia prima, macinandola e lucidandola, e quindi incidendola con acido per esporre le particelle. Il conteggio viene eseguito al microscopio e l'ingrandimento consente un adeguato campionamento dei grani. L'assegnazione dei numeri di dimensione del grano ASTM indica un ragionevole livello di uniformità nella forma e nel diametro del grano. per garantire prestazioni costanti su tutto il pezzo.
Nel caso dell'incrudimento, resistenza e duttilità hanno una relazione inversa. La relazione tra granulometria ASTM e resistenza tende ad essere positiva e forte, generalmente l'allungamento è inversamente proporzionale alla granulometria ASTM.
La dimensione del grano è spesso indicata come un numero senza unità, da qualche parte tra 5 e 15. Questo è un rapporto relativo ed è correlato al diametro medio del grano. Più alto è il valore della dimensione del grano ASTM, più grani per unità di area.
La granulometria del materiale ricotto varia con il tempo, la temperatura e la velocità di raffreddamento. La ricottura viene solitamente eseguita tra la temperatura di ricristallizzazione e il punto di fusione della lega. L'intervallo di temperatura di ricottura consigliato per la lega di acciaio inossidabile austenitico 301 è compreso tra 1.900 e 2.050 gradi Fahrenheit. 2 gradi Fahrenheit e si fondono intorno a 3.000 gradi Fahrenheit.
Durante la ricottura, i processi di recupero e ricristallizzazione competono tra loro fino a quando i grani ricristallizzati consumano tutti i grani deformati. Il tasso di ricristallizzazione varia con la temperatura. Una volta completata la ricristallizzazione, subentra la crescita dei grani.
Se il materiale non viene mantenuto nell'intervallo di ricottura corretto abbastanza a lungo, la struttura risultante può essere una combinazione di grani vecchi e nuovi. Se si desiderano proprietà uniformi in tutto il metallo, il processo di ricottura dovrebbe mirare a ottenere una struttura di grano equiassiale uniforme. Uniforme significa che tutti i grani hanno all'incirca le stesse dimensioni ed equiassico significa che hanno approssimativamente la stessa forma.
Per ottenere una microstruttura uniforme ed equiassiale, ogni pezzo deve essere esposto alla stessa quantità di calore per la stessa quantità di tempo e deve raffreddarsi alla stessa velocità. Questo non è sempre facile o possibile con la ricottura batch, quindi è importante almeno attendere che l'intero pezzo sia saturo alla temperatura appropriata prima di calcolare il tempo di immersione. Tempi di immersione più lunghi e temperature più elevate si tradurranno in una struttura a grana più grossa/materiale più morbido e viceversa.
Se la dimensione dei grani e la resistenza sono correlate e la resistenza è nota, perché calcolare i grani, giusto? Tutti i test distruttivi hanno variabilità. I ​​test di trazione, specialmente a spessori inferiori, dipendono in gran parte dalla preparazione del campione. I risultati di resistenza alla trazione che non rappresentano le proprietà reali del materiale possono subire un cedimento prematuro.
Se le proprietà non sono uniformi in tutto il pezzo, prelevare un provino di prova di trazione o un campione da un bordo potrebbe non raccontare l'intera storia. Anche la preparazione e il test del campione possono richiedere molto tempo. Quanti test sono possibili per un dato metallo e in quante direzioni è fattibile? La valutazione della struttura del grano è un'ulteriore assicurazione contro le sorprese.
Anisotropico, isotropo. L'anisotropia si riferisce alla direzionalità delle proprietà meccaniche. Oltre alla forza, l'anisotropia può essere meglio compresa esaminando la struttura del grano.
Una struttura a grana uniforme ed equiassiale dovrebbe essere isotropa, il che significa che ha le stesse proprietà in tutte le direzioni. L'isotropia è particolarmente importante nei processi di imbutitura profonda in cui la concentricità è fondamentale. Quando il pezzo grezzo viene tirato nello stampo, il materiale anisotropo non fluirà in modo uniforme, il che può portare a un difetto chiamato spigatura. L'orecchino si verifica dove la parte superiore della coppa forma una sagoma ondulata.
Una corretta ricottura è fondamentale per ottenere l'isotropia, ma è anche importante comprendere l'entità della deformazione prima della ricottura. Man mano che il materiale si deforma plasticamente, i grani iniziano a deformarsi. isotropia. Per i materiali imbutiti, a volte è necessario limitare la quantità di deformazione prima della ricottura finale per evitare l'usura.
buccia d'arancia.Il ritiro non è l'unico difetto di imbutitura associato allo stampo.La buccia d'arancia si verifica quando vengono trafilate materie prime con particelle troppo grossolane.Ogni grano si deforma indipendentemente e in funzione del suo orientamento cristallino.La differenza di deformazione tra grani adiacenti si traduce in un aspetto ruvido simile alla buccia d'arancia.La struttura è la struttura granulare rivelata sulla superficie della parete della tazza.
Proprio come i pixel su uno schermo TV, con una struttura a grana fine, la differenza tra ogni grano sarà meno evidente, aumentando effettivamente la risoluzione. Specificare le proprietà meccaniche da sole potrebbe non essere sufficiente per garantire una granulometria sufficientemente fine da prevenire l'effetto buccia d'arancia. delle coppe tirate.
Per una granulometria ASTM di 8, il diametro medio dei grani è di 885 µin. Ciò significa che qualsiasi riduzione dello spessore di 0,00885 pollici o meno può essere influenzata da questo effetto di microformatura.
Sebbene i grani grossolani possano causare problemi di imbutitura profonda, a volte sono consigliati per l'imprinting. Lo stampaggio è un processo di deformazione in cui un pezzo grezzo viene compresso per conferire una topografia superficiale desiderata, come un quarto dei contorni facciali di George Washington. A differenza della trafilatura, lo stampaggio di solito non comporta molto flusso di materiale sfuso, ma richiede molta forza, che può solo deformare la superficie del pezzo grezzo.
Per questo motivo, ridurre al minimo lo stress del flusso superficiale utilizzando una struttura a grana più grossa può aiutare ad alleviare le forze necessarie per un corretto riempimento dello stampo. Ciò è particolarmente vero nel caso della stampa a matrice libera, in cui le dislocazioni sui grani superficiali possono fluire liberamente anziché accumularsi ai bordi dei grani.
Le tendenze qui discusse sono generalizzazioni che potrebbero non essere applicabili a sezioni specifiche. Tuttavia, hanno evidenziato i vantaggi della misurazione e della standardizzazione delle dimensioni delle particelle della materia prima durante la progettazione di nuove parti per evitare insidie ​​comuni e ottimizzare i parametri di stampaggio.
I produttori di macchine per lo stampaggio di metalli di precisione e operazioni di imbutitura profonda sul metallo per formare le loro parti lavoreranno bene con i metallurgisti su rilaminatori di precisione tecnicamente qualificati che possono aiutarli a ottimizzare i materiali fino al livello della grana.
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