스테인리스강의 기계적 거동을 제어하는 ​​입자 구조의 한 층에 대한 통찰력을 얻음으로써 이점을 얻을 수 있습니다.게티 이미지
스테인리스강 및 알루미늄 합금의 선택은 일반적으로 강도, 연성, 연신율 및 경도를 중심으로 합니다. 이러한 특성은 금속의 빌딩 블록이 적용된 하중에 어떻게 반응하는지 나타냅니다. 이들은 원자재 제약을 관리하는 효과적인 지표입니다.즉, 깨지기 전에 얼마나 구부러지는가입니다. 원료는 깨지지 않고 성형 공정을 견딜 수 있어야 합니다.
파괴적인 인장 및 경도 테스트는 기계적 특성을 결정하기 위한 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 원재료의 두께가 테스트 샘플의 크기를 제한하기 시작하면 이러한 테스트가 항상 신뢰할 수 있는 것은 아닙니다. 평면 금속 제품의 인장 테스트는 물론 여전히 유용하지만 기계적 거동을 제어하는 ​​입자 구조의 한 층을 더 깊이 살펴보면 이점을 얻을 수 있습니다.
금속은 입자라고 하는 일련의 미세한 결정으로 구성됩니다. 그들은 금속 전체에 무작위로 분포되어 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 철, 크롬, 니켈, 망간, 실리콘, 탄소, 질소, 인 및 황과 같은 합금 원소의 원자는 단일 입자의 일부입니다. 이러한 원자는 공유 전자를 통해 결정 격자에 결합되는 금속 이온의 고용체를 형성합니다.
합금의 화학 조성은 결정 구조로 알려진 입자의 열역학적으로 선호되는 원자 배열을 결정합니다. 반복되는 결정 구조를 포함하는 금속의 균일한 부분은 상이라고 하는 하나 이상의 입자를 형성합니다. 합금의 기계적 특성은 합금의 결정 구조의 함수입니다. 각 상의 입자의 크기와 배열도 마찬가지입니다.
대부분의 사람들은 물의 단계에 익숙합니다. 액체 물이 얼어 붙을 때 단단한 얼음이되지만 금속에 관해서는 단 하나의 단단한 단계가있을뿐만 아니라 합금 가족이 자신의 단계의 이름을 따서 명명되었습니다. .
티타늄 합금에도 동일하게 적용됩니다. 각 합금 그룹의 이름은 실온에서 알파, 베타 또는 둘의 혼합물의 주된 상을 나타냅니다. 알파, 알파에 가까운, 알파-베타, 베타 및 베타에 가까운 합금이 있습니다.
액체 금속이 응고될 때 열역학적으로 선호되는 상의 고체 입자는 압력, 온도 및 화학 조성이 허용하는 곳에서 침전됩니다. 이것은 일반적으로 추운 날 따뜻한 연못 표면의 얼음 결정과 같은 계면에서 발생합니다. 결정립이 핵을 생성하면 다른 결정립을 만날 때까지 결정 구조가 한 방향으로 성장합니다. 결정 구조의 서로 다른 방향으로 인해 일치하지 않는 격자의 교차점에서 결정립계가 형성됩니다. 정사각형 그리드 배열이지만 모두 서로 다른 임의의 방향으로 배열됩니다. 완전히 응고된 금속 공작물은 겉보기에 무작위로 정렬된 일련의 곡물로 구성됩니다.
결정립이 형성될 때마다 라인 결함이 발생할 가능성이 있습니다. 이러한 결함은 전위라고 하는 결정 구조의 누락된 부분입니다. 이러한 전위와 결정립 전체 및 결정립 경계를 가로지르는 후속 이동은 금속 연성의 기본입니다.
공작물의 단면을 장착, 연삭, 연마 및 에칭하여 입자 구조를 봅니다. 균일하고 등축일 때 광학 현미경에서 관찰되는 미세 구조는 직소 퍼즐처럼 보입니다. 실제로 입자는 3차원이며 각 입자의 단면은 공작물 단면의 방향에 따라 달라집니다.
결정 구조가 모든 원자로 채워지면 원자 결합이 늘어나는 것 외에는 움직일 여지가 없습니다.
원자 행의 절반을 제거하면 다른 원자 행이 해당 위치로 미끄러져 전위를 효과적으로 이동할 수 있는 기회가 생성됩니다. 공작물에 힘이 가해지면 미세 구조에서 전위의 집합된 움직임으로 인해 깨지거나 깨지지 않고 구부리거나 늘리거나 압축할 수 있습니다.
금속 합금에 힘이 작용하면 시스템의 에너지가 증가합니다. 소성 변형을 일으키기에 충분한 에너지가 추가되면 격자가 변형되고 새로운 전위가 형성됩니다. 이것은 더 많은 공간을 확보하여 더 많은 전위 운동의 가능성을 생성하므로 연성을 증가시켜야 한다는 것이 논리적으로 보입니다. 그러나 전위가 충돌하면 서로 고정될 수 있습니다.
전위의 수와 농도가 증가함에 따라 점점 더 많은 전위가 함께 고정되어 연성이 감소합니다. 결국 너무 많은 전위가 나타나 냉간 성형이 더 이상 불가능합니다. 기존의 고정 전위가 더 이상 움직일 수 없기 때문에 격자의 원자 결합이 끊어지거나 끊어질 때까지 늘어납니다. 이것이 금속 합금이 경화되는 이유이며 금속이 깨지기 전에 견딜 수 있는 소성 변형의 양에 제한이 있는 이유입니다.
결정립은 어닐링에서도 중요한 역할을 합니다. 가공 경화된 재료를 어닐링하면 기본적으로 미세 구조가 재설정되어 연성이 복원됩니다. 어닐링 공정 중에 결정립은 세 단계로 변형됩니다.
사람이 붐비는 열차 안을 걷는다고 상상해 보세요. 군중은 격자의 어긋남처럼 줄 사이에 틈을 남겨야 겨우 비집고 들어갈 수 있습니다. 그들이 진행하면서 뒤에 있는 사람들이 남겨진 빈 공간을 채우고 앞에 새로운 공간을 만들었습니다. 그들이 객차의 다른 끝에 도달하면 승객 배치가 바뀝니다. 너무 많은 사람들이 동시에 통과하려고 하면 이동을 위한 공간을 만들려는 승객들이 서로 충돌하여 열차 벽에 부딪혀 모두 제자리에 고정됩니다. 위치가 나타날수록 동시에 이동하기가 더 어렵습니다.
재결정을 유발하는 데 필요한 최소 변형 수준을 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 금속이 가열되기 전에 충분한 변형 에너지가 없으면 재결정이 발생하지 않고 입자가 원래 크기 이상으로 계속 성장합니다.
기계적 특성은 결정립 성장을 제어하여 조정할 수 있습니다. 결정립계는 본질적으로 전위의 벽입니다. 그들은 움직임을 방해합니다.
입자 성장이 제한되면 더 많은 수의 작은 입자가 생성됩니다. 이러한 작은 입자는 입자 구조 측면에서 더 미세한 것으로 간주됩니다. 입자 경계가 많을수록 전위 운동이 적고 강도가 높아집니다.
입자 성장이 제한되지 않으면 입자 구조가 거칠고 입자가 커지고 경계가 작아지고 강도가 낮아집니다.
입자 크기는 종종 5에서 15 사이의 단위 없는 숫자라고 합니다. 이것은 상대 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. 숫자가 높을수록 입도가 미세합니다.
ASTM E112는 입자 크기를 측정하고 평가하는 방법을 설명합니다. 여기에는 주어진 영역에서 입자의 양을 세는 것이 포함됩니다. 이것은 일반적으로 원료의 단면을 절단하고 연마하고 연마한 다음 입자를 노출시키기 위해 산으로 에칭하여 수행됩니다. 계수는 현미경으로 수행되며 배율은 입자의 적절한 샘플링을 허용합니다. ASTM 입자 크기 번호를 지정하면 입자 모양과 직경에서 합리적인 수준의 균일성을 나타냅니다. 공작물.
가공 경화의 경우 강도와 연성은 반비례 관계가 있습니다. ASTM 입자 크기와 강도 사이의 관계는 긍정적이고 강한 경향이 있으며 일반적으로 연신율은 ASTM 입자 크기와 반비례 관계입니다.
입자 크기는 종종 5에서 15 사이의 단위 없는 숫자라고 합니다. 이것은 상대 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. ASTM 입자 크기 값이 높을수록 단위 면적당 입자가 더 많습니다.
어닐링된 재료의 입자 크기는 시간, 온도 및 냉각 속도에 따라 다릅니다. 어닐링은 일반적으로 합금의 재결정 온도와 융점 사이에서 수행됩니다. 오스테나이트계 스테인리스 스틸 합금 301의 권장 어닐링 온도 범위는 화씨 1,900~2,050도입니다. 화씨 약 2,550도에서 녹기 시작합니다. 이와는 대조적으로 상업적으로 순수한 등급 1 티타늄은 1,292도에서 어닐링되어야 합니다. 화씨 3,000도 정도 녹습니다.
어닐링 중에는 재결정된 입자가 모든 변형된 입자를 소비할 때까지 회복 및 재결정화 프로세스가 서로 경쟁합니다. 재결정화 속도는 온도에 따라 다릅니다. 재결정화가 완료되면 입자 성장이 이어집니다. 1,900°F에서 1시간 동안 어닐링된 301 스테인리스강 공작물은 2,000°F에서 동시에 어닐링된 동일한 공작물보다 미세한 입자 구조를 갖습니다.
재료가 적절한 어닐링 범위에서 충분히 오래 유지되지 않으면 결과 구조는 이전 입자와 새 입자의 조합이 될 수 있습니다. 금속 전체에 균일한 특성이 필요한 경우 어닐링 프로세스는 균일한 등축 입자 구조를 달성하는 것을 목표로 해야 합니다. 균일은 모든 입자의 크기가 거의 동일하다는 것을 의미하고 등축은 거의 동일한 모양을 의미합니다.
균일하고 등축의 미세 구조를 얻으려면 각 공작물을 동일한 시간 동안 동일한 양의 열에 노출하고 동일한 속도로 냉각해야 합니다. 배치 어닐링에서는 이것이 항상 쉽지 않거나 가능하지 않으므로 담금 시간을 계산하기 전에 전체 공작물이 적절한 온도에서 포화될 때까지 기다리는 것이 중요합니다. 담금 시간이 길고 온도가 높을수록 입자 구조가 거칠고 재료가 부드러워지며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
입자 크기와 강도가 관련되어 있고 강도가 알려져 있다면 왜 입자를 계산해야 합니까? 모든 파괴 시험에는 가변성이 있습니다. 인장 시험, 특히 얇은 두께에서의 인장 시험은 시료 준비에 크게 의존합니다. 실제 재료 특성을 나타내지 않는 인장 강도 결과는 조기 파손이 발생할 수 있습니다.
공작물 전체에서 속성이 균일하지 않은 경우 한쪽 가장자리에서 인장 시험편이나 샘플을 채취해도 전체 내용을 알 수 없습니다. 샘플 준비 및 테스트도 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 주어진 금속에 대해 얼마나 많은 테스트가 가능하고 얼마나 많은 방향에서 가능합니까? 결정립 구조를 평가하는 것은 놀라움에 대한 추가 보험입니다.
이방성, 등방성. 이방성은 기계적 특성의 방향성을 의미합니다. 강도 외에도 이방성은 입자 구조를 조사하여 더 잘 이해할 수 있습니다.
균일하고 등축인 입자 구조는 등방성이어야 합니다. 즉, 모든 방향에서 동일한 속성을 가집니다. 등방성은 동심도가 중요한 딥 드로잉 공정에서 특히 중요합니다. 블랭크를 금형으로 끌어당기면 이방성 재료가 균일하게 흐르지 않아 이어링이라는 결함이 발생할 수 있습니다. 이어링은 컵의 윗부분이 물결 모양의 실루엣을 형성하는 곳에서 발생합니다. 입자 구조를 검사하면 공작물에서 불균일한 위치를 찾아내고 근본 원인을 진단하는 데 도움이 됩니다.
적절한 어닐링은 등방성을 달성하는 데 중요하지만 어닐링 전에 변형 정도를 이해하는 것도 중요합니다. 재료가 소성 변형되면 결정립이 변형되기 시작합니다. 냉간 압연의 경우 두께를 길이로 변환하면 결정립이 압연 방향으로 늘어납니다. 결정립 종횡비가 변경되면 등방성 및 전반적인 기계적 특성도 변경됩니다. 심하게 변형된 공작물의 경우 어닐링 후에도 일부 배향이 유지될 수 있습니다. 이로 인해 이방성이 발생합니다. -인발된 재료의 경우 마모를 방지하기 위해 최종 어닐링 전에 변형량을 제한해야 하는 경우가 있습니다.
오렌지 필.픽업은 다이와 관련된 유일한 딥 드로잉 결함이 아닙니다.오렌지 필은 너무 거친 입자가 있는 원료를 인발할 때 발생합니다.각 입자는 결정 방향에 따라 독립적으로 변형됩니다.인접한 그레인 간의 변형 차이로 인해 오렌지 필과 유사한 텍스처 모양이 나타납니다.질감은 컵 벽 표면에 드러난 과립 구조입니다.
미세 입자 구조를 가진 TV 화면의 픽셀과 마찬가지로 각 입자 간의 차이는 눈에 띄지 않아 효과적으로 해상도가 증가합니다. 기계적 특성을 지정하는 것만으로는 충분히 미세한 입자 크기를 보장하여 오렌지 껍질 효과를 방지할 수 없습니다. 가공물의 치수 변동이 입자 직경의 10배 미만인 경우 개별 입자의 특성이 성형 거동을 주도합니다. 이는 많은 입자에 대해 동일하게 변형되지 않지만 각 입자의 특정 크기와 방향을 반영합니다. 이는 오렌지 껍질 효과에서 볼 수 있습니다. 그려진 컵의 벽.
ASTM 입자 크기 8의 경우 평균 입자 직경은 885µin입니다. 이는 0.00885인치 이하의 두께 감소가 이 미세 성형 효과의 영향을 받을 수 있음을 의미합니다.
조악한 입자는 딥 드로잉 문제를 일으킬 수 있지만 임프린팅에 권장되는 경우도 있습니다. 스탬핑은 조지 워싱턴의 안면 윤곽의 1/4과 같은 원하는 표면 지형을 부여하기 위해 블랭크를 압축하는 변형 프로세스입니다.
이러한 이유로 거친 결정립 구조를 사용하여 표면 유동 응력을 최소화하면 적절한 금형 충진에 필요한 힘을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 표면 결정립의 전위가 결정립계에 축적되기보다는 자유롭게 흐를 수 있는 프리 다이 임프린팅의 경우 특히 그렇습니다.
여기에서 논의된 추세는 특정 섹션에 적용되지 않을 수 있는 일반화입니다. 그러나 일반적인 결함을 피하고 성형 매개변수를 최적화하기 위해 새 부품을 설계할 때 원료 입자 크기를 측정하고 표준화하는 이점을 강조했습니다.
부품을 형성하기 위한 정밀 금속 스탬핑 기계 및 금속에 대한 딥 드로잉 작업 제조업체는 재료를 입자 수준까지 최적화하는 데 도움이 될 수 있는 기술적으로 자격을 갖춘 정밀 재롤러의 야금학자와 잘 협력할 것입니다. 관계의 양쪽에 있는 야금 및 엔지니어링 전문가가 하나의 팀으로 통합되면 변화하는 영향을 미치고 더 긍정적인 결과를 생성할 수 있습니다.
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