Може да се добијат придобивки со стекнување увид во еден слој од структурата на зрната што го контролира механичкото однесување на не'рѓосувачкиот челик. Getty Images
Изборот на нерѓосувачки челик и легури на алуминиум генерално се фокусира на цврстина, еластичност, издолжување и тврдост. Овие својства покажуваат како градежните блокови на металот реагираат на применетите оптоварувања. Тие се ефикасен индикатор за управување со ограничувањата на суровината; односно, колку ќе се свитка пред да се скрши. Суровината мора да биде способна да го издржи процесот на лиење без да се скрши.
Деструктивното тестирање на затегнување и тврдост е сигурен, економичен метод за одредување на механичките својства. Сепак, овие тестови не се секогаш толку сигурни откако дебелината на суровината ќе почне да ја ограничува големината на примерокот за тестирање. Тестирањето на затегнување на рамни метални производи е секако сè уште корисно, но придобивките можат да се добијат со подлабоко испитување на еден слој од структурата на зрната што го контролира неговото механичко однесување.
Металите се составени од низа микроскопски кристали наречени зрна. Тие се случајно распоредени низ целиот метал. Атомите на легирачките елементи, како што се железо, хром, никел, манган, силициум, јаглерод, азот, фосфор и сулфур во аустенитни не'рѓосувачки челици, се дел од едно зрно. Овие атоми формираат цврст раствор од метални јони, кои се врзани во кристалната решетка преку нивните споделени електрони.
Хемискиот состав на легурата го одредува термодинамички претпочитаниот распоред на атомите во зрната, познат како кристална структура. Хомогените делови од метал што содржат повторувачка кристална структура формираат едно или повеќе зрна наречени фази. Механичките својства на легурата се функција на кристалната структура во легурата. Истото важи и за големината и распоредот на зрната во секоја фаза.
Повеќето луѓе се запознаени со фазите на водата. Кога течната вода замрзнува, таа станува цврст мраз. Меѓутоа, кога станува збор за метали, не постои само една цврста фаза. Одредени семејства на легури се именувани по нивните фази. Меѓу нерѓосувачките челици, аустенитските легури од серијата 300 се состојат првенствено од аустенит кога се жарат. Сепак, легурите од серијата 400 се состојат од ферит во нерѓосувачки челик 430 или мартензит во легурите од нерѓосувачки челик 410 и 420.
Истото важи и за легури на титаниум. Името на секоја група легури ја означува нивната доминантна фаза на собна температура - алфа, бета или мешавина од двете. Постојат алфа, близу-алфа, алфа-бета, бета и близу-бета легури.
Кога течниот метал ќе се стврдне, цврстите честички од термодинамички претпочитаната фаза ќе се таложат таму каде што дозволуваат притисокот, температурата и хемискиот состав. Ова обично се случува на интерфејси, како ледени кристали на површината на топло езерце во студен ден. Кога зрната се нуклеираат, кристалната структура расте во една насока сè додека не се сретне друго зрно. Границите на зрната се формираат на пресеците на несовпаѓачките решетки поради различните ориентации на кристалните структури. Замислете да ставите еден куп Рубикови коцки со различни големини во кутија. Секоја коцка има распоред на квадратна мрежа, но сите тие ќе бидат распоредени во различни случајни насоки. Целосно стврднат метален работен дел се состои од серија навидум случајно ориентирани зрна.
Секогаш кога се формира зрно, постои можност за линиски дефекти. Овие дефекти се делови што недостасуваат во кристалната структура наречени дислокации. Овие дислокации и нивното последователно движење низ зрното и преку границите на зрното се фундаментални за еластичноста на металот.
Пресек од работниот дел се монтира, бруси, полира и гравира за да се види структурата на зрната. Кога се униформни и еквиокси, микроструктурите набљудувани на оптички микроскоп изгледаат малку како сложувалка. Всушност, зрната се тридимензионални, а пресекот на секое зрно ќе варира во зависност од ориентацијата на пресекот на работниот дел.
Кога кристалната структура е исполнета со сите нејзини атоми, нема простор за движење освен истегнување на атомските врски.
Кога отстранувате половина од ред атоми, создавате можност друг ред атоми да се лизне во таа положба, ефикасно поместувајќи ја дислокацијата. Кога на работното парче се применува сила, агрегираното движење на дислокациите во микроструктурата ѝ овозможува да се свиткува, растегнува или компресира без да се скрши или скрши.
Кога сила дејствува врз метална легура, системот ја зголемува енергијата. Ако се додаде доволно енергија за да се предизвика пластична деформација, решетката се деформира и се формираат нови дислокации. Се чини логично дека ова треба да ја зголеми еластичноста, бидејќи ослободува повеќе простор и на тој начин создава потенцијал за поголемо движење на дислокациите. Меѓутоа, кога дислокациите се судираат, тие можат да се фиксираат една со друга.
Како што се зголемува бројот и концентрацијата на дислокации, сè повеќе дислокации се прицврстуваат заедно, намалувајќи ја еластичноста. На крајот, се појавуваат толку многу дислокации што ладното обликување повеќе не е можно. Бидејќи постојните прицврстувачки дислокации повеќе не можат да се движат, атомските врски во решетката се растегнуваат сè додека не се скршат или не се скршат. Затоа металните легури работат стврднувајќи и зошто постои ограничување на количината на пластична деформација што металот може да ја издржи пред да се скрши.
Зрната, исто така, играат важна улога во жарењето. Жарењето на материјал кој е зацврстен со работа во суштина ја ресетира микроструктурата и на тој начин ја враќа еластичноста. За време на процесот на жарење, зрната се трансформираат во три чекори:
Замислете човек како оди низ преполн вагон. Толпите можат да се стиснат само со оставање празнини меѓу редовите, како дислокации во решетка. Како што напредуваа, луѓето зад нив ја пополнуваа празнината што ја оставија, додека создаваа нов простор пред нив. Штом ќе стигнат до другиот крај од вагонот, распоредот на патниците се менува. Ако премногу луѓе се обидат да поминат истовремено, патниците што се обидуваат да направат простор за своето движење ќе се судрат едни со други и ќе удрат во ѕидовите на вагоните, приковувајќи ги сите на место. Колку повеќе дислокации се појавуваат, толку потешко им е да се движат истовремено.
Важно е да се разбере минималното ниво на деформација потребно за да се активира рекристализацијата. Меѓутоа, ако металот нема доволно енергија на деформација пред да се загрее, рекристализацијата нема да се случи и зрната едноставно ќе продолжат да растат над нивната оригинална големина.
Механичките својства можат да се подесат со контролирање на растот на зрната. Границата на зрната е во суштина ѕид од дислокации. Тие го попречуваат движењето.
Ако растот на зрната е ограничен, ќе се произведе поголем број мали зрна. Овие помали зрна се сметаат за пофини во однос на структурата на зрната. Поголемите граници на зрната значат помало движење на дислокации и поголема цврстина.
Ако растот на зрната не е ограничен, структурата на зрната станува погруба, зрната се поголеми, границите се помали, а цврстината е помала.
Големината на зрното често се нарекува број без единици, некаде помеѓу 5 и 15. Ова е релативен однос и е поврзан со просечниот дијаметар на зрното. Колку е поголем бројот, толку е пофина гранулацијата.
ASTM E112 ги опишува методите за мерење и евалуација на големината на зрното. Тоа вклучува броење на количината на зрно во дадена површина. Ова обично се прави со сечење на пресек од суровината, мелење и полирање, а потоа и со гравирање со киселина за да се откријат честичките. Броењето се врши под микроскоп, а зголемувањето овозможува соодветно земање примероци од зрната. Доделувањето на броеви за големината на зрното според ASTM укажува на разумно ниво на униформност во обликот и дијаметарот на зрното. Може дури и да биде предност да се ограничи варијацијата во големината на зрното на две или три точки за да се обезбеди конзистентна изведба низ целиот обработен дел.
Во случај на стврднување при работа, цврстината и еластичноста имаат инверзна зависност. Односот помеѓу големината на зрната ASTM и цврстината има тенденција да биде позитивен и силен, генерално издолжувањето е инверзно поврзано со големината на зрната ASTM. Сепак, прекумерниот раст на зрната може да предизвика „мртво меките“ материјали повеќе да не се стврднуваат ефикасно при работа.
Големината на зрното често се нарекува број без единици, некаде помеѓу 5 и 15. Ова е релативен однос и е поврзан со просечниот дијаметар на зрното. Колку е поголема вредноста на големината на зрното според ASTM, толку повеќе зрна по единица површина.
Големината на зрната на жарениот материјал варира со времето, температурата и брзината на ладење. Жарењето обично се изведува помеѓу температурата на рекристализација и точката на топење на легурата. Препорачаниот опсег на температура на жарење за аустенитна легура од не'рѓосувачки челик 301 е помеѓу 1.900 и 2.050 степени Фаренхајт. Ќе почне да се топи околу 2.550 степени Фаренхајт. Спротивно на тоа, комерцијално чистиот титаниум од прва класа треба да се жари на 1.292 степени Фаренхајт и да се стопи околу 3.000 степени Фаренхајт.
За време на жарењето, процесите на обновување и рекристализација се натпреваруваат едни со други сè додека рекристализираните зрна не ги потрошат сите деформирани зрна. Стапката на рекристализација варира со температурата. Откако рекристализацијата ќе заврши, растот на зрната презема контрола. Обработливо парче од не'рѓосувачки челик 301 жарено на 1.900°F во текот на еден час ќе има пофина структура на зрната од истото обработливо парче жарено на 2.000°F во исто време.
Ако материјалот не се држи во соодветниот опсег на жарење доволно долго, добиената структура може да биде комбинација од стари и нови зрна. Ако се посакуваат униформни својства низ целиот метал, процесот на жарење треба да има за цел да постигне униформна еквиоксична структура на зрната. Униформно значи дека сите зрна се приближно со иста големина, а еквиоксична значи дека се приближно со ист облик.
За да се добие униформна и еквиоксична микроструктура, секое работно парче треба да биде изложено на иста количина на топлина за исто време и треба да се лади со иста брзина. Ова не е секогаш лесно или можно со сериско жарење, па затоа е важно барем да почекате додека целото работно парче не се засити на соодветната температура пред да го пресметате времето на натопување. Подолгото време на натопување и повисоките температури ќе резултираат со покрупна структура на зрната/помек материјал и обратно.
Ако големината на зрната и цврстината се поврзани, а цврстината е позната, зошто да се пресметуваат зрната, нели? Сите деструктивни тестови имаат варијабилност. Тестирањето на затегнување, особено при помали дебелини, во голема мера зависи од подготовката на примерокот. Резултатите од затегнувачката цврстина кои не ги претставуваат вистинските својства на материјалот може да доживеат предвремено откажување.
Ако својствата не се униформни низ целиот обработен дел, земањето примерок или примерок за тест на истегнување од едниот раб можеби нема да ја каже целата приказна. Подготовката и тестирањето на примерокот исто така може да одземаат многу време. Колку тестови се можни за даден метал и во колку насоки е тоа изводливо? Евалуацијата на структурата на зрната е дополнително осигурување од изненадувања.
Анизотропен, изотропен. Анизотропијата се однесува на насоченоста на механичките својства. Покрај јакоста, анизотропијата може подобро да се разбере со испитување на структурата на зрната.
Униформната и еквиоксична структура на зрната треба да биде изотропна, што значи дека има исти својства во сите правци. Изотропијата е особено важна во процесите на длабоко цртање каде што концентричноста е критична. Кога празниот дел е вовлечен во калапот, анизотропскиот материјал нема да тече рамномерно, што може да доведе до дефект наречен наушник. Наушникот се јавува таму каде што горниот дел од чашата формира брановидна силуета. Испитувањето на структурата на зрната може да ја открие локацијата на нехомогеностите во обработуваниот дел и да помогне во дијагностицирањето на основната причина.
Правилното жарење е клучно за постигнување на изотропија, но исто така е важно да се разбере степенот на деформација пред жарењето. Како што материјалот пластично се деформира, зрната почнуваат да се деформираат. Во случај на ладно валање, со претворање на дебелината во должина, зрната ќе се издолжуваат во насоката на валање. Како што се менува соодносот на ширина и висина на зрната, така се менува и изотропијата и целокупните механички својства. Во случај на силно деформирани работни парчиња, одредена ориентација може да се задржи дури и по жарењето. Ова резултира со анизотропија. За длабоко влечени материјали, понекогаш е потребно да се ограничи количината на деформација пред конечното жарење за да се избегне абење.
кора од портокал. Подигнувањето не е единствениот дефект на длабоко влечење поврзан со калапот. Кора од портокал се јавува кога се влечени суровини со премногу груби честички. Секое зрно се деформира независно и како функција на неговата кристална ориентација. Разликата во деформацијата помеѓу соседните зрна резултира со текстуриран изглед сличен на кора од портокал. Текстурата е грануларна структура откриена на површината на ѕидот на чашата.
Исто како пикселите на телевизискиот екран, со ситнозрнеста структура, разликата помеѓу секое зрно ќе биде помалку забележлива, со што ефикасно ќе се зголеми резолуцијата. Самото специфицирање на механичките својства можеби не е доволно за да се обезбеди доволно фина големина на зрното за да се спречи ефектот на кора од портокал. Кога димензионалната варијација на работното парче е помала од 10 пати од дијаметарот на зрното, својствата на поединечните зрна ќе го водат однесувањето на формирање. Не се деформира подеднакво на многу зрна, туку ја одразува специфичната големина и ориентација на секое зрно. Ова може да се види од ефектот на кора од портокал на ѕидовите на нацртаните чаши.
За ASTM големина на зрно од 8, просечниот дијаметар на зрното е 885 µин. Ова значи дека секое намалување на дебелината од 0,00885 инчи или помалку може да биде засегнато од овој ефект на микроформирање.
Иако грубите зрна можат да предизвикаат проблеми со длабоко цртање, тие понекогаш се препорачуваат за печатење. Печатењето е процес на деформација во кој празното парче се компресира за да се добие посакуваната топографија на површината, како што е четвртина од контурите на лицето на Џорџ Вашингтон. За разлика од цртањето со жица, печатењето обично не вклучува многу проток на материјал, но бара многу сила, што може само да ја деформира површината на празното парче.
Поради оваа причина, минимизирањето на површинскиот стрес при течење со користење на структура со покрупни зрна може да помогне во ублажување на силите потребни за правилно полнење на калапот. Ова е особено точно за печатење со слободен калап, каде што дислокациите на површинските зрна можат слободно да течат, наместо да се акумулираат на границите на зрната.
Трендовите дискутирани овде се генерализации кои можеби не се однесуваат на специфични делови. Сепак, тие ги истакнаа придобивките од мерењето и стандардизирањето на големината на зрната на суровината при дизајнирање нови делови за да се избегнат вообичаени дефекти и да се оптимизираат параметрите на лиење.
Производителите на машини за прецизно печатење на метал и операции за длабоко влечење на метал за да ги формираат своите делови ќе соработуваат добро со металурзите на технички квалификувани прецизни превалачи кои можат да им помогнат да ги оптимизираат материјалите до нивото на зрната. Кога металуршките и инженерските експерти од двете страни на врската се интегрирани во еден тим, тоа може да има трансформативно влијание и да произведе попозитивни резултати.
„STAMPING Journal“ е единственото индустриско списание посветено на задоволување на потребите на пазарот за печатење метал. Од 1989 година, публикацијата опфаќа најсовремени технологии, индустриски трендови, најдобри практики и новости за да им помогне на професионалците за печатење поефикасно да го водат својот бизнис.
Сега со целосен пристап до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен пристап до вредни индустриски ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal сега е целосно достапно, овозможувајќи лесен пристап до вредни индустриски ресурси.
Уживајте во целосен пристап до дигиталното издание на STAMPING Journal, кое ги обезбедува најновите технолошки достигнувања, најдобри практики и индустриски вести за пазарот на метално печатење.
Сега со целосен пристап до дигиталното издание на The Fabricator на шпански јазик, лесен пристап до вредни индустриски ресурси.