Er zijn voordelen te behalen door inzicht te krijgen in één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag van roestvrij staal regelt.Getty Images
De selectie van roestvrij staal en aluminiumlegeringen draait over het algemeen om sterkte, ductiliteit, rek en hardheid. Deze eigenschappen geven aan hoe de bouwstenen van het metaal reageren op toegepaste belastingen. Ze zijn een effectieve indicator voor het omgaan met grondstofbeperkingen;dat wil zeggen hoeveel het zal buigen voordat het breekt. De grondstof moet bestand zijn tegen het gietproces zonder te breken.
Destructieve trek- en hardheidstesten zijn een betrouwbare, kosteneffectieve methode voor het bepalen van mechanische eigenschappen. Deze tests zijn echter niet altijd even betrouwbaar zodra de dikte van de grondstof de grootte van het testmonster begint te beperken. Trekproeven van platte metalen producten zijn natuurlijk nog steeds nuttig, maar er kunnen voordelen worden behaald door dieper te kijken naar één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag ervan regelt.
Metalen zijn opgebouwd uit een reeks microscopisch kleine kristallen die korrels worden genoemd. Ze zijn willekeurig verdeeld over het metaal. Atomen van legeringselementen, zoals ijzer, chroom, nikkel, mangaan, silicium, koolstof, stikstof, fosfor en zwavel in austenitisch roestvrij staal, maken deel uit van een enkele korrel. Deze atomen vormen een vaste oplossing van metaalionen, die via hun gedeelde elektronen in het kristalrooster zijn gebonden.
De chemische samenstelling van de legering bepaalt de thermodynamisch geprefereerde rangschikking van atomen in de korrels, bekend als de kristalstructuur. Homogene delen van een metaal die een zich herhalende kristalstructuur bevatten, vormen een of meer korrels die fasen worden genoemd. De mechanische eigenschappen van een legering zijn een functie van de kristalstructuur in de legering. Hetzelfde geldt voor de grootte en rangschikking van de korrels van elke fase.
Most people are familiar with the stages of water.When liquid water freezes, it becomes solid ice.However, when it comes to metals, there is not just one solid phase.Certain alloy families are named after their phases.Among stainless steels, austenitic 300 series alloys consist primarily of austenite when annealed.However, 400 series alloys consist of ferrite in 430 stainless steel or martensite in 410 and 420 stainless steel alloys.
Hetzelfde geldt voor titaniumlegeringen. De naam van elke legeringsgroep geeft hun overheersende fase bij kamertemperatuur aan: alfa, bèta of een combinatie van beide. Er zijn alfa-, bijna-alfa-, alfa-beta-, bèta- en bijna-beta-legeringen.
Wanneer het vloeibare metaal stolt, zullen de vaste deeltjes van de thermodynamisch geprefereerde fase neerslaan waar druk, temperatuur en chemische samenstelling dit toelaten. Dit gebeurt meestal op grensvlakken, zoals ijskristallen op het oppervlak van een warme vijver op een koude dag. Wanneer korrels kiemen, groeit de kristalstructuur in één richting totdat een andere korrel wordt aangetroffen. Korrelgrenzen vormen zich op de kruispunten van niet-overeenkomende roosters vanwege de verschillende oriëntaties van de kristalstructuren. Stel je voor dat je een aantal Rubiks kubussen van verschillende grootte in een doos stopt.E Elke kubus heeft een vierkante rasterindeling, maar ze zullen allemaal in verschillende willekeurige richtingen worden gerangschikt. Een volledig gestold metalen werkstuk bestaat uit een reeks schijnbaar willekeurig georiënteerde korrels.
Elke keer dat een korrel wordt gevormd, bestaat de mogelijkheid van lijndefecten. Deze defecten zijn ontbrekende delen van de kristalstructuur die dislocaties worden genoemd.
Een dwarsdoorsnede van het werkstuk wordt gemonteerd, geslepen, gepolijst en geëtst om de korrelstructuur te bekijken. Wanneer ze uniform en gelijkassig zijn, lijken de microstructuren die op een optische microscoop worden waargenomen een beetje op een legpuzzel. In werkelijkheid zijn de korrels driedimensionaal en de dwarsdoorsnede van elke korrel zal variëren afhankelijk van de oriëntatie van de dwarsdoorsnede van het werkstuk.
Wanneer een kristalstructuur gevuld is met al zijn atomen, is er geen andere ruimte voor beweging dan het uitrekken van de atomaire bindingen.
Wanneer je de helft van een rij atomen verwijdert, creëer je een kans voor een andere rij atomen om in die positie te glippen, waardoor de dislocatie effectief wordt verplaatst. Wanneer een kracht op het werkstuk wordt uitgeoefend, zorgt de geaggregeerde beweging van dislocaties in de microstructuur ervoor dat het kan buigen, uitrekken of comprimeren zonder te breken of te breken.
Wanneer er een kracht op een metaallegering inwerkt, verhoogt het systeem de energie. Als er voldoende energie wordt toegevoegd om plastische vervorming te veroorzaken, vervormt het rooster en ontstaan ​​er nieuwe dislocaties. Het lijkt logisch dat dit de ductiliteit zou vergroten, omdat het meer ruimte vrijmaakt en dus de mogelijkheid creëert voor meer dislocatiebeweging. Wanneer dislocaties echter botsen, kunnen ze elkaar fixeren.
Naarmate het aantal en de concentratie van dislocaties toeneemt, worden steeds meer dislocaties aan elkaar vastgepind, waardoor de ductiliteit afneemt. Uiteindelijk verschijnen er zoveel dislocaties dat koude vorming niet langer mogelijk is. Aangezien bestaande pinning dislocaties niet langer kunnen bewegen, rekken de atomaire bindingen in het rooster uit totdat ze breken of breken. Dit is de reden waarom metaallegeringen hard worden en waarom er een limiet is aan de hoeveelheid plastische vervorming die een metaal kan weerstaan ​​voordat het breekt.
Graan speelt ook een belangrijke rol bij het uitgloeien. Het uitgloeien van een door arbeid gehard materiaal reset in wezen de microstructuur en herstelt zo de ductiliteit. Tijdens het uitgloeiproces worden de korrels in drie stappen getransformeerd:
Stel je een persoon voor die door een overvolle treinwagon loopt. Menigten kunnen alleen samengeperst worden door openingen tussen de rijen te laten, zoals ontwrichtingen in een traliewerk. Naarmate ze verder kwamen, vulden de mensen achter hen de leegte die ze achterlieten, terwijl ze nieuwe ruimte ervoor creëerden. Zodra ze het andere uiteinde van de wagon bereiken, verandert de opstelling van de passagiers. Hoe meer dislocaties er verschijnen, hoe moeilijker het voor hen is om tegelijkertijd te bewegen.
Het is belangrijk om het minimale vervormingsniveau te begrijpen dat nodig is om herkristallisatie op gang te brengen. Als het metaal echter niet genoeg vervormingsenergie heeft voordat het wordt verwarmd, zal er geen herkristallisatie plaatsvinden en zullen de korrels gewoon verder groeien dan hun oorspronkelijke grootte.
Mechanische eigenschappen kunnen worden afgestemd door de korrelgroei te beheersen. Een korrelgrens is in wezen een muur van dislocaties. Ze belemmeren beweging.
Als de korrelgroei wordt beperkt, wordt er een groter aantal kleine korrels geproduceerd. Deze kleinere korrels worden beschouwd als fijner in termen van korrelstructuur. Meer korrelgrenzen betekent minder dislocatiebeweging en hogere sterkte.
Als de korrelgroei niet wordt beperkt, wordt de korrelstructuur grover, de korrels groter, de grenzen minder en de sterkte lager.
Korrelgrootte wordt vaak een getal zonder eenheid genoemd, ergens tussen 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en is gerelateerd aan de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger het getal, hoe fijner de korreligheid.
ASTM E112 schetst methoden voor het meten en evalueren van de korrelgrootte. Het gaat om het tellen van de hoeveelheid korrel in een bepaald gebied. Dit wordt meestal gedaan door een dwarsdoorsnede van de grondstof te snijden, te slijpen en te polijsten en vervolgens te etsen met zuur om de deeltjes bloot te leggen. Het tellen wordt uitgevoerd onder een microscoop en de vergroting maakt een adequate bemonstering van de korrels mogelijk. Het toewijzen van ASTM-korrelgroottenummers geeft een redelijk niveau van uniformiteit in korrelvorm en -diameter aan. punten om consistente prestaties over het werkstuk te garanderen.
In het geval van werkverharding hebben sterkte en ductiliteit een omgekeerde relatie. De relatie tussen ASTM-korrelgrootte en sterkte is meestal positief en sterk, over het algemeen is rek omgekeerd gerelateerd aan ASTM-korrelgrootte. Overmatige korrelgroei kan er echter voor zorgen dat "doodzachte" materialen niet langer effectief uitharden.
Korrelgrootte wordt vaak een getal zonder eenheid genoemd, ergens tussen 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en is gerelateerd aan de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger de ASTM-korrelgrootte, hoe meer korrels per oppervlakte-eenheid.
De korrelgrootte van het gegloeide materiaal varieert met de tijd, temperatuur en koelsnelheid. Gloeien wordt meestal uitgevoerd tussen de herkristallisatietemperatuur en het smeltpunt van de legering. Het aanbevolen gloeitemperatuurbereik voor austenitische roestvrij staallegering 301 ligt tussen 1.900 en 2.050 graden Fahrenheit. Het begint te smelten rond 2.550 graden Fahrenheit. graden Fahrenheit en smelt rond 3.000 graden Fahrenheit.
Tijdens het uitgloeien concurreren de herstel- en herkristallisatieprocessen met elkaar totdat de herkristalliseerde korrels alle vervormde korrels verbruiken. De herkristallisatiesnelheid varieert met de temperatuur. Zodra de herkristallisatie voltooid is, neemt de korrelgroei het over.
Als het materiaal niet lang genoeg in het juiste gloeibereik wordt gehouden, kan de resulterende structuur een combinatie van oude en nieuwe korrels zijn. Als uniforme eigenschappen door het hele metaal gewenst zijn, moet het gloeiproces gericht zijn op het bereiken van een uniforme gelijkassige korrelstructuur. Uniform betekent dat alle korrels ongeveer even groot zijn en gelijkassig betekent dat ze ongeveer dezelfde vorm hebben.
Om een ​​uniforme en gelijkassige microstructuur te verkrijgen, moet elk werkstuk worden blootgesteld aan dezelfde hoeveelheid warmte gedurende dezelfde hoeveelheid tijd en moet het in dezelfde snelheid afkoelen. Dit is niet altijd gemakkelijk of mogelijk bij batchgloeien, dus het is belangrijk om in ieder geval te wachten tot het gehele werkstuk verzadigd is bij de juiste temperatuur voordat de inweektijd wordt berekend. Langere inweektijden en hogere temperaturen zullen resulteren in een grovere korrelstructuur/zachter materiaal en vice versa.
Als korrelgrootte en sterkte gerelateerd zijn, en de sterkte bekend is, waarom dan korrels berekenen, toch? Alle destructieve tests hebben variabiliteit. Trekproeven, vooral bij lagere diktes, zijn grotendeels afhankelijk van de voorbereiding van het monster. Resultaten van treksterkte die niet de werkelijke materiaaleigenschappen weergeven, kunnen voortijdig defect raken.
Als de eigenschappen niet overal in het werkstuk uniform zijn, kan het nemen van een trekproefstuk of monster van één rand niet het hele verhaal vertellen. Monstervoorbereiding en testen kan ook tijdrovend zijn. Hoeveel tests zijn er mogelijk voor een bepaald metaal en in hoeveel richtingen is het haalbaar? Het evalueren van de korrelstructuur is een extra verzekering tegen verrassingen.
Anisotroop, isotroop. Anisotropie verwijst naar de richting van mechanische eigenschappen. Naast sterkte kan anisotropie beter worden begrepen door de korrelstructuur te onderzoeken.
Een uniforme en gelijkassige korrelstructuur moet isotroop zijn, wat betekent dat het in alle richtingen dezelfde eigenschappen heeft. Isotropie is vooral belangrijk bij dieptrekprocessen waarbij concentriciteit van cruciaal belang is. Wanneer de blanco in de mal wordt getrokken, zal het anisotrope materiaal niet gelijkmatig vloeien, wat kan leiden tot een defect dat oorring wordt genoemd. De oorbel ontstaat waar het bovenste deel van de kom een ​​golvend silhouet vormt.
Correct uitgloeien is van cruciaal belang om isotropie te bereiken, maar het is ook belangrijk om de mate van vervorming voorafgaand aan uitgloeien te begrijpen. Naarmate het materiaal plastisch vervormt, beginnen de korrels te vervormen. In het geval van koudwalsen, waarbij dikte wordt omgezet in lengte, zullen de korrels langer worden in de walsrichting. Naarmate de korrelverhouding verandert, verandert ook de isotropie en de algehele mechanische eigenschappen. In het geval van sterk vervormde werkstukken kan enige oriëntatie behouden blijven, zelfs na uitgloeien. anisotropie. Voor diepgetrokken materialen is het soms nodig om de mate van vervorming te beperken voorafgaand aan het uiteindelijke uitgloeien om slijtage te voorkomen.
sinaasappelschil. Het oppakken is niet het enige dieptrekdefect dat verband houdt met de matrijs. Sinaasappelschil treedt op wanneer grondstoffen met te grove deeltjes worden getrokken. Elke korrel vervormt onafhankelijk en als een functie van zijn kristaloriëntatie. Het verschil in vervorming tussen aangrenzende korrels resulteert in een gestructureerd uiterlijk vergelijkbaar met sinaasappelschil. Textuur is de korrelige structuur die zichtbaar wordt op het oppervlak van de bekerwand.
Net als de pixels op een tv-scherm, met een fijnkorrelige structuur, zal het verschil tussen elke korrel minder opvallen, waardoor de resolutie effectief wordt verhoogd. Het specificeren van mechanische eigenschappen alleen is mogelijk niet voldoende om een ​​voldoende fijne korrelgrootte te garanderen om het sinaasappelschileffect te voorkomen. Wanneer de dimensionale variatie van het werkstuk minder is dan 10 keer de korreldiameter, zullen de eigenschappen van de individuele korrels het vormingsgedrag sturen. Het vervormt niet gelijkmatig over veel korrels, maar weerspiegelt de specifieke grootte en oriëntatie van elke korrel. de wanden van de getrokken bekers.
Voor een ASTM-korrelgrootte van 8 is de gemiddelde korreldiameter 885 µin. Dit betekent dat elke diktevermindering van 0,00885 inch of minder kan worden beïnvloed door dit microvormingseffect.
Hoewel grove korrels dieptrekproblemen kunnen veroorzaken, worden ze soms aanbevolen voor imprinting. Stempelen is een vervormingsproces waarbij een plano wordt samengedrukt om een ​​gewenste oppervlaktetopografie te geven, zoals een kwart van de gezichtscontouren van George Washington. In tegenstelling tot draadtrekken, vereist stempelen meestal niet veel bulkmateriaalstroom, maar vereist het veel kracht, waardoor het oppervlak van het plano gewoon kan vervormen.
Om deze reden kan het minimaliseren van oppervlaktestromingsspanning door een grovere korrelstructuur te gebruiken, helpen de krachten te verlichten die nodig zijn voor het correct vullen van de mal. Dit geldt met name voor free-die imprinting, waarbij dislocaties op oppervlaktekorrels vrij kunnen stromen, in plaats van zich op te hopen bij korrelgrenzen.
De hier besproken trends zijn generalisaties die mogelijk niet van toepassing zijn op specifieke secties. Ze benadrukten echter wel de voordelen van het meten en standaardiseren van de korrelgrootte van grondstoffen bij het ontwerpen van nieuwe onderdelen om veelvoorkomende defecten te voorkomen en vormparameters te optimaliseren.
Fabrikanten van precisiemachines voor het stansen van metaal en dieptrekbewerkingen op metaal om hun onderdelen te vormen, zullen goed samenwerken met metallurgen op technisch gekwalificeerde precisieherwalsers die hen kunnen helpen materialen tot op korrelniveau te optimaliseren. Wanneer metallurgische en technische experts aan beide kanten van de relatie in één team worden geïntegreerd, kan dit een transformerende impact hebben en meer positieve resultaten opleveren.
STAMPING Journal is het enige branchetijdschrift dat zich toelegt op het dienen van de behoeften van de metaalstempelmarkt. Sinds 1989 behandelt de publicatie geavanceerde technologieën, branchetrends, best practices en nieuws om stempelprofessionals te helpen hun bedrijf efficiënter te runnen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, gemakkelijke toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt gemakkelijke toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
Geniet van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, die de nieuwste technologische ontwikkelingen, best practices en branchenieuws voor de metaalstempelmarkt biedt.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, gemakkelijke toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.