Fordeler kan oppnås ved å få innsikt i ett lag av kornstrukturen som styrer den mekaniske oppførselen til rustfritt stål. Getty Images
Valget av rustfritt stål og aluminiumslegeringer fokuserer vanligvis på styrke, duktilitet, forlengelse og hardhet. Disse egenskapene indikerer hvordan byggesteinene i metallet reagerer på påførte belastninger. De er en effektiv indikator på håndtering av råmaterialebegrensninger; det vil si hvor mye det vil bøye seg før det brekkes. Råmaterialet må kunne tåle støpeprosessen uten å brekke.
Destruktiv strekk- og hardhetstesting er en pålitelig og kostnadseffektiv metode for å bestemme mekaniske egenskaper. Disse testene er imidlertid ikke alltid like pålitelige når tykkelsen på råmaterialet begynner å begrense størrelsen på testprøven. Strekktesting av flate metallprodukter er selvfølgelig fortsatt nyttig, men fordeler kan oppnås ved å se dypere på ett lag av kornstrukturen som styrer dens mekaniske oppførsel.
Metaller er bygd opp av en serie mikroskopiske krystaller kalt korn. De er tilfeldig fordelt i hele metallet. Atomer av legeringselementer, som jern, krom, nikkel, mangan, silisium, karbon, nitrogen, fosfor og svovel i austenittisk rustfritt stål, er en del av et enkelt korn. Disse atomene danner en fast løsning av metallioner, som er bundet til krystallgitteret gjennom sine delte elektroner.
Legeringens kjemiske sammensetning bestemmer den termodynamisk foretrukne ordningen av atomer i kornene, kjent som krystallstrukturen. Homogene deler av et metall som inneholder en repeterende krystallstruktur danner ett eller flere korn kalt faser. De mekaniske egenskapene til en legering er en funksjon av krystallstrukturen i legeringen. Det samme gjelder størrelsen og ordningen av kornene i hver fase.
De fleste er kjent med vannets stadier. Når flytende vann fryser, blir det til fast is. Men når det gjelder metaller, er det ikke bare én fast fase. Enkelte legeringsfamilier er oppkalt etter fasene sine. Blant rustfritt stål består austenittiske legeringer i 300-serien hovedsakelig av austenitt når de glødes. Imidlertid består legeringer i 400-serien av ferritt i 430 rustfritt stål eller martensitt i 410 og 420 rustfrie stållegeringer.
Det samme gjelder titanlegeringer. Navnet på hver legeringsgruppe angir deres dominerende fase ved romtemperatur – alfa, beta eller en blanding av begge. Det finnes alfa-, nær-alfa-, alfa-beta-, beta- og nær-beta-legeringer.
Når det flytende metallet størkner, vil de faste partiklene i den termodynamisk foretrukne fasen utfelles der trykk, temperatur og kjemisk sammensetning tillater det. Dette skjer vanligvis ved grenseflater, som iskrystaller på overflaten av et varmt tjern på en kald dag. Når korn kjernedannes, vokser krystallstrukturen i én retning til et annet korn møtes. Korngrenser dannes ved skjæringspunktene mellom uensartede gittere på grunn av de forskjellige orienteringene til krystallstrukturene. Tenk deg å legge en haug med Rubiks kuber i forskjellige størrelser i en eske. Hver kube har et firkantet rutenettarrangement, men de vil alle være arrangert i forskjellige tilfeldige retninger. Et fullstendig størknet metallarbeidsstykke består av en serie tilsynelatende tilfeldig orienterte korn.
Hver gang et korn dannes, er det en mulighet for linjedefekter. Disse defektene er manglende deler av krystallstrukturen som kalles dislokasjoner. Disse dislokasjonene og deres påfølgende bevegelse gjennom kornet og på tvers av korngrenser er grunnleggende for metallduktilitet.
Et tverrsnitt av arbeidsstykket monteres, slipes, poleres og etses for å se kornstrukturen. Når de er jevne og likeaksede, ser mikrostrukturene som observeres på et optisk mikroskop litt ut som et puslespill. I virkeligheten er kornene tredimensjonale, og tverrsnittet av hvert korn vil variere avhengig av retningen på arbeidsstykkets tverrsnitt.
Når en krystallstruktur er fylt med alle atomene sine, er det ikke rom for bevegelse annet enn strekking av atombindingene.
Når du fjerner halvparten av en rad med atomer, skaper du en mulighet for at en annen rad med atomer kan gli inn i den posisjonen, og dermed effektivt flytte forskyvningen. Når en kraft påføres arbeidsstykket, gjør den samlede bevegelsen av forskyvninger i mikrostrukturen det mulig å bøye, strekke eller komprimere uten å brekke eller knekke.
Når en kraft virker på en metalllegering, øker systemet energien. Hvis nok energi tilføres til å forårsake plastisk deformasjon, deformeres gitteret og nye forskyvninger dannes. Det virker logisk at dette burde øke duktiliteten, ettersom det frigjør mer plass og dermed skaper potensial for mer forskyvningsbevegelse. Men når forskyvninger kolliderer, kan de fikse hverandre.
Etter hvert som antallet og konsentrasjonen av dislokasjoner øker, festes flere og flere dislokasjoner sammen, noe som reduserer duktiliteten. Etter hvert oppstår det så mange dislokasjoner at kaldforming ikke lenger er mulig. Siden eksisterende festedislokasjoner ikke lenger kan bevege seg, strekkes atombindingene i gitteret til de brytes eller brister. Dette er grunnen til at metalllegeringer deformasjonsherdes, og hvorfor det er en grense for mengden plastisk deformasjon et metall kan tåle før det brister.
Korn spiller også en viktig rolle i gløding. Gløding av et arbeidsherdet materiale tilbakestiller i hovedsak mikrostrukturen og gjenoppretter dermed duktiliteten. Under glødeprosessen transformeres kornene i tre trinn:
Se for deg en person som går gjennom en overfylt togvogn. Folkemengder kan bare presses inn ved å lage mellomrom mellom radene, som forskyvninger i et gitter. Etter hvert som de beveget seg fremover, fylte menneskene bak dem tomrommet de etterlot, mens de skapte ny plass foran. Når de når den andre enden av vognen, endres plasseringen av passasjerene. Hvis for mange mennesker prøver å passere samtidig, vil passasjerer som prøver å gi plass til bevegelsen deres, kollidere med hverandre og treffe veggene på togvognene, slik at alle blir sittende fast. Jo flere forskyvninger som dukker opp, desto vanskeligere er det for dem å bevege seg samtidig.
Det er viktig å forstå minimumsnivået av deformasjon som kreves for å utløse omkrystallisering. Men hvis metallet ikke har nok deformasjonsenergi før det varmes opp, vil ikke omkrystallisering forekomme, og kornene vil ganske enkelt fortsette å vokse utover sin opprinnelige størrelse.
Mekaniske egenskaper kan justeres ved å kontrollere kornvekst. En korngrense er i hovedsak en vegg av forskyvninger. De hindrer bevegelse.
Hvis kornveksten er begrenset, vil et større antall små korn bli produsert. Disse mindre kornene anses som finere når det gjelder kornstruktur. Flere korngrenser betyr mindre dislokasjonsbevegelse og høyere styrke.
Hvis kornveksten ikke begrenses, blir kornstrukturen grovere, kornene er større, grensene er mindre og styrken er lavere.
Kornstørrelse blir ofte referert til som et enhetsløst tall, et sted mellom 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relatert til den gjennomsnittlige korndiameteren. Jo høyere tall, desto finere granularitet.
ASTM E112 skisserer metoder for måling og evaluering av kornstørrelse. Det innebærer å telle mengden korn i et gitt område. Dette gjøres vanligvis ved å skjære et tverrsnitt av råmaterialet, slipe og polere det, og deretter etse det med syre for å eksponere partiklene. Telling utføres under et mikroskop, og forstørrelsen tillater tilstrekkelig prøvetaking av kornene. Tildeling av ASTM-kornstørrelsestall indikerer et rimelig nivå av ensartethet i kornform og diameter. Det kan til og med være fordelaktig å begrense variasjonen i kornstørrelse til to eller tre punkter for å sikre jevn ytelse på tvers av arbeidsstykket.
Ved deformasjonsherding har styrke og duktilitet et omvendt forhold. Forholdet mellom ASTM-kornstørrelse og styrke har en tendens til å være positivt og sterkt, generelt er forlengelse omvendt relatert til ASTM-kornstørrelse. Imidlertid kan overdreven kornvekst føre til at "døde myke" materialer ikke lenger deformasjonsherder effektivt.
Kornstørrelse blir ofte referert til som et enhetsløst tall, et sted mellom 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relatert til den gjennomsnittlige korndiameteren. Jo høyere ASTM-kornstørrelsesverdi, desto flere korn per arealenhet.
Kornstørrelsen til det glødede materialet varierer med tid, temperatur og avkjølingshastighet. Gløding utføres vanligvis mellom omkrystalliseringstemperaturen og legeringens smeltepunkt. Det anbefalte glødetemperaturområdet for austenittisk rustfritt stållegering 301 er mellom 1900 og 2050 grader Fahrenheit. Det vil begynne å smelte rundt 2550 grader Fahrenheit. I motsetning til dette bør kommersielt rent titan av grad 1 glødes ved 1292 grader Fahrenheit og smelte rundt 3000 grader Fahrenheit.
Under gløding konkurrerer gjenvinnings- og omkrystalliseringsprosessene med hverandre inntil de omkrystalliserte kornene forbruker alle deformerte korn. Omkrystalliseringshastigheten varierer med temperaturen. Når omkrystalliseringen er fullført, tar kornveksten over. Et arbeidsstykke i rustfritt stål 301 som er glødet ved 1900 °F i én time, vil ha en finere kornstruktur enn det samme arbeidsstykket som er glødet ved 2000 °F i samme tid.
Hvis materialet ikke holdes i riktig glødeområde lenge nok, kan den resulterende strukturen være en kombinasjon av gamle og nye korn. Hvis det er ønskelig med ensartede egenskaper i hele metallet, bør glødeprosessen sikte mot å oppnå en ensartet, likeakset kornstruktur. Ensartet betyr at alle korn har omtrent samme størrelse, og likeakset betyr at de har omtrent samme form.
For å oppnå en jevn og likevektig mikrostruktur, bør hvert arbeidsstykke utsettes for samme mengde varme i samme tid og avkjøles med samme hastighet. Dette er ikke alltid lett eller mulig med batchgløding, så det er viktig å i det minste vente til hele arbeidsstykket er mettet ved riktig temperatur før man beregner bløtleggingstiden. Lengre bløtleggingstider og høyere temperaturer vil resultere i en grovere kornstruktur/mykere materiale og omvendt.
Hvis kornstørrelse og styrke er relatert, og styrken er kjent, hvorfor beregne korn, ikke sant? Alle destruktive tester har variasjon. Strekktesting, spesielt ved lavere tykkelser, er i stor grad avhengig av prøveforberedelse. Strekkfasthetsresultater som ikke representerer faktiske materialegenskaper, kan oppleve for tidlig svikt.
Hvis egenskapene ikke er ensartede i hele arbeidsstykket, kan det hende at det å ta en strekkprøve eller en prøve fra én kant ikke forteller hele historien. Prøveforberedelse og testing kan også være tidkrevende. Hvor mange tester er mulige for et gitt metall, og i hvor mange retninger er det gjennomførbart? Å evaluere kornstrukturen er en ekstra forsikring mot overraskelser.
Anisotropisk, isotropisk. Anisotropi refererer til retningen til mekaniske egenskaper. I tillegg til styrke kan anisotropi bedre forstås ved å undersøke kornstrukturen.
En jevn og likevektig kornstruktur bør være isotropisk, noe som betyr at den har de samme egenskapene i alle retninger. Isotropi er spesielt viktig i dyptrekkeprosesser der konsentrisitet er kritisk. Når emnet trekkes inn i formen, vil ikke det anisotropiske materialet flyte jevnt, noe som kan føre til en defekt som kalles øredannelse. Øreringen oppstår der den øvre delen av koppen danner en bølgete silhuett. Undersøkelse av kornstrukturen kan avsløre plasseringen av inhomogeniteter i arbeidsstykket og bidra til å diagnostisere rotårsaken.
Riktig gløding er avgjørende for å oppnå isotropi, men det er også viktig å forstå omfanget av deformasjon før gløding. Etter hvert som materialet deformeres plastisk, begynner kornene å deformeres. Ved kaldvalsing, der tykkelse konverteres til lengde, vil kornene forlenges i valseretningen. Når kornstørrelsesforholdet endres, endres også isotropien og de generelle mekaniske egenskapene. Ved sterkt deformerte arbeidsstykker kan noe av orienteringen beholdes selv etter gløding. Dette resulterer i anisotropi. For dyptrukne materialer er det noen ganger nødvendig å begrense mengden deformasjon før endelig gløding for å unngå slitasje.
Appelsinskall. Oppsamling er ikke den eneste dyptrekkingsfeilen forbundet med matrise. Appelsinskall oppstår når råmaterialer med for grove partikler trekkes. Hvert korn deformeres uavhengig og som en funksjon av krystallorienteringen. Forskjellen i deformasjon mellom tilstøtende korn resulterer i et teksturert utseende som ligner på appelsinskall. Tekstur er den granulære strukturen som avsløres på overflaten av koppveggen.
Akkurat som pikslene på en TV-skjerm, med en finkornet struktur, vil forskjellen mellom hvert korn være mindre merkbar, noe som effektivt øker oppløsningen. Å spesifisere mekaniske egenskaper alene er kanskje ikke tilstrekkelig for å sikre en tilstrekkelig fin kornstørrelse til å forhindre appelsinskalleffekten. Når dimensjonsvariasjonen til arbeidsstykket er mindre enn 10 ganger korndiameteren, vil egenskapene til de individuelle kornene drive formingsatferden. Den deformeres ikke likt over mange korn, men gjenspeiler den spesifikke størrelsen og retningen til hvert korn. Dette kan sees fra appelsinskalleffekten på veggene til de trukne koppene.
For en ASTM-kornstørrelse på 8 er den gjennomsnittlige korndiameteren 885 µin. Dette betyr at enhver tykkelsesreduksjon på 0,00885 tommer eller mindre kan påvirkes av denne mikroformingseffekten.
Selv om grove korn kan forårsake problemer med dyptrekking, anbefales de noen ganger for preging. Stempling er en deformasjonsprosess der et emne komprimeres for å gi en ønsket overflatetopografi, for eksempel en fjerdedel av George Washingtons ansiktskonturer. I motsetning til trådtrekking involverer stempling vanligvis ikke mye bulkmaterialeflyt, men krever mye kraft, noe som bare kan deformere overflaten av emnet.
Av denne grunn kan det å minimere overflatestrømningsspenningen ved å bruke en grovere kornstruktur bidra til å redusere kreftene som kreves for riktig formfylling. Dette gjelder spesielt for frittgående preging, hvor forskyvninger på overflatekorn kan flyte fritt, i stedet for å akkumuleres ved korngrenser.
Trendene som diskuteres her er generaliseringer som kanskje ikke gjelder for spesifikke seksjoner. De fremhevet imidlertid fordelene ved å måle og standardisere kornstørrelsen på råmaterialet når man designer nye deler for å unngå vanlige defekter og optimalisere støpeparametere.
Produsenter av presisjonsmetallstemplingsmaskiner og dyptrekksoperasjoner på metall for å forme delene sine vil samarbeide godt med metallurger på teknisk kvalifiserte presisjonsomvalsere som kan hjelpe dem med å optimalisere materialer ned til kornnivå. Når metallurgiske og ingeniøreksperter på begge sider av forholdet integreres i ett team, kan det ha en transformerende innvirkning og gi mer positive resultater.
STAMPING Journal er det eneste bransjetidsskriftet som er dedikert til å betjene behovene til metallstemplingsmarkedet. Siden 1989 har publikasjonen dekket banebrytende teknologier, bransjetrender, beste praksis og nyheter for å hjelpe stemplingsfagfolk med å drive virksomheten sin mer effektivt.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The FABRICATOR, enkel tilgang til verdifulle bransjeressurser.
Den digitale utgaven av The Tube & Pipe Journal er nå fullt tilgjengelig, og gir enkel tilgang til verdifulle ressurser i bransjen.
Få full tilgang til den digitale utgaven av STAMPING Journal, som gir deg de nyeste teknologiske fremskrittene, beste praksis og bransjenyheter for metallstemplingsmarkedet.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The Fabricator på spansk, enkel tilgang til verdifulle bransjeressurser.