Fordeler kan oppnås ved å få innsikt i ett lag av kornstrukturen som kontrollerer den mekaniske oppførselen til rustfritt stål.Getty Images
Valget av rustfritt stål og aluminiumslegeringer er generelt sentrert rundt 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;dvs. hvor mye det vil bøye seg før det går i stykker. Råmaterialet må tåle støpeprosessen uten å gå i stykker.
Destruktiv strekk- og hardhetstesting er en pålitelig, 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 dens mekaniske oppførsel.
Metaller består av en serie mikroskopiske krystaller som kalles korn. De er tilfeldig fordelt gjennom metallet. Atomer av legeringselementer, slik som jern, krom, nikkel, mangan, silisium, karbon, nitrogen, fosfor og svovel i austenittiske rustfrie stål, er en del av løsningen av et enkelt atom-metall som er en del av løsningen av et enkelt atom korn. gitter gjennom deres delte elektroner.
Den kjemiske sammensetningen av legeringen bestemmer det termodynamisk foretrukne arrangementet av atomer i kornene, kjent som krystallstrukturen. Homogene deler av et metall som inneholder en repeterende krystallstruktur danner ett eller flere korn som kalles faser. De mekaniske egenskapene til en legering er en funksjon av krystallstrukturen i legeringen. Det samme gjelder størrelsen og arrangementet av kornene.
De fleste kjenner til stadiene av vann. Når flytende vann fryser, blir det fast is. Men når det gjelder metaller, er det ikke bare én fast fase. Enkelte legeringsfamilier er oppkalt etter sine faser. Blant rustfrie stål består austenittiske 300-serielegeringer primært av austenitt når de er glødet i 300 serier, 400 ferritfrie. stål eller martensitt i 410 og 420 rustfrie stållegeringer.
Det samme gjelder titanlegeringer. Navnet på hver legeringsgruppe indikerer deres dominerende fase ved romtemperatur – alfa, beta eller en blanding av begge. Det er 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 grensesnitt, som iskrystaller på overflaten av en varm dam på en kald dag. Når korn danner kjerne, vokser krystallstrukturen i én retning inntil et annet korn blir påtruffet ved forskjellig orientasjonsform mellom korn og korn. rystalstrukturer.Tenk deg å legge en haug med Rubiks terninger av forskjellige størrelser i en boks.Hver kube har et firkantet rutenettarrangement, men de vil alle være ordnet i forskjellige tilfeldige retninger.Et fullt størknet metallarbeidsstykke består av en serie tilsynelatende tilfeldig orienterte korn.
Hver gang et korn dannes, er det en mulighet for linjedefekter. Disse defektene mangler deler av krystallstrukturen som kalles dislokasjoner. Disse dislokasjonene og deres påfølgende bevegelse gjennom kornet og over korngrensene er grunnleggende for metalls duktilitet.
Et tverrsnitt av arbeidsstykket er montert, slipt, polert og etset for å se kornstrukturen.Når de er jevne og likeaksede, ser mikrostrukturene observert på et optisk mikroskop litt ut som et puslespill. I virkeligheten er kornene tredimensjonale, og tverrsnittet til hvert korn vil variere avhengig av arbeidsstykkets tverrsnitt.
Når en krystallstruktur er fylt med alle sine atomer, 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 en annen rad med atomer til å gli inn i den posisjonen, og effektivt flytte dislokasjonen. Når en kraft påføres arbeidsstykket, gjør den aggregerte bevegelsen av dislokasjoner i mikrostrukturen det i stand til å bøye, strekke eller komprimere uten å knekke eller brekke.
Når en kraft virker på en metallegering, øker systemet energien. Hvis det tilføres nok energi til å forårsake plastisk deformasjon, deformeres gitteret og nye dislokasjoner dannes. Det virker logisk at dette skal øke duktiliteten, da det frigjør mer plass og dermed skaper potensial for mer dislokasjonsbevegelse. Når dislokasjoner kolliderer, kan de imidlertid fikse hverandre.
Etter hvert som antallet og konsentrasjonen av dislokasjoner øker, festes flere og flere dislokasjoner sammen, noe som reduserer duktiliteten. Etter hvert ser det ut til at så mange dislokasjoner at kaldforming ikke lenger er mulig. Siden eksisterende pinning-dislokasjoner ikke lenger kan bevege seg, strekker atombindingene i gitteret seg til de bryter eller bryter. Dette er grunnen til at metallegeringer herdes til en begrenset mengde plastisk deformasjon, og hvorfor det er en mengde plastisk deformasjon.
Korn spiller også en viktig rolle i gløding. Gløding av et arbeidsherdet materiale tilbakestiller i hovedsak mikrostrukturen og gjenoppretter dermed duktiliteten. Under glødingsprosessen transformeres kornene i tre trinn:
Se for deg en person som går gjennom en overfylt togvogn. Folkemengder kan bare presses ved å etterlate hull mellom radene, som forskyvninger i et gitter. Etter hvert som de gikk, fylte menneskene bak dem tomrommet de etterlot seg, mens de skapte ny plass foran. Når de når den andre enden av vognen, endres passasjeranordningen. treffer veggene i togvognene og fester alle på plass. Jo flere forskyvninger som vises, jo vanskeligere er det for dem å bevege seg samtidig.
Det er viktig å forstå minimumsnivået av deformasjon som kreves for å utløse rekrystallisering. Men hvis metallet ikke har nok deformasjonsenergi før det varmes opp, vil ikke rekrystallisering skje, 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 dislokasjoner. De hindrer bevegelse.
Hvis kornveksten begrenses, vil et høyere 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 gjennomsnittlig korndiameter. 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 forstørrelse av ASTM-størrelsen. 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.
Når det gjelder arbeidsherding, 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 "dødmyke" materialer ikke lenger herder 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 gjennomsnittlig korndiameter. Jo høyere ASTM-kornstørrelsesverdi, jo flere korn per arealenhet.
Kornstørrelsen på det glødede materialet varierer med tid, temperatur og kjølehastighet. Gløding utføres vanligvis mellom omkrystalliseringstemperaturen og smeltepunktet til legeringen. Det anbefalte temperaturområdet for glødetemperatur for austenittisk rustfritt stållegering 301 er mellom 1900 og 2050 grader Fahrenheit. Det vil begynne å smelte rundt 50 grader i kommersielle omgivelser. skal glødes ved 1292 grader Fahrenheit og smelte rundt 3000 grader Fahrenheit.
Under gløding konkurrerer gjenvinnings- og rekrystalliseringsprosessene med hverandre inntil de rekrystalliserte kornene forbruker alle deformerte kornene. Rekrystalliseringshastigheten varierer med temperaturen. Når rekrystalliseringen er fullført, tar kornveksten over. Et arbeidsstykke av 301 rustfritt stål glødet ved 1900°F i en time vil ha en finere kornstruktur enn ved 0°F. 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 ønskes jevne egenskaper gjennom hele metallet, bør glødeprosessen ta sikte på å oppnå en jevn likeakset kornstruktur. Ensartet betyr at alle korn er omtrent like store, og likeaksede betyr at de har omtrent samme form.
For å oppnå en ensartet og likeakset mikrostruktur, bør hvert arbeidsstykke utsettes for samme mengde varme i like lang tid og avkjøles med samme hastighet. Dette er ikke alltid lett eller mulig med batch-gløding, så det er viktig å i det minste vente til hele arbeidsstykket er mettet ved riktig temperatur før man beregner bløtleggingstiden. Lengre bløtleggingstider i og høyere temperaturer vil resultere i enda høyere temperatur og mye mykere materiale.
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. Strekkstyrkeresultater som ikke representerer faktiske materialegenskaper kan oppleve for tidlig svikt.
Hvis egenskapene ikke er ensartede gjennom hele arbeidsstykket, kan det å ta en strekkprøve eller prøve fra den ene kanten ikke fortelle hele historien. Prøveforberedelse og testing kan også være tidkrevende. Hvor mange tester er mulig for et gitt metall, og i hvor mange retninger er det mulig? Evaluering av kornstrukturen er en ekstra forsikring mot overraskelser.
Anisotropisk, isotropisk.Anisotropi refererer til retningsevnen til mekaniske egenskaper.I tillegg til styrke kan anisotropi forstås bedre ved å undersøke kornstrukturen.
En ensartet og likeakset kornstruktur bør være isotropisk, noe som betyr at den har de samme egenskapene i alle retninger.Isotropi er spesielt viktig i dyptrekkingsprosesser hvor konsentrisitet er kritisk. Når emnet trekkes inn i formen, vil det anisotrope materialet ikke flyte jevnt, noe som kan føre til en defekt som kalles ørering. inhomogeniteter i arbeidsstykket og bidra til å diagnostisere grunnårsaken.
Riktig gløding er avgjørende for å oppnå isotropi, men det er også viktig å forstå omfanget av deformasjon før gløding. Ettersom materialet deformeres plastisk, begynner kornene å deformeres. Ved kaldvalsing, som konverterer tykkelse til lengde, vil kornene forlenges i rulleretningen. Ettersom kornstørrelsesforholdet endres, endrer det seg også den mekaniske egenskapen til den mekaniske delen. noe orientering kan 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. Å plukke opp er ikke den eneste dyptrekkingsfeilen forbundet med dyse. Appelsinhud oppstår når råmaterialer med for grove partikler trekkes. Hvert korn deformeres uavhengig og som en funksjon av dets krystallorientering. Forskjellen i deformasjon mellom tilstøtende korn resulterer i et teksturert utseende som ligner på strukturen på appelsinskallet på veggens grantformede overflate.
Akkurat som pikslene på en TV-skjerm, med en finkornet struktur, vil forskjellen mellom hvert korn være mindre merkbar, noe som effektivt øker oppløsningen. Spesifisering av mekaniske egenskaper alene er kanskje ikke tilstrekkelig til å sikre en tilstrekkelig fin kornstørrelse til å forhindre appelsinskall-effekten. Når dimensjonsvariasjonen til arbeidsstykket er mindre enn 10 ganger korndiameteren, vil egenskapene til de individuelle kornstørrelsene reflektere de spesifikke kornstørrelsene, men det vil ikke reflektere de spesifikke kornstørrelsene. og orientering av hvert korn. Dette kan sees fra appelsinskalleffekten på veggene til de tegnede koppene.
For en ASTM-kornstørrelse på 8 er gjennomsnittlig korndiameter 885 µin. Dette betyr at enhver tykkelsesreduksjon på 0,00885 tommer eller mindre kan påvirkes av denne mikroformingseffekten.
Selv om grove korn kan forårsake dyptrekkingsproblemer, anbefales de noen ganger for trykking. 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 trådtegning involverer stempling vanligvis ikke mye flyt av bulkmateriale, men som kan kreve mye kraft av emnet.
Av denne grunn kan minimering av overflatestrømningsspenning ved å bruke en grovere kornstruktur bidra til å lindre kreftene som kreves for riktig formfylling. Dette gjelder spesielt for fri-die-preging, der dislokasjoner på overflatekorn kan flyte fritt, i stedet for å samle seg ved korngrensene.
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 presisjonsmetallstansemaskiner og dyptrekkingsoperasjoner på metall for å forme delene deres, vil samarbeide godt med metallurger på teknisk kvalifiserte presisjonsvalser som kan hjelpe dem med å optimalisere materialer ned til kornnivå. Når metallurgiske og tekniske eksperter på begge sider av forholdet integreres i ett team, kan det ha en positiv effekt og produsere mer.
STAMPING Journal er det eneste bransjetidsskriftet som er dedikert til å imøtekomme behovene til metallstemplingsmarkedet. Siden 1989 har publikasjonen dekket banebrytende teknologier, bransjetrender, beste praksis og nyheter for å hjelpe fagfolk innen stempling med å drive virksomheten sin mer effektivt.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The FABRICATOR, enkel tilgang til verdifulle industriressurser.
Den digitale utgaven av The Tube & Pipe Journal er nå fullt tilgjengelig, og gir enkel tilgang til verdifulle industriressurser.
Nyt full tilgang til den digitale utgaven av STAMPING Journal, som gir de siste teknologiske fremskritt, beste praksis og bransjenyheter for metallstemplingsmarkedet.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The Fabricator en Español, enkel tilgang til verdifulle industriressurser.