Korzyści można uzyskać, uzyskując wgląd w jedną warstwę struktury ziarna, która kontroluje mechaniczne zachowanie stali nierdzewnej.Getty Images
Wybór stali nierdzewnej i stopów aluminium generalnie koncentruje się wokół wytrzymałości, plastyczności, wydłużenia i twardości. Właściwości te wskazują, w jaki sposób bloki budulcowe metalu reagują na przyłożone obciążenia. Są skutecznym wskaźnikiem zarządzania ograniczeniami surowcowymi;to znaczy, jak bardzo ugnie się przed pęknięciem. Surowiec musi być w stanie wytrzymać proces formowania bez pękania.
Niszczące testy wytrzymałości na rozciąganie i twardości to niezawodna, opłacalna metoda określania właściwości mechanicznych. Jednak testy te nie zawsze są tak wiarygodne, gdy grubość surowca zaczyna ograniczać rozmiar badanej próbki. Testy rozciągania płaskich produktów metalowych są oczywiście nadal przydatne, ale można uzyskać korzyści, dokładniej przyglądając się jednej warstwie struktury ziarnistej, która kontroluje ich mechaniczne zachowanie.
Metale składają się z szeregu mikroskopijnych kryształów zwanych ziarnami. Są one losowo rozmieszczone w całym metalu. Atomy pierwiastków stopowych, takich jak żelazo, chrom, nikiel, mangan, krzem, węgiel, azot, fosfor i siarka w austenitycznych stalach nierdzewnych, są częścią pojedynczego ziarna. Atomy te tworzą stały roztwór jonów metali, które są związane z siecią krystaliczną poprzez wspólne elektrony.
Skład chemiczny stopu określa preferowany termodynamicznie układ atomów w ziarnach, znany jako struktura krystaliczna. Jednorodne części metalu zawierające powtarzającą się strukturę krystaliczną tworzą jedno lub więcej ziaren zwanych fazami. Właściwości mechaniczne stopu są funkcją struktury krystalicznej stopu. To samo dotyczy wielkości i rozmieszczenia ziaren każdej fazy.
Większość ludzi zna fazy wody. Gdy woda w stanie ciekłym zamarza, zamienia się w stały lód. Jednak w przypadku metali nie ma tylko jednej fazy stałej. Nazwy niektórych rodzin stopów pochodzą od ich faz. Wśród stali nierdzewnych austenityczne stopy serii 300 składają się głównie z austenitu po wyżarzeniu. Jednak stopy serii 400 składają się z ferrytu w stali nierdzewnej 430 lub martenzytu w stopach stali nierdzewnej 410 i 420 .
To samo dotyczy stopów tytanu. Nazwa każdej grupy stopów wskazuje ich dominującą fazę w temperaturze pokojowej – alfa, beta lub mieszaninę obu. Istnieją stopy alfa, prawie alfa, alfa-beta, beta i prawie beta.
Kiedy ciekły metal krzepnie, cząstki stałe preferowanej termodynamicznie fazy wytrącają się tam, gdzie pozwalają na to ciśnienie, temperatura i skład chemiczny. Zwykle dzieje się to na powierzchniach międzyfazowych, na przykład kryształki lodu na powierzchni ciepłego stawu w zimny dzień. Kiedy ziarna zarodkują, struktura kryształu rośnie w jednym kierunku, aż napotka kolejne ziarno. Granice ziaren tworzą się na przecięciach niedopasowanych sieci ze względu na różne orientacje struktur krystalicznych. Wyobraź sobie, że wkładasz do pudełka kilka kostek Rubika o różnych rozmiarach .Każdy sześcian ma kwadratową siatkę, ale wszystkie będą ułożone w różnych przypadkowych kierunkach. W pełni zestalony metalowy przedmiot składa się z szeregu pozornie przypadkowo ułożonych ziaren.
Za każdym razem, gdy tworzy się ziarno, istnieje możliwość defektów liniowych. Defekty te to brakujące części struktury krystalicznej zwane dyslokacjami. Te dyslokacje i ich późniejszy ruch w obrębie ziarna i poza granicami ziaren mają fundamentalne znaczenie dla ciągliwości metalu.
Przekrój przedmiotu obrabianego jest mocowany, szlifowany, polerowany i trawiony, aby zobaczyć strukturę ziaren. Gdy są jednorodne i równoosiowe, mikrostruktury obserwowane pod mikroskopem optycznym wyglądają trochę jak puzzle. W rzeczywistości ziarna są trójwymiarowe, a przekrój każdego ziarna będzie się różnić w zależności od orientacji przekroju przedmiotu obrabianego.
Kiedy struktura krystaliczna jest wypełniona wszystkimi jej atomami, nie ma miejsca na inny ruch niż rozciąganie wiązań atomowych.
Kiedy usuniesz połowę rzędu atomów, stwarzasz okazję, aby kolejny rząd atomów wsunął się w to miejsce, skutecznie przesuwając dyslokację. Gdy na przedmiot obrabiany zostanie przyłożona siła, zagregowany ruch dyslokacji w mikrostrukturze umożliwia mu zginanie, rozciąganie lub ściskanie bez pękania lub łamania.
Kiedy siła działa na stop metalu, system zwiększa energię. Jeśli energia jest dostarczona wystarczająco dużo, aby spowodować odkształcenie plastyczne, sieć odkształca się i tworzą się nowe dyslokacje. Wydaje się logiczne, że powinno to zwiększyć plastyczność, ponieważ uwalnia więcej miejsca, a tym samym stwarza potencjał do większego ruchu dyslokacji. Jednak gdy dyslokacje zderzają się, mogą się one naprawić.
Wraz ze wzrostem liczby i koncentracji dyslokacji coraz więcej dyslokacji jest spiętych ze sobą, co zmniejsza plastyczność. W końcu pojawia się tak wiele dyslokacji, że formowanie na zimno nie jest już możliwe. Ponieważ istniejące dyslokacje spinające nie mogą się już poruszać, wiązania atomowe w sieci rozciągają się, aż pękną lub pękną. To dlatego stopy metali twardnieją i dlatego istnieją ograniczenia co do wielkości odkształcenia plastycznego, jakie metal może wytrzymać przed pęknięciem.
Ziarno również odgrywa ważną rolę w wyżarzaniu. Wyżarzanie utwardzonego materiału zasadniczo resetuje mikrostrukturę, a tym samym przywraca plastyczność. Podczas procesu wyżarzania ziarna są przekształcane w trzech etapach:
Wyobraź sobie osobę idącą przez zatłoczony wagon kolejowy. Tłum można przecisnąć tylko przez pozostawienie szczelin między rzędami, przypominających dyslokacje w siatce. W miarę postępów ludzie za nimi wypełniali pozostawioną przez siebie pustkę, jednocześnie tworząc nową przestrzeń z przodu. Gdy dotrą do drugiego końca wagonu, rozmieszczenie pasażerów się zmienia. pojawiających się zwichnięć, tym trudniej jest im się jednocześnie poruszać.
Ważne jest, aby zrozumieć minimalny poziom odkształcenia wymagany do wywołania rekrystalizacji. Jeśli jednak metal nie ma wystarczającej energii odkształcenia przed podgrzaniem, rekrystalizacja nie nastąpi, a ziarna po prostu będą nadal rosnąć poza swój pierwotny rozmiar.
Właściwości mechaniczne można regulować, kontrolując wzrost ziaren. Granica ziaren jest zasadniczo ścianą dyslokacji. Utrudniają one ruch.
Jeśli wzrost ziaren jest ograniczony, powstaje większa liczba małych ziaren. Te mniejsze ziarna są uważane za drobniejsze pod względem struktury ziaren. Więcej granic ziaren oznacza mniejszy ruch dyslokacji i większą wytrzymałość.
Jeśli wzrost ziarna nie jest ograniczony, struktura ziarna staje się grubsza, ziarna są większe, granice są mniejsze, a wytrzymałość jest mniejsza.
Wielkość ziarna jest często określana jako liczba bez jednostek, gdzieś pomiędzy 5 a 15. Jest to stosunek względny i odnosi się do średniej średnicy ziarna. Im wyższa liczba, tym drobniejsza ziarnistość.
ASTM E112 określa metody pomiaru i oceny wielkości ziaren. Polega ona na zliczeniu ilości ziaren na danym obszarze. Zwykle wykonuje się to poprzez wycięcie przekroju poprzecznego surowca, zmielenie go i polerowanie, a następnie wytrawienie kwasem w celu odsłonięcia cząstek. Zliczanie przeprowadza się pod mikroskopem, a powiększenie pozwala na odpowiednie pobranie próbek ziaren. Przypisanie liczb według ASTM wskazuje na rozsądny poziom jednorodności kształtu i średnicy ziaren. rozmiar do dwóch lub trzech punktów, aby zapewnić stałą wydajność w całym elemencie obrabianym.
W przypadku utwardzania przez zgniot, wytrzymałość i plastyczność mają odwrotną zależność. Zależność między wielkością ziarna ASTM a wytrzymałością jest dodatnia i silna, generalnie wydłużenie jest odwrotnie proporcjonalne do wielkości ziarna ASTM. Jednak nadmierny rozrost ziarna może spowodować, że „martwie miękkie” materiały przestaną skutecznie twardnieć.
Rozmiar ziarna jest często określany jako liczba bez jednostek, gdzieś pomiędzy 5 a 15. Jest to stosunek względny i jest związany ze średnią średnicą ziarna. Im wyższa wartość rozmiaru ziarna ASTM, tym więcej ziaren na jednostkę powierzchni.
Wielkość ziarna wyżarzonego materiału zmienia się w zależności od czasu, temperatury i szybkości chłodzenia. Wyżarzanie jest zwykle przeprowadzane między temperaturą rekrystalizacji a temperaturą topnienia stopu. Zalecany zakres temperatur wyżarzania dla austenitycznej stali nierdzewnej ze stopu 301 wynosi od 1900 do 2050 stopni Fahrenheita. Zacznie topnieć około 2550 stopni Fahrenheita. 292 stopnie Fahrenheita i stopić około 3000 stopni Fahrenheita.
Podczas wyżarzania procesy odzyskiwania i rekrystalizacji konkurują ze sobą, aż rekrystalizowane ziarna zużyją wszystkie zdeformowane ziarna. Szybkość rekrystalizacji zmienia się w zależności od temperatury. Po zakończeniu rekrystalizacji następuje wzrost ziarna. Przedmiot obrabiany ze stali nierdzewnej 301 wyżarzany w temperaturze 1900°F przez jedną godzinę będzie miał drobniejszą strukturę ziarna niż ten sam przedmiot wyżarzany w temperaturze 2000°F przez ten sam czas.
Jeśli materiał nie jest utrzymywany w odpowiednim zakresie wyżarzania wystarczająco długo, uzyskana struktura może być kombinacją starych i nowych ziaren. Jeśli pożądane są jednolite właściwości całego metalu, proces wyżarzania powinien dążyć do uzyskania jednorodnej równoosiowej struktury ziaren. Jednolity oznacza, że ​​wszystkie ziarna mają w przybliżeniu ten sam rozmiar, a równoosiowy oznacza, że ​​mają w przybliżeniu ten sam kształt.
Aby uzyskać jednorodną i równoosiową mikrostrukturę, każdy przedmiot obrabiany powinien być wystawiony na działanie takiej samej ilości ciepła przez taki sam czas i powinien stygnąć z tą samą szybkością. Nie zawsze jest to łatwe ani możliwe w przypadku wyżarzania okresowego, dlatego ważne jest, aby przynajmniej poczekać, aż cały przedmiot zostanie nasycony w odpowiedniej temperaturze przed obliczeniem czasu wygrzewania. Dłuższe czasy wygrzewania i wyższe temperatury spowodują uzyskanie bardziej gruboziarnistej struktury/bardziej miękkiego materiału i odwrotnie.
Jeśli rozmiar ziarna i wytrzymałość są powiązane, a wytrzymałość jest znana, po co obliczać ziarna, prawda? Wszystkie testy niszczące charakteryzują się zmiennością. Próby rozciągania, zwłaszcza przy mniejszych grubościach, w dużej mierze zależą od przygotowania próbki. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie, które nie odzwierciedlają rzeczywistych właściwości materiału, mogą ulec przedwczesnemu uszkodzeniu.
Jeśli właściwości nie są jednolite w całym elemencie obrabianym, pobranie próbki do próby rozciągania lub próbki z jednej krawędzi może nie dać pełnego obrazu. Przygotowanie próbki i testowanie może być również czasochłonne. Ile testów jest możliwych dla danego metalu iw ilu kierunkach? Ocena struktury ziarna jest dodatkowym zabezpieczeniem przed niespodziankami.
Anizotropowy, izotropowy. Anizotropia odnosi się do kierunkowości właściwości mechanicznych. Oprócz wytrzymałości anizotropię można lepiej zrozumieć, badając strukturę ziarna.
Jednolita i równoosiowa struktura ziaren powinna być izotropowa, co oznacza, że ​​ma takie same właściwości we wszystkich kierunkach. Izotropia jest szczególnie ważna w procesach głębokiego tłoczenia, w których koncentryczność ma kluczowe znaczenie. Gdy półfabrykat jest wciągany do formy, materiał anizotropowy nie będzie płynął równomiernie, co może prowadzić do defektu zwanego kolczykiem. Kolczyk pojawia się, gdy górna część kubka tworzy pofalowaną sylwetkę. Badanie struktury ziarna może ujawnić położenie niejednorodności w przedmiocie obrabianym i pomóc zdiagnozować pierwotną przyczynę.
Właściwe wyżarzanie ma kluczowe znaczenie dla uzyskania izotropii, ale ważne jest również, aby zrozumieć zakres odkształcenia przed wyżarzaniem. Gdy materiał odkształca się plastycznie, ziarna zaczynają się odkształcać. W przypadku walcowania na zimno, przeliczając grubość na długość, ziarna wydłużają się w kierunku walcowania. Wraz ze zmianą proporcji ziaren zmienia się izotropia i ogólne właściwości mechaniczne. wyżarzanie. Powoduje to anizotropię. W przypadku głęboko tłoczonych materiałów czasami konieczne jest ograniczenie wielkości odkształcenia przed końcowym wyżarzaniem, aby uniknąć zużycia.
skórka pomarańczowa. Podnoszenie nie jest jedyną wadą głębokiego tłoczenia związaną z matrycą. Skórka pomarańczowa występuje, gdy wyciągane są surowce o zbyt grubych cząsteczkach. Każde ziarno odkształca się niezależnie i jako funkcja jego orientacji kryształów. Różnica w odkształceniu między sąsiednimi ziarnami daje teksturowany wygląd podobny do skórki pomarańczowej. Tekstura to ziarnista struktura widoczna na powierzchni ścianki kubka.
Podobnie jak w przypadku pikseli na ekranie telewizora, w przypadku drobnoziarnistej struktury różnica między każdym ziarnem będzie mniej zauważalna, skutecznie zwiększając rozdzielczość. Samo określenie właściwości mechanicznych może nie wystarczyć do zapewnienia wystarczająco drobnego rozmiaru ziarna, aby zapobiec efektowi skórki pomarańczowej. Gdy zmiana rozmiaru przedmiotu obrabianego jest mniejsza niż 10-krotność średnicy ziarna, właściwości poszczególnych ziaren będą miały wpływ na zachowanie podczas formowania. Nie odkształca się jednakowo na wielu ziarnach, ale odzwierciedla określoną wielkość i orientację każdego ziarna. ścianki narysowanych kubków.
W przypadku wielkości ziarna ASTM 8 średnia średnica ziarna wynosi 885 µin. Oznacza to, że efekt mikroformowania może mieć wpływ na zmniejszenie grubości o 0,00885 cala lub mniej.
Chociaż grube ziarna mogą powodować problemy z głębokim tłoczeniem, czasami zaleca się je do odciskania. Stemplowanie to proces odkształcania, w którym półfabrykat jest ściskany w celu nadania pożądanej topografii powierzchni, takiej jak jedna czwarta konturów twarzy George'a Washingtona. W przeciwieństwie do ciągnienia drutu, tłoczenie zwykle nie wiąże się z dużym przepływem materiału sypkiego, ale wymaga dużej siły, która może po prostu zdeformować powierzchnię półwyrobu.
Z tego powodu minimalizacja naprężeń płynięcia powierzchniowego poprzez zastosowanie grubszej struktury ziarna może pomóc złagodzić siły wymagane do prawidłowego wypełnienia formy. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku imprintingu swobodnego, w którym dyslokacje na ziarnach powierzchniowych mogą swobodnie przepływać, a nie gromadzić się na granicach ziaren.
Omówione tutaj trendy to uogólnienia, które mogą nie mieć zastosowania do określonych sekcji. Zwrócono jednak uwagę na korzyści płynące z pomiaru i standaryzacji wielkości cząstek surowca podczas projektowania nowych części, aby uniknąć typowych pułapek i zoptymalizować parametry formowania.
Producenci precyzyjnych maszyn do tłoczenia metali i operacji głębokiego tłoczenia na metalu w celu uformowania ich części będą dobrze współpracować z metalurgami w zakresie technicznie wykwalifikowanych precyzyjnych rolek, które pomogą im zoptymalizować materiały do ​​poziomu ziarna. Kiedy eksperci metalurgiczni i inżynierowie po obu stronach relacji zostaną zintegrowani w jeden zespół, może to mieć wpływ na transformację i przynieść więcej pozytywnych wyników.
STAMPING Journal to jedyne czasopismo branżowe poświęcone potrzebom rynku tłoczenia metali. Od 1989 roku publikacja obejmuje najnowocześniejsze technologie, trendy branżowe, najlepsze praktyki i aktualności, aby pomóc profesjonalistom zajmującym się tłoczeniem w bardziej efektywnym prowadzeniu działalności.
Teraz z pełnym dostępem do cyfrowej edycji The FABRICATOR, łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie The Tube & Pipe Journal jest teraz w pełni dostępne, zapewniając łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Ciesz się pełnym dostępem do cyfrowej edycji STAMPING Journal, która zawiera najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i nowości branżowe na rynku tłoczenia metali.
Teraz z pełnym dostępem do cyfrowej edycji The Fabricator en Español, łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.