Os benefícios podem ser obtidos ao obter informações sobre uma camada da estrutura granulada que controla o comportamento mecânico do aço inoxidável. Getty Images
A seleção de aço inoxidável e ligas de alumínio geralmente gira em torno de resistência, ductilidade, alongamento e dureza. Essas propriedades indicam como os blocos de construção do metal respondem às cargas aplicadas.ou seja, quanto ele vai dobrar antes de quebrar. A matéria-prima deve ser capaz de suportar o processo de moldagem sem quebrar.
O teste destrutivo de tração e dureza é um método confiável e econômico para determinar as propriedades mecânicas. No entanto, esses testes nem sempre são tão confiáveis ​​quando a espessura da matéria-prima começa a limitar o tamanho da amostra de teste. O teste de tração de produtos de metal plano ainda é útil, mas é possível obter benefícios observando mais profundamente uma camada da estrutura do grão que controla seu comportamento mecânico.
Os metais são constituídos por uma série de cristais microscópicos chamados grãos. Eles são distribuídos aleatoriamente por todo o metal. Átomos de elementos de liga, como ferro, cromo, níquel, manganês, silício, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre em aços inoxidáveis ​​austeníticos, fazem parte de um único grão. Esses átomos formam uma solução sólida de íons metálicos, que são ligados à rede cristalina por meio de seus elétrons compartilhados.
A composição química da liga determina o arranjo termodinamicamente preferido dos átomos nos grãos, conhecido como estrutura cristalina.Porções homogêneas de um metal contendo uma estrutura cristalina repetida formam um ou mais grãos chamados fases.As propriedades mecânicas de uma liga são uma função da estrutura cristalina da liga.O mesmo vale para o tamanho e arranjo dos grãos de cada fase.
A maioria das pessoas está familiarizada com os estágios da água. Quando a água líquida congela, torna-se gelo sólido. No entanto, quando se trata de metais, não há apenas uma fase sólida. Certas famílias de ligas recebem nomes de acordo com suas fases. Entre os aços inoxidáveis, as ligas austeníticas da série 300 consistem principalmente em austenita quando recozidas.
O mesmo vale para as ligas de titânio. O nome de cada grupo de ligas indica sua fase predominante à temperatura ambiente – alfa, beta ou uma mistura de ambas. Existem ligas alfa, quase-alfa, alfa-beta, beta e quase-beta.
Quando o metal líquido se solidifica, as partículas sólidas da fase preferida termodinamicamente irão precipitar onde a pressão, a temperatura e a composição química permitirem. Isso geralmente acontece em interfaces, como cristais de gelo na superfície de um lago quente em um dia frio. tem um arranjo de grade quadrada, mas todos eles serão dispostos em diferentes direções aleatórias. Uma peça de metal totalmente solidificada consiste em uma série de grãos aparentemente orientados aleatoriamente.
Sempre que um grão é formado, existe a possibilidade de defeitos de linha. Esses defeitos são partes ausentes da estrutura do cristal chamadas discordâncias. Esses deslocamentos e seus movimentos subseqüentes ao longo do grão e através dos limites de grão são fundamentais para a ductilidade do metal.
Uma seção transversal da peça de trabalho é montada, retificada, polida e gravada para visualizar a estrutura do grão. Quando uniformes e equiaxiais, as microestruturas observadas em um microscópio óptico parecem um quebra-cabeça. Na realidade, os grãos são tridimensionais e a seção transversal de cada grão varia dependendo da orientação da seção transversal da peça de trabalho.
Quando uma estrutura cristalina é preenchida com todos os seus átomos, não há espaço para movimento além do alongamento das ligações atômicas.
Quando você remove metade de uma fileira de átomos, cria uma oportunidade para que outra fileira de átomos deslize para aquela posição, movendo efetivamente a discordância.
Quando uma força atua em uma liga de metal, o sistema aumenta a energia. Se for adicionada energia suficiente para causar deformação plástica, a rede se deforma e novas discordâncias se formam. Parece lógico que isso deva aumentar a ductilidade, pois libera mais espaço e, assim, cria o potencial para mais movimento de discordância.
À medida que o número e a concentração de deslocamentos aumentam, mais e mais deslocamentos são fixados juntos, reduzindo a ductilidade. Eventualmente, aparecem tantos deslocamentos que a conformação a frio não é mais possível. Uma vez que os deslocamentos de fixação existentes não podem mais se mover, as ligações atômicas na rede se esticam até se romperem ou quebrarem. É por isso que as ligas metálicas endurecem e há um limite para a quantidade de deformação plástica que um metal pode suportar antes de quebrar.
O grão também desempenha um papel importante no recozimento.O recozimento de um material endurecido pelo trabalho redefine essencialmente a microestrutura e, assim, restaura a ductilidade.Durante o processo de recozimento, os grãos são transformados em três etapas:
Imagine uma pessoa andando por um vagão lotado. As multidões só podem ser espremidas deixando espaços entre as fileiras, como deslocamentos em uma treliça. À medida que avançam, as pessoas atrás deles preenchem o vazio que deixaram, enquanto criam um novo espaço à frente. Quando chegam à outra extremidade do vagão, a disposição dos passageiros muda. que aparecem, mais difícil é para eles se moverem ao mesmo tempo.
É importante entender o nível mínimo de deformação necessário para desencadear a recristalização. No entanto, se o metal não tiver energia de deformação suficiente antes de ser aquecido, a recristalização não ocorrerá e os grãos simplesmente continuarão a crescer além de seu tamanho original.
As propriedades mecânicas podem ser ajustadas controlando o crescimento do grão. Um limite de grão é essencialmente uma parede de discordâncias. Eles impedem o movimento.
Se o crescimento do grão for restrito, um número maior de grãos pequenos será produzido. Esses grãos menores são considerados mais finos em termos de estrutura de grão. Mais contornos de grão significam menos movimento de deslocamento e maior resistência.
Se o crescimento do grão não for restrito, a estrutura do grão torna-se mais grosseira, os grãos são maiores, os limites são menores e a resistência é menor.
O tamanho do grão geralmente é referido como um número sem unidade, algo entre 5 e 15. Essa é uma proporção relativa e está relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o número, mais fina a granularidade.
ASTM E112 descreve métodos para medir e avaliar o tamanho do grão. Envolve contar a quantidade de grão em uma determinada área. Isso geralmente é feito cortando uma seção transversal da matéria-prima, moendo e polindo-a e, em seguida, gravando-a com ácido para expor as partículas. A contagem é realizada sob um microscópio e a ampliação permite uma amostragem adequada dos grãos. garantir um desempenho consistente em toda a peça de trabalho.
No caso de encruamento, a resistência e a ductilidade têm uma relação inversa. A relação entre o tamanho de grão ASTM e a resistência tende a ser positiva e forte, geralmente o alongamento é inversamente relacionado ao tamanho de grão ASTM. No entanto, o crescimento excessivo de grão pode fazer com que materiais "macios" não endureçam mais de forma eficaz.
O tamanho do grão geralmente é referido como um número sem unidade, algo entre 5 e 15. Esta é uma proporção relativa e está relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o valor do tamanho do grão ASTM, mais grãos por unidade de área.
O tamanho de grão do material recozido varia com o tempo, a temperatura e a taxa de resfriamento. O recozimento geralmente é realizado entre a temperatura de recristalização e o ponto de fusão da liga. A faixa de temperatura de recozimento recomendada para a liga de aço inoxidável austenítico 301 é entre 1.900 e 2.050 graus Fahrenheit. graus Fahrenheit e derretem em torno de 3.000 graus Fahrenheit.
Durante o recozimento, os processos de recuperação e recristalização competem entre si até que os grãos recristalizados consumam todos os grãos deformados.
Se o material não for mantido na faixa de recozimento adequada por tempo suficiente, a estrutura resultante pode ser uma combinação de grãos antigos e novos. Se forem desejadas propriedades uniformes em todo o metal, o processo de recozimento deve ter como objetivo obter uma estrutura de grão equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos os grãos têm aproximadamente o mesmo tamanho e equiaxial significa que eles têm aproximadamente a mesma forma.
Para obter uma microestrutura uniforme e equiaxial, cada peça de trabalho deve ser exposta à mesma quantidade de calor pela mesma quantidade de tempo e deve resfriar na mesma taxa. Isso nem sempre é fácil ou possível com o recozimento em lote, por isso é importante esperar pelo menos até que toda a peça de trabalho esteja saturada na temperatura apropriada antes de calcular o tempo de imersão. Tempos de imersão mais longos e temperaturas mais altas resultarão em uma estrutura de grão mais grossa/material mais macio e vice-versa.
Se o tamanho do grão e a resistência estão relacionados, e a resistência é conhecida, por que calcular os grãos, certo?Todos os testes destrutivos têm variabilidade.Testes de tração, especialmente em espessuras mais baixas, dependem muito da preparação da amostra.Os resultados de resistência à tração que não representam as propriedades reais do material podem sofrer falha prematura.
Se as propriedades não forem uniformes em toda a peça de trabalho, tirar uma amostra de teste de tração ou amostra de uma borda pode não contar toda a história.A preparação e o teste da amostra também podem ser demorados.Quantos testes são possíveis para um determinado metal e em quantas direções é viável?Avaliar a estrutura do grão é um seguro extra contra surpresas.
Anisotrópico, isotrópico. Anisotropia refere-se à direcionalidade das propriedades mecânicas. Além da resistência, a anisotropia pode ser melhor compreendida examinando a estrutura do grão.
Uma estrutura de grão uniforme e equiaxial deve ser isotrópica, o que significa que tem as mesmas propriedades em todas as direções. A isotropia é especialmente importante em processos de estampagem profunda em que a concentricidade é crítica. Quando a peça bruta é puxada para dentro do molde, o material anisotrópico não flui uniformemente, o que pode levar a um defeito chamado orelha.
O recozimento adequado é fundamental para alcançar a isotropia, mas também é importante entender a extensão da deformação antes do recozimento. À medida que o material se deforma plasticamente, os grãos começam a se deformar. No caso de laminação a frio, convertendo a espessura em comprimento, os grãos se alongarão na direção da laminação. anisotropia. Para materiais de estampagem profunda, às vezes é necessário limitar a quantidade de deformação antes do recozimento final para evitar o desgaste.
casca de laranja.A coleta não é o único defeito de estampagem profunda associado à matriz.A casca de laranja ocorre quando matérias-primas com partículas muito grossas são extraídas.Cada grão se deforma independentemente e em função de sua orientação cristalina.A diferença na deformação entre os grãos adjacentes resulta em uma aparência texturizada semelhante à casca de laranja.A textura é a estrutura granular revelada na superfície da parede do copo.
Assim como os pixels em uma tela de TV, com uma estrutura de granulação fina, a diferença entre cada grão será menos perceptível, aumentando efetivamente a resolução. Especificar as propriedades mecânicas por si só pode não ser suficiente para garantir um tamanho de grão suficientemente fino para evitar o efeito casca de laranja. das xícaras desenhadas.
Para um tamanho de grão ASTM de 8, o diâmetro médio do grão é de 885 µin. Isso significa que qualquer redução de espessura de 0,00885 polegadas ou menos pode ser afetada por esse efeito de microformação.
Embora os grãos grossos possam causar problemas de estampagem profunda, eles às vezes são recomendados para impressão. A estampagem é um processo de deformação no qual uma peça bruta é comprimida para fornecer uma topografia de superfície desejada, como um quarto dos contornos faciais de George Washington. Ao contrário da trefilação, a estampagem geralmente não envolve muito fluxo de material a granel, mas requer muita força, o que pode apenas deformar a superfície da peça bruta.
Por esse motivo, minimizar a tensão de fluxo superficial usando uma estrutura granulada mais grosseira pode ajudar a aliviar as forças necessárias para o preenchimento adequado do molde. Isso é especialmente verdadeiro no caso de impressão em matriz livre, em que deslocamentos nos grãos superficiais podem fluir livremente em vez de se acumularem nos contornos dos grãos.
As tendências discutidas aqui são generalizações que podem não se aplicar a seções específicas. No entanto, elas destacaram os benefícios de medir e padronizar o tamanho das partículas da matéria-prima ao projetar novas peças para evitar armadilhas comuns e otimizar os parâmetros de moldagem.
Fabricantes de máquinas de estampagem de metal de precisão e operações de estampagem profunda em metal para formar suas peças trabalharão bem com metalúrgicos em relaminadores de precisão tecnicamente qualificados que podem ajudá-los a otimizar os materiais até o nível do grão.
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