Преимущества можно получить, получив представление об одном слое структуры зерна, который контролирует механическое поведение нержавеющей стали.Getty Images
Выбор нержавеющей стали и алюминиевых сплавов обычно основывается на прочности, пластичности, удлинении и твердости. Эти свойства показывают, как строительные блоки металла реагируют на приложенные нагрузки. Они являются эффективным индикатором управления ограничениями сырья;то есть, насколько он будет сгибаться, прежде чем сломаться. Сырье должно выдерживать процесс формования, не ломаясь.
Разрушающие испытания на растяжение и твердость являются надежным и экономичным методом определения механических свойств. Однако эти испытания не всегда столь же надежны, как только толщина исходного материала начинает ограничивать размер испытуемого образца. Испытания на растяжение плоских металлических изделий, конечно, по-прежнему полезны, но преимущества могут быть получены путем более глубокого изучения одного слоя зернистой структуры, который контролирует его механическое поведение.
Металлы состоят из серии микроскопических кристаллов, называемых зернами. Они беспорядочно распределены по всему металлу. Атомы легирующих элементов, таких как железо, хром, никель, марганец, кремний, углерод, азот, фосфор и сера в аустенитных нержавеющих сталях, являются частью единого зерна. Эти атомы образуют твердый раствор ионов металлов, которые связаны в кристаллической решетке через свои общие электроны.
Химический состав сплава определяет термодинамически предпочтительное расположение атомов в зернах, известное как кристаллическая структура. Однородные части металла, содержащие повторяющуюся кристаллическую структуру, образуют одно или несколько зерен, называемых фазами. Механические свойства сплава зависят от кристаллической структуры в сплаве. То же самое касается размера и расположения зерен каждой фазы.
Большинство людей знакомы со стадиями воды. Когда жидкая вода замерзает, она становится твердым льдом. Однако когда речь идет о металлах, существует не одна твердая фаза. Некоторые семейства сплавов названы в честь их фаз. Среди нержавеющих сталей аустенитные сплавы серии 300 состоят в основном из аустенита при отжиге. Однако сплавы серии 400 состоят из феррита в нержавеющей стали 430 или мартенсита в нержавеющей стали 410 и 420 сплавы.
То же самое относится и к титановым сплавам. Название каждой группы сплавов указывает на их преобладающую фазу при комнатной температуре — альфа, бета или их смесь.
Когда жидкий металл затвердевает, твердые частицы термодинамически предпочтительной фазы выпадают в осадок там, где это позволяют давление, температура и химический состав. Обычно это происходит на границах раздела, как кристаллы льда на поверхности теплого пруда в холодный день. Когда зерна зарождаются, кристаллическая структура растет в одном направлении, пока не встретится другое зерно. квадратная сетка, но все они будут расположены в разных случайных направлениях. Полностью затвердевшая металлическая заготовка состоит из ряда, казалось бы, случайно ориентированных зерен.
В любое время, когда формируется зерно, возможны линейные дефекты. Эти дефекты представляют собой отсутствующие части кристаллической структуры, называемые дислокациями. Эти дислокации и их последующее перемещение по зерну и через границы зерен имеют основополагающее значение для пластичности металла.
Поперечное сечение заготовки устанавливается, шлифуется, полируется и травится, чтобы увидеть структуру зерна. Когда однородные и равноосные микроструктуры, наблюдаемые в оптический микроскоп, немного напоминают мозаику. В действительности зерна трехмерны, и поперечное сечение каждого зерна будет варьироваться в зависимости от ориентации поперечного сечения заготовки.
Когда кристаллическая структура заполнена всеми ее атомами, нет места для движения, кроме растяжения атомных связей.
Когда вы удаляете половину ряда атомов, вы создаете возможность для другого ряда атомов проскользнуть в это положение, эффективно перемещая дислокацию. Когда к заготовке прилагается сила, совокупное движение дислокаций в микроструктуре позволяет ей изгибаться, растягиваться или сжиматься без разрыва или поломки.
Когда сила действует на металлический сплав, система увеличивает энергию. Если добавить достаточно энергии, чтобы вызвать пластическую деформацию, решетка деформируется и образуются новые дислокации. Кажется логичным, что это должно увеличить пластичность, поскольку освобождается больше места и, таким образом, создается потенциал для большего движения дислокаций. Однако, когда дислокации сталкиваются, они могут фиксировать друг друга.
По мере увеличения числа и концентрации дислокаций все больше и больше дислокаций связываются вместе, что снижает пластичность. В конце концов появляется так много дислокаций, что холодное формование становится невозможным. Поскольку существующие связывающие дислокации больше не могут двигаться, атомные связи в решетке растягиваются до тех пор, пока они не разорвутся или не разорвутся.
Зерно также играет важную роль при отжиге. Отжиг нагартованного материала существенно восстанавливает микроструктуру и, таким образом, восстанавливает пластичность. В процессе отжига зерна трансформируются в три этапа:
Представьте себе человека, идущего в переполненном вагоне поезда. Сжать толпу можно, только оставив промежутки между рядами, как дислокации в решетке. По мере продвижения люди позади них заполнили оставленную ими пустоту, в то время как они создали новое пространство впереди. Как только они достигают другого конца вагона, расположение пассажиров меняется. появляются, тем труднее им двигаться одновременно.
Важно понимать минимальный уровень деформации, необходимый для запуска рекристаллизации. Однако, если металлу не хватает энергии деформации перед нагревом, рекристаллизации не произойдет, и зерна просто продолжат расти за пределы своего первоначального размера.
Механические свойства можно регулировать, контролируя рост зерна. Граница зерна, по сути, представляет собой стену дислокаций. Они препятствуют движению.
Если рост зерна ограничен, будет произведено большее количество мелких зерен. Эти более мелкие зерна считаются более мелкими с точки зрения зернистой структуры. Больше границ зерен означает меньшее движение дислокаций и более высокую прочность.
Если рост зерен не ограничен, то зернистая структура становится грубее, зерна крупнее, границы меньше, а прочность ниже.
Размер зерна часто называют безразмерным числом, где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше число, тем мельче зернистость.
ASTM E112 описывает методы измерения и оценки размера зерен. Он включает подсчет количества зерен в заданной области. Обычно это делается путем разрезания исходного материала в поперечном сечении, его шлифовки и полировки, а затем травления кислотой, чтобы обнажить частицы. три точки для обеспечения стабильной производительности по всей заготовке.
В случае деформационного упрочнения прочность и пластичность имеют обратную зависимость. Связь между размером зерна ASTM и прочностью имеет тенденцию быть положительной и сильной, как правило, удлинение обратно пропорционально размеру зерна ASTM. Однако чрезмерный рост зерна может привести к тому, что «мертвые мягкие» материалы больше не будут эффективно упрочняться.
Размер зерна часто называют безразмерным числом, где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше значение размера зерна по ASTM, тем больше зерен на единицу площади.
Размер зерна отожженного материала изменяется в зависимости от времени, температуры и скорости охлаждения. Отжиг обычно выполняется между температурой рекристаллизации и точкой плавления сплава. Рекомендуемый диапазон температур отжига для аустенитного сплава нержавеющей стали 301 составляет от 1900 до 2050 градусов по Фаренгейту. Он начнет плавиться при температуре около 2550 градусов по Фаренгейту. 1292 градуса по Фаренгейту и плавление около 3000 градусов по Фаренгейту.
Во время отжига процессы восстановления и рекристаллизации конкурируют друг с другом до тех пор, пока рекристаллизованные зерна не поглотят все деформированные зерна. Скорость рекристаллизации зависит от температуры. После завершения рекристаллизации начинается рост зерен.
Если материал не выдерживается в надлежащем диапазоне отжига достаточно долго, результирующая структура может представлять собой комбинацию старых и новых зерен. Если желательны однородные свойства по всему металлу, процесс отжига должен быть направлен на достижение однородной равноосной структуры зерен. Однородный означает, что все зерна имеют приблизительно одинаковый размер, а равноосный означает, что они имеют примерно одинаковую форму.
Чтобы получить однородную и равноосную микроструктуру, каждая заготовка должна подвергаться воздействию одинакового количества тепла в течение одинакового количества времени и должна охлаждаться с одинаковой скоростью. Это не всегда просто или возможно при периодическом отжиге, поэтому важно, по крайней мере, подождать, пока вся заготовка не будет пропитана соответствующей температурой, прежде чем рассчитывать время выдержки. Более длительное время выдержки и более высокие температуры приведут к более крупнозернистой структуре/более мягкому материалу и наоборот.
Если размер зерен и прочность связаны, а прочность известна, зачем рассчитывать зернистость, не так ли? Все разрушающие испытания имеют вариабельность. Испытания на растяжение, особенно при меньшей толщине, в значительной степени зависят от подготовки образца. Результаты прочности на растяжение, которые не отражают фактические свойства материала, могут привести к преждевременному разрушению.
Если свойства неодинаковы по всей заготовке, взятие образца для испытаний на растяжение или образца с одного края может не дать полной картины. Подготовка образца и испытание также могут потребовать много времени. Сколько испытаний возможно для данного металла и в скольких направлениях это возможно? Оценка структуры зерна является дополнительной гарантией от неожиданностей.
Анизотропный, изотропный. Анизотропия относится к направленности механических свойств. Помимо прочности, анизотропию можно лучше понять, исследуя структуру зерна.
Однородная и равноосная зернистая структура должна быть изотропной, а значит, иметь одинаковые свойства во всех направлениях. Изотропия особенно важна в процессах глубокой вытяжки, где критична концентричность. При втягивании заготовки в форму анизотропный материал не будет течь равномерно, что может привести к дефекту, называемому колошением. Сережка возникает там, где верхняя часть чашки образует волнообразный силуэт. Изучение зернистой структуры позволяет выявить расположение неоднородностей в заготовке и помочь диагностировать первопричину.
Правильный отжиг имеет решающее значение для достижения изотропии, но также важно понимать степень деформации перед отжигом. По мере пластической деформации материала зерна начинают деформироваться. В случае холодной прокатки, при преобразовании толщины в длину, зерна будут удлиняться в направлении прокатки. По мере изменения соотношения размеров зерен изотропия и общие механические свойства. В случае сильно деформированных заготовок некоторая ориентация может сохраняться даже после отжига. Это приводит к анизотропии. Для материалов глубокой вытяжки иногда необходимо ограничить степень деформации перед окончательным отжигом, чтобы избежать износа.
Апельсиновая корка. Подхватывание — не единственный дефект глубокой вытяжки, связанный с матрицей. Апельсиновая корка возникает при вытяжке сырья со слишком крупными частицами. Каждое зерно деформируется независимо и в зависимости от его кристаллической ориентации. Разница в деформации между соседними зернами приводит к текстурированному внешнему виду, похожему на апельсиновую корку. Текстура — это зернистая структура, проявляющаяся на поверхности стенки чашки.
Точно так же, как пиксели на экране телевизора, с мелкозернистой структурой разница между каждым зерном будет менее заметной, что эффективно увеличивает разрешение. Одного указания механических свойств может быть недостаточно для обеспечения достаточно мелкого размера зерна, чтобы предотвратить эффект апельсиновой корки. стенки нарисованных чашек.
Для размера зерна ASTM 8 средний диаметр зерна составляет 885 микродюймов. Это означает, что эффект микроформования может повлиять на любое уменьшение толщины на 0,00885 дюйма или менее.
Хотя крупное зерно может вызвать проблемы с глубокой вытяжкой, иногда его рекомендуют для оттиска. Штамповка — это процесс деформации, при котором заготовка сжимается для придания желаемой топографии поверхности, например, четверти контуров лица Джорджа Вашингтона.
По этой причине сведение к минимуму напряжения поверхностного течения за счет использования более крупной зернистой структуры может помочь уменьшить силы, необходимые для правильного заполнения формы. Это особенно верно в случае отпечатка свободной матрицы, когда дислокации на поверхностных зернах могут течь свободно, а не накапливаться на границах зерен.
Обсуждаемые здесь тенденции являются обобщениями, которые могут не относиться к конкретным разделам. Тем не менее, они подчеркивают преимущества измерения и стандартизации размера частиц сырья при разработке новых деталей, чтобы избежать распространенных ошибок и оптимизировать параметры формования.
Производители прецизионных машин для штамповки металла и операций глубокой вытяжки металла для формирования своих деталей будут хорошо работать с металлургами на технически квалифицированных прецизионных перекатчиках, которые могут помочь им оптимизировать материалы до уровня зерна. Когда металлурги и инженеры-эксперты с обеих сторон объединяются в одну команду, это может иметь преобразующее воздействие и давать более положительные результаты.
STAMPING Journal — единственный отраслевой журнал, посвященный потребностям рынка штамповки металлов. С 1989 года издание освещает передовые технологии, отраслевые тенденции, передовой опыт и новости, помогая профессионалам штамповки вести свой бизнес более эффективно.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию The FABRICATOR, легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровое издание The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступно, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный доступ к цифровой версии журнала STAMPING Journal, в котором представлены последние технологические достижения, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию The Fabricator en Español вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.