Výhody možno získať získaním prehľadu o jednej vrstve štruktúry zŕn, ktorá riadi mechanické správanie nehrdzavejúcej ocele. Getty Images
Výber nehrdzavejúcej ocele a hliníkových zliatin sa vo všeobecnosti sústreďuje na pevnosť, ťažnosť, predĺženie a tvrdosť. Tieto vlastnosti naznačujú, ako stavebné bloky kovu reagujú na aplikované zaťaženie. Sú účinným indikátorom riadenia obmedzení surovín;teda o koľko sa ohne, kým sa zlomí. Surovina musí vydržať proces formovania bez toho, aby sa zlomila.
Deštruktívne skúšanie ťahu a tvrdosti je spoľahlivá, nákladovo efektívna metóda na určenie mechanických vlastností. Tieto skúšky však nie sú vždy také spoľahlivé, keď hrúbka suroviny začne obmedzovať veľkosť skúšobnej vzorky. Skúšanie ťahom plochých kovových výrobkov je samozrejme stále užitočné, ale výhody možno získať hlbším pohľadom na jednu vrstvu štruktúry zŕn, ktorá riadi jej mechanické správanie.
Kovy sú tvorené sériou mikroskopických kryštálov nazývaných zrná. Sú náhodne rozmiestnené v celom kove. Atómy legujúcich prvkov, ako je železo, chróm, nikel, mangán, kremík, uhlík, dusík, fosfor a síra v austenitických nehrdzavejúcich oceliach, sú súčasťou jediného zrna. Tieto atómy tvoria pevný roztok kovových iónov do kryštálových iónov, ktoré sú spojené mriežkou.
Chemické zloženie zliatiny určuje termodynamicky preferované usporiadanie atómov v zrnách, známe ako kryštálová štruktúra. Homogénne časti kovu obsahujúce opakujúcu sa kryštálovú štruktúru tvoria jedno alebo viacero zŕn nazývaných fázy. Mechanické vlastnosti zliatiny sú funkciou kryštálovej štruktúry v zliatine. To isté platí pre veľkosť a usporiadanie zŕn každej fázy.
Väčšina ľudí pozná štádiá vody. Keď tekutá voda zamrzne, stane sa z nej pevný ľad. Pokiaľ však ide o kovy, nie je tu len jedna tuhá fáza. Niektoré skupiny zliatin sú pomenované podľa svojich fáz. Spomedzi nehrdzavejúcich ocelí sa austenitické zliatiny série 300 skladajú predovšetkým z austenitu, keď sú žíhané. Avšak, z nehrdzavejúcej ocele radu 400 v zliatine 0410 a z nehrdzavejúcej ocele 400 s.
To isté platí pre zliatiny titánu. Názov každej skupiny zliatin označuje ich prevládajúcu fázu pri izbovej teplote – alfa, beta alebo zmes oboch. Existujú zliatiny alfa, takmer alfa, alfa-beta, beta a takmer beta.
Keď tekutý kov stuhne, pevné častice termodynamicky preferovanej fázy sa vyzrážajú tam, kde to tlak, teplota a chemické zloženie dovolia. Zvyčajne sa to deje na rozhraniach, ako sú kryštály ľadu na hladine teplého rybníka v chladnom dni. Keď zrná nukleujú, kryštálová štruktúra rastie v jednom smere, až kým nenarazí na ďalšie zrno. Hranice zŕn sa tvoria na priesečníkoch nesúladných štruktúr kryštálov v dôsledku rôznych zhlukov kryštálových mriežok. rôzne veľkosti v krabici.Každá kocka má usporiadanie štvorcovej mriežky, ale všetky budú usporiadané v rôznych náhodných smeroch.Úplne stuhnutý kovový obrobok pozostáva zo série zdanlivo náhodne orientovaných zŕn.
Kedykoľvek sa vytvorí zrno, existuje možnosť líniových defektov. Tieto defekty predstavujú chýbajúce časti kryštálovej štruktúry nazývané dislokácie. Tieto dislokácie a ich následný pohyb v zrnách a cez hranice zŕn sú základom ťažnosti kovu.
Prierez obrobku je pripevnený, brúsený, leštený a vyleptaný, aby sa zobrazila štruktúra zŕn. Keď sú mikroštruktúry pozorované na optickom mikroskope rovnomerné a rovnoosé, vyzerajú trochu ako skladačka. V skutočnosti sú zrná trojrozmerné a prierez každého zrna sa bude líšiť v závislosti od orientácie prierezu obrobku.
Keď je kryštálová štruktúra naplnená všetkými svojimi atómami, nie je tu žiadny priestor pre iný pohyb ako napínanie atómových väzieb.
Keď odstránite polovicu radu atómov, vytvoríte príležitosť pre ďalší rad atómov vkĺznuť do tejto polohy, čím sa dislokácia efektívne posunie. Keď na obrobok pôsobí sila, agregovaný pohyb dislokácií v mikroštruktúre mu umožňuje ohýbať sa, naťahovať alebo stláčať bez toho, aby sa zlomil alebo zlomil.
Keď sila pôsobí na kovovú zliatinu, systém zvyšuje energiu. Ak sa pridá dostatok energie, aby spôsobila plastickú deformáciu, mriežka sa deformuje a vznikajú nové dislokácie. Zdá sa logické, že by to malo zvýšiť ťažnosť, pretože sa tým uvoľní viac miesta a tým sa vytvorí potenciál pre väčší pohyb dislokácií. Keď sa však dislokácie zrazia, môžu sa navzájom fixovať.
So zvyšujúcim sa počtom a koncentráciou dislokácií sa viac a viac dislokácií spája, čím sa znižuje ťažnosť. Nakoniec sa objaví toľko dislokácií, že tvárnenie za studena už nie je možné. Keďže existujúce dislokácie kolíkov sa už nemôžu pohybovať, atómové väzby v mriežke sa naťahujú, až kým sa nerozbijú alebo nezlomia. To je dôvod, prečo kovové zliatiny predtým, než sa zlomia, vytvrdnú, a preto existuje obmedzenie množstva deformovaného kovu.
Zrno tiež zohráva dôležitú úlohu pri žíhaní. Žíhanie mechanicky spevneného materiálu v podstate resetuje mikroštruktúru a tým obnovuje ťažnosť. Počas procesu žíhania sa zrná transformujú v troch krokoch:
Predstavte si človeka, ktorý prechádza preplneným vozňom. Davy sa dajú stlačiť len tak, že medzi radmi necháte medzery, ako sú dislokácie v mriežke. Ako postupovali, ľudia za nimi zapĺňali medzeru, ktorú opustili, zatiaľ čo vpredu vytvorili nový priestor. Keď sa dostanú na druhý koniec vagóna, usporiadanie cestujúcich sa zmení. Ak sa príliš veľa ľudí pokúša prejsť každý druhý pohyb a narazia na vagón, narazia do ich steny. všetci na mieste. Čím viac dislokácií sa objaví, tým ťažšie je pre nich súčasne sa pohybovať.
Je dôležité pochopiť minimálnu úroveň deformácie potrebnú na spustenie rekryštalizácie. Ak však kov pred zahriatím nemá dostatočnú deformačnú energiu, k rekryštalizácii nedôjde a zrná budú jednoducho pokračovať v raste nad svoju pôvodnú veľkosť.
Mechanické vlastnosti možno vyladiť riadením rastu zŕn. Hranica zŕn je v podstate stena dislokácií. Bránia pohybu.
Ak je rast zŕn obmedzený, vznikne vyšší počet malých zŕn. Tieto menšie zrná sa považujú za jemnejšie z hľadiska štruktúry zŕn. Viac hraníc zŕn znamená menší dislokačný pohyb a vyššiu pevnosť.
Ak rast zŕn nie je obmedzený, štruktúra zŕn sa stáva hrubšou, zrná sú väčšie, hranice sú menšie a pevnosť je nižšia.
Veľkosť zrna sa často označuje ako číslo bez jednotiek, niekde medzi 5 a 15. Toto je relatívny pomer a súvisí s priemerným priemerom zrna. Čím vyššie číslo, tým jemnejšia zrnitosť.
ASTM E112 načrtáva metódy merania a hodnotenia veľkosti zŕn. Zahŕňa počítanie množstva zŕn v danej oblasti. Zvyčajne sa to robí tak, že sa nareže prierez suroviny, zbrúsi sa a vyleští a potom sa vyleptá kyselinou, aby sa odkryli častice. Počítanie sa vykonáva pod mikroskopom a zväčšenie umožňuje adekvátne odoberanie vzoriek zŕn a jednotný priemer veľkosti zŕn a jednotný priemer značí, že môže byť rovnomerný priemer ASTM. vo veľkosti zrna do dvoch alebo troch bodov, aby sa zabezpečil konzistentný výkon na celom obrobku.
V prípade mechanického spevnenia majú pevnosť a ťažnosť inverzný vzťah. Vzťah medzi veľkosťou zrna ASTM a pevnosťou má tendenciu byť pozitívny a silný, predĺženie je vo všeobecnosti nepriamo úmerné veľkosti zrna ASTM. Avšak nadmerný rast zŕn môže spôsobiť, že „mŕtve mäkké“ materiály už nebudú efektívne tvrdnúť.
Veľkosť zrna sa často označuje ako bezjednotkové číslo, niekde medzi 5 a 15. Toto je relatívny pomer a súvisí s priemerným priemerom zrna. Čím vyššia je hodnota veľkosti zrna ASTM, tým viac zŕn na jednotku plochy.
Veľkosť zŕn žíhaného materiálu sa mení v závislosti od času, teploty a rýchlosti ochladzovania. Žíhanie sa zvyčajne vykonáva medzi teplotou rekryštalizácie a teplotou topenia zliatiny. Odporúčaný rozsah teplôt žíhania pre austenitickú zliatinu nehrdzavejúcej ocele 301 je medzi 1 900 a 2 050 stupňami Fahrenheita. Začne sa taviť okolo 2,5 stupňa Fahrenheita, komerčne dostupný od 15 stupňov Fahrenheita. 1 292 stupňov Fahrenheita a topenie okolo 3 000 stupňov Fahrenheita.
Počas žíhania si regeneračné a rekryštalizačné procesy navzájom konkurujú, kým rekryštalizované zrná nespotrebujú všetky deformované zrná. Rýchlosť rekryštalizácie sa mení v závislosti od teploty. Po dokončení rekryštalizácie prevláda rast zŕn. Obrobok z nehrdzavejúcej ocele 301 žíhaný pri teplote 1 900 °F počas jednej hodiny bude mať jemnejšiu štruktúru zrna ako žíhaný kus za rovnaký čas00
Ak materiál nie je dostatočne dlho udržiavaný v správnom rozsahu žíhania, výsledná štruktúra môže byť kombináciou starých a nových zŕn. Ak sú požadované jednotné vlastnosti v celom kove, cieľom procesu žíhania by malo byť dosiahnutie rovnomernej rovnoosovej štruktúry zŕn. Rovnomerná znamená, že všetky zrná majú približne rovnakú veľkosť a rovnoosé znamená, že majú približne rovnaký tvar.
Na získanie rovnomernej a rovnoosovej mikroštruktúry by mal byť každý obrobok vystavený rovnakému množstvu tepla po rovnaký čas a mal by sa ochladzovať rovnakou rýchlosťou. Pri dávkovom žíhaní to nie je vždy jednoduché alebo možné, preto je dôležité pred výpočtom času namáčania počkať, kým sa celý obrobok nenasýti pri správnej teplote. Dlhšie časy namáčania a vyššie teploty povedie k hrubšiemu zrnitosti materiálu.
Ak veľkosť zrna a pevnosť súvisia a sila je známa, prečo počítať zrná, však? Všetky deštruktívne skúšky majú variabilitu. Skúšanie ťahom, najmä pri menších hrúbkach, do značnej miery závisí od prípravy vzorky. Výsledky pevnosti v ťahu, ktoré nereprezentujú skutočné vlastnosti materiálu, môžu zaznamenať predčasné zlyhanie.
Ak vlastnosti nie sú jednotné v celom obrobku, odber vzorky na skúšku ťahom alebo vzorky z jednej hrany nemusí povedať celý príbeh. Príprava a testovanie vzorky môže byť tiež časovo náročné. Koľko testov je možné pre daný kov a v koľkých smeroch je to možné? Vyhodnotenie štruktúry zŕn je dodatočnou poistkou proti prekvapeniam.
Anizotropný, izotropný. Anizotropia označuje smerovosť mechanických vlastností. Okrem pevnosti možno anizotropiu lepšie pochopiť skúmaním štruktúry zŕn.
Rovnomerná a rovnoosá štruktúra zŕn by mala byť izotropná, čo znamená, že má rovnaké vlastnosti vo všetkých smeroch. Izotropia je obzvlášť dôležitá pri hlbokom ťahaní, kde je kritická sústrednosť. Keď je polotovar vtiahnutý do formy, anizotropný materiál nebude rovnomerne tiecť, čo môže viesť k defektu nazývanému klas. Náušnica sa vyskytuje tam, kde horná časť misky vytvára zvlnenú štruktúru obrobku a môže odhaliť zvlnenú siluetu obrobku. hlavná príčina.
Správne žíhanie je rozhodujúce pre dosiahnutie izotropie, ale je tiež dôležité pochopiť rozsah deformácie pred žíhaním. Keď sa materiál plasticky deformuje, zrná sa začnú deformovať. V prípade valcovania za studena, premene hrúbky na dĺžku, sa zrná predĺžia v smere valcovania. Keď sa zmení pomer strán zŕn, tak sa aj izotropia a celkové mechanické vlastnosti kusu môžu zachovať. Výsledkom je anizotropia. Pri hlbokoťažných materiáloch je niekedy potrebné obmedziť veľkosť deformácie pred konečným žíhaním, aby sa predišlo opotrebovaniu.
pomarančová kôra.Naberanie nie je jedinou chybou pri hlbokom ťahaní spojenou s matricou.Pomarančová kôra nastáva, keď sa ťahajú suroviny s príliš hrubými časticami.Každé zrno sa deformuje nezávisle a v závislosti od svojej kryštálovej orientácie.Rozdiel v deformácii medzi susednými zrnami má za následok textúrovaný vzhľad podobný pomarančovej kôre.Textúra je zrnitá štruktúra odhalená na povrchu steny pohára.
Rovnako ako pixely na televíznej obrazovke s jemnozrnnou štruktúrou bude rozdiel medzi jednotlivými zrnami menej viditeľný, čím sa efektívne zvýši rozlíšenie. Samotné špecifikovanie mechanických vlastností nemusí postačovať na zabezpečenie dostatočne jemnej veľkosti zrna, aby sa predišlo efektu pomarančovej kôry. Keď je rozmerová odchýlka obrobku menšia ako 10-násobok priemeru zrna, vlastnosti jednotlivých zŕn budú odrážať špecifickú veľkosť zŕn a nespôsobí tak deformáciu každého zrna, ktorá sa môže prejaviť pri formovaní mnohých zŕn. efekt pomarančovej kôry na stenách nakreslených pohárov.
Pre ASTM veľkosť zrna 8 je stredný priemer zrna 885 µin. To znamená, že akékoľvek zmenšenie hrúbky o 0,00885 palca alebo menej môže byť ovplyvnené týmto efektom mikrotvarovania.
Hoci hrubé zrná môžu spôsobiť problémy s hlbokým ťahaním, niekedy sa odporúčajú na potlač. Razenie je proces deformácie, pri ktorom sa polotovar stlačí, aby sa získala požadovaná topografia povrchu, napríklad štvrtina obrysov tváre Georgea Washingtona. Na rozdiel od ťahania drôtom lisovanie zvyčajne nezahŕňa veľké množstvo toku sypkého materiálu, ale vyžaduje veľkú silu, ktorá môže len deformovať povrch polotovaru.
Z tohto dôvodu môže minimalizácia napätia povrchového toku použitím hrubšej štruktúry zŕn pomôcť zmierniť sily potrebné na správne plnenie formy. To platí najmä pre tlač voľným lisovaním, kde dislokácie na povrchových zrnách môžu voľne prúdiť, a nie hromadiť sa na hraniciach zŕn.
Trendy, o ktorých sa tu diskutuje, sú zovšeobecnenia, ktoré sa nemusia vzťahovať na konkrétne časti. Zdôrazňujú však výhody merania a štandardizácie veľkosti zŕn surovín pri navrhovaní nových dielov, aby sa predišlo bežným chybám a optimalizovali sa parametre lisovania.
Výrobcovia presných lisovacích strojov na kov a operácií hlbokého ťahania kovu pri formovaní ich dielov budú dobre spolupracovať s metalurgmi na technicky kvalifikovaných presných prevalcovačoch, ktorí im môžu pomôcť optimalizovať materiály až po úroveň zrna. Keď sa metalurgickí a inžinierski odborníci na oboch stranách vzťahu integrujú do jedného tímu, môže to mať transformačný vplyv a priniesť pozitívnejšie výsledky.
STAMPING Journal je jediný priemyselný časopis, ktorý sa venuje potrebám trhu s lisovaním kovov. Od roku 1989 publikácia pokrýva špičkové technológie, trendy v odvetví, osvedčené postupy a novinky, aby pomohla odborníkom na lisovanie efektívnejšie riadiť ich podnikanie.
Teraz s úplným prístupom k digitálnemu vydaniu The FABRICATOR, jednoduchým prístupom k cenným priemyselným zdrojom.
Digitálne vydanie časopisu The Tube & Pipe Journal je teraz plne prístupné a poskytuje jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Užite si plný prístup k digitálnemu vydaniu časopisu STAMPING Journal, ktorý poskytuje najnovšie technologické pokroky, osvedčené postupy a novinky z odvetvia pre trh s lisovaním kovov.
Teraz s úplným prístupom k digitálnemu vydaniu The Fabricator en Español, jednoduchým prístupom k cenným priemyselným zdrojom.