Prednosti je mogoče pridobiti z vpogledom v eno plast zrnate strukture, ki nadzoruje mehansko obnašanje nerjavečega jekla. Getty Images
Izbira nerjavnega jekla in aluminijevih zlitin se na splošno osredotoča na trdnost, duktilnost, raztezek in trdoto. Te lastnosti kažejo, kako se gradniki kovine odzivajo na uporabljene obremenitve. So učinkovit pokazatelj obvladovanja omejitev surovin;to je, koliko se bo upognilo, preden se zlomi. Surovina mora biti sposobna prenesti postopek oblikovanja, ne da bi se zlomila.
Destruktivno preskušanje natezne trdnosti in trdote je zanesljiva, stroškovno učinkovita metoda za določanje mehanskih lastnosti. Vendar pa ti preskusi niso vedno tako zanesljivi, ko začne debelina surovine omejevati velikost preskusnega vzorca. Preskušanje natezne trdnosti ploščatih kovinskih izdelkov je seveda še vedno koristno, vendar je mogoče pridobiti koristi, če globlje pogledamo eno plast zrnate strukture, ki nadzoruje njeno mehansko obnašanje.
Kovine so sestavljene iz niza mikroskopskih kristalov, imenovanih zrna. So naključno porazdeljeni po kovini. Atomi legirnih elementov, kot so železo, krom, nikelj, mangan, silicij, ogljik, dušik, fosfor in žveplo v avstenitnih nerjavnih jeklih, so del enega zrna. Ti atomi tvorijo trdno raztopino kovinskih ionov, ki so povezani v kristalno mrežo skozi njihovi skupni elektroni.
Kemična sestava zlitine določa termodinamično prednostno razporeditev atomov v zlitinah, znano kot kristalna struktura. Homogeni deli kovine, ki vsebujejo ponavljajočo se kristalno strukturo, tvorijo eno ali več zrn, imenovanih faze. Mehanske lastnosti zlitine so funkcija kristalne strukture v zlitini. Enako velja za velikost in razporeditev zrn vsake faze.
Večina ljudi je seznanjena s stopnjami vode. Ko tekoča voda zamrzne, postane trden led. Vendar pa pri kovinah ne obstaja le ena trdna faza. Nekatere družine zlitin so poimenovane po svojih fazah. Med nerjavnimi jekli so avstenitne zlitine serije 300 sestavljene predvsem iz avstenita, ko so žarjene. Vendar pa so zlitine serije 400 sestavljene iz ferita v nerjavnem jeklu 430 ali maretu napetost v zlitinah nerjavnega jekla 410 in 420.
Enako velja za titanove zlitine. Ime vsake skupine zlitin označuje njihovo prevladujočo fazo pri sobni temperaturi – alfa, beta ali mešanica obeh. Obstajajo alfa, skoraj alfa, alfa-beta, beta in skoraj beta zlitine.
Ko se tekoča kovina strdi, se trdni delci termodinamično prednostne faze izločijo, kjer tlak, temperatura in kemična sestava to dopuščajo. To se običajno zgodi na mejah, kot ledeni kristali na površini toplega ribnika na hladen dan. Ko zrna nukleirajo, kristalna struktura raste v eno smer, dokler ne naleti na drugo zrno. Meje zrn se oblikujejo na presečiščih neusklajenih mrež zaradi različnih orientacij kristalov. strukture. Predstavljajte si, da v škatlo postavite kup Rubikovih kock različnih velikosti. Vsaka kocka ima kvadratno mrežo, vendar bodo vse razporejene v različnih naključnih smereh. Popolnoma strjen kovinski obdelovanec je sestavljen iz niza na videz naključno usmerjenih zrn.
Kadarkoli se oblikuje zrno, obstaja možnost linijskih napak. Te napake so manjkajoči deli kristalne strukture, imenovane dislokacije. Te dislokacije in njihovo poznejše gibanje skozi zrno in čez meje zrn so bistvenega pomena za duktilnost kovine.
Prečni prerez obdelovanca je nameščen, brušen, poliran in jedkan, da se vidi zrnata struktura. Ko so enotne in enakoosne, so mikrostrukture, opazovane na optičnem mikroskopu, videti kot sestavljanka. V resnici so zrna tridimenzionalna in prečni prerez vsakega zrna se razlikuje glede na orientacijo prečnega prereza obdelovanca.
Ko je kristalna struktura napolnjena z vsemi svojimi atomi, ni prostora za gibanje, razen za raztezanje atomskih vezi.
Ko odstranite polovico vrste atomov, ustvarite priložnost za drugo vrsto atomov, da zdrsne v ta položaj in učinkovito premakne dislokacijo. Ko na obdelovanec deluje sila, združeno gibanje dislokacij v mikrostrukturi omogoči, da se upogne, raztegne ali stisne, ne da bi se zlomil ali zlomil.
Ko sila deluje na kovinsko zlitino, sistem poveča energijo. Če dodamo dovolj energije, da povzročimo plastično deformacijo, se mreža deformira in nastanejo nove dislokacije. Zdi se logično, da bi to povečalo duktilnost, saj sprosti več prostora in tako ustvari možnost za več gibanja dislokacij. Ko pa dislokacije trčijo, se lahko popravijo.
Ko se število in koncentracija dislokacij povečujeta, se vse več dislokacij stisne skupaj, kar zmanjšuje duktilnost. Sčasoma se pojavi toliko dislokacij, da hladno oblikovanje ni več mogoče. Ker se obstoječe dislokacije pripenjanja ne morejo več premikati, se atomske vezi v rešetki raztezajo, dokler se ne zlomijo ali zlomijo. To je razlog, zakaj kovinske zlitine delujejo utrjene in zakaj obstaja omejitev količine plastične deformacije, ki jo lahko kovina prenese, preden se zlomi.
Zrnatost ima tudi pomembno vlogo pri žarjenju. Žarjenje utrjenega materiala v bistvu ponastavi mikrostrukturo in tako obnovi duktilnost. Med postopkom žarjenja se zrna transformirajo v treh korakih:
Predstavljajte si človeka, ki hodi skozi natrpan vlak. Množico je mogoče stisniti le tako, da med vrstami pustite vrzeli, kot so dislokacije v rešetki. Ko so napredovali, so ljudje za njimi zapolnili praznino, ki so jo zapustili, medtem ko so ustvarili nov prostor spredaj. Ko dosežejo drugi konec vagona, se razporeditev potnikov spremeni. Če preveč ljudi poskuša iti mimo hkrati, potniki, ki poskušajo narediti prostor za svoje gibanje, trčijo drug ob drugega in se udarijo. stene vagonov in vse priklenejo na svoje mesto. Več dislokacij se pojavi, težje se premikajo hkrati.
Pomembno je razumeti najmanjšo stopnjo deformacije, ki je potrebna za sprožitev rekristalizacije. Vendar, če kovina nima dovolj deformacijske energije, preden se segreje, do rekristalizacije ne bo prišlo in zrna bodo preprosto še naprej rasla nad prvotno velikostjo.
Mehanske lastnosti je mogoče prilagoditi z nadzorom rasti zrn. Meja zrn je v bistvu stena dislokacij. Ovirajo gibanje.
Če je rast zrn omejena, bo proizvedeno večje število majhnih zrn. Ta manjša zrna veljajo za drobnejša v smislu strukture zrn. Več meja zrn pomeni manj dislokacij in večjo trdnost.
Če rast zrn ni omejena, postane struktura zrn bolj groba, zrna večja, meje manjše in trdnost nižja.
Velikost zrn se pogosto imenuje število brez enote, nekje med 5 in 15. To je relativno razmerje in je povezano s povprečnim premerom zrn. Višje kot je število, bolj drobna je zrnatost.
ASTM E112 opisuje metode za merjenje in ocenjevanje velikosti zrn. Vključuje štetje količine zrn na določenem območju. To se običajno naredi tako, da se presek surovine razreže, zbrusi in polira ter nato jedka s kislino, da se razkrijejo delci. Štetje se izvaja pod mikroskopom, povečava pa omogoča ustrezno vzorčenje zrn. Dodeljevanje številk velikosti zrn ASTM kaže na razumno raven enakomernosti v obliki in premeru zrn. Morda bi bilo celo koristno omejiti variacije v velikosti zrn na dve ali tri točke, da bi zagotovili dosledno delovanje po obdelovancu.
V primeru delovnega utrjevanja sta trdnost in duktilnost obratno razmerje. Razmerje med velikostjo zrn ASTM in trdnostjo je običajno pozitivno in močno, na splošno je raztezek obratno sorazmeren z velikostjo zrn ASTM. Vendar pa lahko prekomerna rast zrn povzroči, da "mrtvo mehki" materiali ne delujejo več učinkovito pri utrjevanju.
Velikost zrn se pogosto imenuje število brez enote, nekje med 5 in 15. To je relativno razmerje in je povezano s povprečnim premerom zrn. Višja kot je vrednost velikosti zrn ASTM, več je zrn na enoto površine.
Velikost zrn žarjenega materiala se spreminja s časom, temperaturo in hitrostjo hlajenja. Žarjenje se običajno izvaja med temperaturo rekristalizacije in tališčem zlitine. Priporočeno temperaturno območje žarjenja za avstenitno zlitino nerjavnega jekla 301 je med 1.900 in 2.050 stopinjami Fahrenheita. Začela se bo taliti pri približno 2.550 stopinjah Fahrenheita. čisti titan stopnje 1 je treba žariti pri 1292 stopinjah Fahrenheita in taliti pri približno 3000 stopinjah Fahrenheita.
Med žarjenjem postopek okrevanja in prekristalizacije tekmujeta med seboj, dokler prekristalizirana zrna ne porabijo vseh deformiranih zrn. Hitrost rekristalizacije se spreminja s temperaturo. Ko je rekristalizacija končana, prevzame rast zrn. Obdelovanec iz nerjavečega jekla 301, žarjen pri 1900 °F eno uro, bo imel bolj fino zrnato strukturo kot isti obdelovanec, žarjen pri 2000 °F za isti čas.
Če se material ne vzdržuje v ustreznem območju žarjenja dovolj dolgo, je lahko nastala struktura kombinacija starih in novih zrn. Če želimo enakomerne lastnosti po vsej kovini, mora biti cilj postopka žarjenja doseči enotno enakoosno zrnato strukturo. Enotna pomeni, da so vsa zrna približno enake velikosti, enakoosna pa pomeni, da so približno enake oblike.
Da bi dosegli enotno in enakoosno mikrostrukturo, mora biti vsak obdelovanec izpostavljen enaki količini toplote za enako količino časa in se mora ohlajati z enako hitrostjo. To ni vedno enostavno ali mogoče pri serijskem žarjenju, zato je pomembno počakati vsaj, da je celoten obdelovanec nasičen pri ustrezni temperaturi, preden izračunate čas namakanja. Daljši časi namakanja in višje temperature bodo povzročile bolj grobo zrnato strukturo/mehkejši material in obratno.
Če sta velikost zrn in trdnost povezani in je trdnost znana, zakaj izračunati zrna, kajne? Vsi rušilni preskusi so variabilni. Natezno testiranje, zlasti pri nižjih debelinah, je v veliki meri odvisno od priprave vzorca. Rezultati natezne trdnosti, ki ne predstavljajo dejanskih lastnosti materiala, lahko povzročijo prezgodnjo okvaro.
Če lastnosti niso enakomerne po celotnem obdelovancu, jemanje nateznega preskusnega vzorca ali vzorca z enega roba morda ne pove celotne zgodbe. Priprava vzorca in testiranje sta lahko tudi dolgotrajna. Koliko preskusov je možnih za določeno kovino in v koliko smereh je to izvedljivo? Ocenjevanje zrnate strukture je dodatno zavarovanje pred presenečenji.
Anizotropno, izotropno. Anizotropija se nanaša na usmerjenost mehanskih lastnosti. Poleg trdnosti je anizotropijo mogoče bolje razumeti s preučevanjem zrnate strukture.
Enotna in enakoosna zrnata struktura mora biti izotropna, kar pomeni, da ima enake lastnosti v vseh smereh. Izotropija je še posebej pomembna pri postopkih globokega vlečenja, kjer je koncentričnost kritična. Ko surovec potegnemo v kalup, anizotropni material ne teče enakomerno, kar lahko privede do napake, imenovane zobanje. Uhan se pojavi, kjer zgornji del skodelice oblikuje valovito silhueto. Pregled zrnate strukture lahko razkrije lokacijo nehomogenosti v obdelovancu in pomaga pri diagnosticiranju temeljnega vzroka.
Pravilno žarjenje je ključnega pomena za doseganje izotropije, vendar je pomembno tudi razumeti obseg deformacije pred žarjenjem. Ko se material plastično deformira, se zrna začnejo deformirati. V primeru hladnega valjanja, pretvorbe debeline v dolžino, se bodo zrna podaljšala v smeri valjanja. Ko se spremeni razmerje zrn, se spremenijo tudi izotropija in splošne mehanske lastnosti. V primeru močno deformiranih obdelovancev , se lahko nekaj orientacije ohrani tudi po žarjenju. Posledica tega je anizotropija. Pri globoko vlečenih materialih je včasih treba omejiti količino deformacije pred končnim žarjenjem, da se prepreči obraba.
pomarančna lupina. Pobiranje ni edina napaka pri globokem vlečenju, povezana z matrico. Pomarančna lupina se pojavi, ko se vlečejo surovine s pregrobimi delci. Vsako zrno se deformira neodvisno in kot funkcija svoje kristalne orientacije. Razlika v deformaciji med sosednjimi zrni ima za posledico teksturiran videz, podoben pomarančni lupini. Tekstura je zrnata struktura, razkrita na površini stene skodelice.
Tako kot slikovne pike na TV-zaslonu, z drobnozrnato strukturo, bo razlika med posameznimi zrni manj opazna, kar učinkovito poveča ločljivost. Določanje mehanskih lastnosti samo po sebi morda ne bo zadostovalo za zagotovitev dovolj fine velikosti zrn, da bi preprečili učinek pomarančne kože. Ko je dimenzijska sprememba obdelovanca manjša od 10-kratnega premera zrn, bodo lastnosti posameznih zrn vplivale na obnašanje pri oblikovanju. Ne deformira se enako čez veliko zrn, ampak odseva posebna velikost in orientacija vsakega zrna. To je razvidno iz učinka pomarančne lupine na stenah narisanih skodelic.
Za velikost zrn ASTM 8 je povprečni premer zrn 885 µin. To pomeni, da lahko ta učinek mikrooblikovanja vpliva na vsako zmanjšanje debeline za 0,00885 palcev ali manj.
Čeprav lahko groba zrna povzročijo težave pri globokem vlečenju, se včasih priporočajo za odtiskovanje. Žigosanje je postopek deformacije, pri katerem se surovec stisne, da se zagotovi želena topografija površine, kot je četrtina obraznih kontur Georgea Washingtona. Za razliko od vlečenja žice žigosanje običajno ne vključuje velikega pretoka materiala v razsutem stanju, zahteva pa veliko sile, ki lahko samo deformira površino surovca.
Iz tega razloga lahko zmanjševanje napetosti površinskega toka z uporabo bolj grobe zrnate strukture pomaga ublažiti sile, potrebne za pravilno polnjenje kalupa. To še posebej velja za vtiskovanje s prosto matrico, kjer lahko dislokacije na površinskih zrnih prosto tečejo, namesto da se kopičijo na mejah zrn.
Tukaj razpravljani trendi so posplošitve, ki morda ne veljajo za določene odseke. Kljub temu so poudarili prednosti merjenja in standardizacije velikosti zrn surovin pri načrtovanju novih delov, da bi se izognili običajnim napakam in optimizirali parametre oblikovanja.
Proizvajalci natančnih strojev za vtiskovanje kovin in operacij globokega vlečenja na kovino za oblikovanje njihovih delov bodo dobro sodelovali z metalurgi na tehnično usposobljenih natančnih valjarjih, ki jim lahko pomagajo optimizirati materiale vse do ravni zrn. Ko so metalurški in inženirski strokovnjaki na obeh straneh sodelovanja združeni v eno ekipo, ima lahko to preobrazbeni učinek in ustvari bolj pozitivne rezultate.
STAMPING Journal je edina strokovna revija, namenjena zadovoljevanju potreb trga žigosanja kovin. Od leta 1989 publikacija pokriva vrhunske tehnologije, industrijske trende, najboljše prakse in novice, ki strokovnjakom za žigosanje pomagajo pri učinkovitejšem vodenju posla.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje The FABRICATOR, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Digitalna izdaja revije The Tube & Pipe Journal je zdaj v celoti dostopna in omogoča enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Uživajte v polnem dostopu do digitalne izdaje revije STAMPING Journal, ki ponuja najnovejše tehnološke dosežke, najboljše prakse in novice v panogi za trg žigosanja kovin.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje The Fabricator en Español, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.