Користи се могу остварити стицањем увида у један слој структуре зрна који контролише механичко понашање нерђајућег челика. Getty Images
Избор нерђајућег челика и легура алуминијума генерално се фокусира на чврстоћу, дуктилност, издужење и тврдоћу. Ова својства показују како градивни блокови метала реагују на примењена оптерећења. Она су ефикасан показатељ управљања ограничењима сировина; то јест, колико ће се савити пре него што се поломи. Сировина мора бити у стању да издржи процес обликовања без ломљења.
Деструктивно испитивање затезања и тврдоће је поуздана и исплатива метода за одређивање механичких својстава. Међутим, ова испитивања нису увек толико поуздана када дебљина сировине почне да ограничава величину узорка који се испитује. Испитивање затезања равних металних производа је наравно и даље корисно, али се користи могу постићи дубљим посматрањем једног слоја структуре зрна који контролише његово механичко понашање.
Метали су састављени од низа микроскопских кристала који се називају зрна. Она су насумично распоређена по металу. Атоми легирајућих елемената, као што су гвожђе, хром, никл, манган, силицијум, угљеник, азот, фосфор и сумпор у аустенитним нерђајућим челицима, део су једног зрна. Ови атоми формирају чврсти раствор металних јона, који су везани у кристалну решетку преко својих заједничких електрона.
Хемијски састав легуре одређује термодинамички преферирани распоред атома у зрнима, познат као кристална структура. Хомогени делови метала који садрже понављајућу кристалну структуру формирају једно или више зрна која се називају фазе. Механичка својства легуре су функција кристалне структуре у легури. Исто важи и за величину и распоред зрна сваке фазе.
Већина људи је упозната са фазама воде. Када се течна вода замрзне, она постаје чврсти лед. Међутим, када су у питању метали, не постоји само једна чврста фаза. Одређене породице легура су назване по својим фазама. Међу нерђајућим челицима, аустенитне легуре серије 300 се састоје првенствено од аустенита када се жаре. Међутим, легуре серије 400 се састоје од ферита у нерђајућем челику 430 или мартензита у легурама нерђајућег челика 410 и 420.
Исто важи и за легуре титанијума. Назив сваке групе легура означава њихову преовлађујућу фазу на собној температури – алфа, бета или мешавину обе. Постоје алфа, близу алфа, алфа-бета, бета и близу бета легуре.
Када се течни метал стврдне, чврсте честице термодинамички префериране фазе ће се таложити тамо где то притисак, температура и хемијски састав дозвољавају. Ово се обично дешава на међуповршинама, попут кристала леда на површини топлог језера хладног дана. Када се зрна нуклеирају, кристална структура расте у једном правцу док се не наиђе на друго зрно. Границе зрна се формирају на пресецима неусклађених решетки због различитих оријентација кристалних структура. Замислите да ставите гомилу Рубикових коцки различитих величина у кутију. Свака коцка има квадратни распоред мреже, али ће све бити распоређене у различитим насумичним правцима. Потпуно очврснути метални радни предмет састоји се од низа наизглед насумично оријентисаних зрна.
Кад год се зрно формира, постоји могућност линијских дефеката. Ови дефекти су делови кристалне структуре који недостају и називају се дислокације. Ове дислокације и њихово накнадно кретање кроз зрно и преко граница зрна су фундаментални за дуктилност метала.
Попречни пресек радног предмета се монтира, бруши, полира и нагриза да би се видела структура зрна. Када су уједначене и једнакоосне, микроструктуре посматране на оптичком микроскопу изгледају помало као слагалица. У стварности, зрна су тродимензионална, а попречни пресек сваког зрна ће варирати у зависности од оријентације попречног пресека радног предмета.
Када је кристална структура испуњена свим својим атомима, нема простора за кретање осим истезања атомских веза.
Када уклоните половину реда атома, стварате могућност да други ред атома уђе у тај положај, ефикасно померајући дислокацију. Када се сила примени на радни предмет, агрегирано кретање дислокација у микроструктури омогућава јој да се савија, истеже или компресује без ломљења или ломљења.
Када сила делује на металну легуру, систем повећава енергију. Ако се дода довољно енергије да изазове пластичну деформацију, решетка се деформише и формирају се нове дислокације. Чини се логичним да би ово требало да повећа дуктилност, јер ослобађа више простора и тиме ствара потенцијал за веће кретање дислокација. Међутим, када се дислокације сударају, оне се могу међусобно поправити.
Како се број и концентрација дислокација повећавају, све више дислокација се закачава заједно, смањујући дуктилност. На крају се појављује толико дислокација да хладно обликовање више није могуће. Пошто се постојеће закачене дислокације више не могу померати, атомске везе у решетки се истежу док се не пукну или не пукну. Због тога металне легуре радом стврдњавају и постоји ограничење количине пластичне деформације коју метал може да издржи пре него што се поломи.
Зрно такође игра важну улогу у жарењу. Жарење очврслог материјала у суштини ресетује микроструктуру и тиме обнавља дуктилност. Током процеса жарења, зрна се трансформишу у три корака:
Замислите особу која хода кроз препун вагон. Гужве се могу сабрати само остављањем празнина између редова, попут дислокација у решетки. Како су напредовале, људи иза њих су попуњавали празнину коју су оставили, док су испред стварали нови простор. Када стигну до другог краја вагона, распоред путника се мења. Ако превише људи покуша да прође истовремено, путници који покушавају да направе простор за своје кретање судараће се једни са другима и удараће у зидове вагона, причвршћујући све на месту. Што се више дислокација појави, то им је теже да се крећу истовремено.
Важно је разумети минимални ниво деформације потребан за покретање рекристализације. Међутим, ако метал нема довољно енергије деформације пре загревања, рекристализација се неће догодити и зрна ће једноставно наставити да расту изван своје првобитне величине.
Механичка својства се могу подесити контролом раста зрна. Граница зрна је у суштини зид дислокација. Оне ометају кретање.
Ако је раст зрна ограничен, произвешће се већи број малих зрна. Ова мања зрна се сматрају финијим у смислу структуре зрна. Више граница зрна значи мање кретања дислокација и већу чврстоћу.
Ако раст зрна није ограничен, структура зрна постаје грубља, зрна су већа, границе су мање, а чврстоћа је мања.
Величина зрна се често назива бројем без јединица, негде између 5 и 15. Ово је релативни однос и повезан је са просечним пречником зрна. Што је број већи, то је гранулација финија.
ASTM E112 описује методе за мерење и процену величине зрна. То подразумева бројање количине зрна у датом подручју. То се обично ради сечењем попречног пресека сировине, брушењем и полирањем, а затим нагризањем киселином да би се откриле честице. Бројање се врши под микроскопом, а увећање омогућава адекватно узорковање зрна. Додељивање ASTM бројева величине зрна указује на разуман ниво уједначености у облику и пречнику зрна. Може чак бити корисно ограничити варијације величине зрна на две или три тачке како би се осигурале конзистентне перформансе у целом радном предмету.
У случају очвршћавања, чврстоћа и дуктилност имају обрнуто пропорционалну везу. Однос између величине зрна по ASTM стандарду и чврстоће тежи да буде позитиван и јак, генерално је издужење обрнуто пропорционално величини зрна по ASTM стандарду. Међутим, прекомерни раст зрна може довести до тога да „мртво меки“ материјали више не могу ефикасно да се очврсну.
Величина зрна се често назива бројем без јединица, негде између 5 и 15. Ово је релативни однос и повезан је са просечним пречником зрна. Што је већа вредност величине зрна по ASTM стандарду, то је више зрна по јединици површине.
Величина зрна жареног материјала варира у зависности од времена, температуре и брзине хлађења. Жарење се обично врши између температуре рекристализације и тачке топљења легуре. Препоручени опсег температуре жарења за аустенитну легуру нерђајућег челика 301 је између 1.900 и 2.050 степени Фаренхајта. Почеће да се топи на око 2.550 степени Фаренхајта. Насупрот томе, комерцијално чисти титанијум 1. степена треба жарити на 1.292 степена Фаренхајта и топити на око 3.000 степени Фаренхајта.
Током жарења, процеси опоравка и рекристализације се међусобно такмиче све док рекристализована зрна не потроше сва деформисана зрна. Брзина рекристализације варира у зависности од температуре. Када се рекристализација заврши, преузима раст зрна. Обрадак од нерђајућег челика 301 жарен на 1.900°F током једног сата имаће финију структуру зрна од истог обрадка жарења на 2.000°F током истог времена.
Ако се материјал не држи довољно дуго у одговарајућем опсегу жарења, резултујућа структура може бити комбинација старих и нових зрна. Ако су жељена уједначена својства у целом металу, процес жарења треба да тежи постизању уједначене једнакоосне структуре зрна. Уједначено значи да су сва зрна приближно исте величине, а једнакоосно значи да су приближно истог облика.
Да би се добила уједначена и једнакоосна микроструктура, сваки радни предмет треба да буде изложен истој количини топлоте током истог времена и треба да се хлади истом брзином. Ово није увек лако или могуће код серијског жарења, па је важно барем сачекати док се цео радни предмет не засити на одговарајућој температури пре израчунавања времена намакања. Дужа времена намакања и више температуре резултираће грубљом структуром зрна/мекшим материјалом и обрнуто.
Ако су величина зрна и чврстоћа повезане, а чврстоћа је позната, зашто израчунавати зрна, зар не? Сва деструктивна испитивања имају варијабилност. Испитивање затезања, посебно при мањим дебљинама, у великој мери зависи од припреме узорка. Резултати затезне чврстоће који не представљају стварна својства материјала могу доживети превремени лом.
Ако својства нису једнолика по целом радном предмету, узимање узорка за испитивање затезања са једне ивице можда неће рећи целу причу. Припрема и испитивање узорка такође могу бити дуготрајни. Колико је испитивања могуће за дати метал и у колико је праваца то изводљиво? Процена структуре зрна је додатно осигурање од изненађења.
Анизотропно, изотропно. Анизотропија се односи на усмереност механичких својстава. Поред чврстоће, анизотропија се може боље разумети испитивањем структуре зрна.
Уједначена и једнакоосна структура зрна треба да буде изотропна, што значи да има иста својства у свим правцима. Изотропија је посебно важна у процесима дубоког цртања где је концентричност критична. Када се бланк увуче у калуп, анизотропни материјал неће тећи равномерно, што може довести до дефекта који се назива „минђуша“. „минђуша“ се јавља тамо где горњи део шоље формира таласасту силуету. Испитивање структуре зрна може открити локацију нехомогености у радном комаду и помоћи у дијагностиковању узрока.
Правилно жарење је кључно за постизање изотропије, али је такође важно разумети степен деформације пре жарења. Како се материјал пластично деформише, зрна почињу да се деформишу. У случају хладног ваљања, претварањем дебљине у дужину, зрна ће се издужити у смеру ваљања. Како се однос ширине и висине зрна мења, мења се и изотропија и укупна механичка својства. У случају јако деформисаних радних комада, нека оријентација може се задржати чак и након жарења. То доводи до анизотропије. За дубоко вучене материјале, понекад је потребно ограничити количину деформације пре коначног жарења како би се избегло хабање.
кора поморанџе. Накупљање није једини дефект дубоког извлачења повезан са калупом. Кора поморанџе настаје када се извлаче сировине са превише крупним честицама. Свако зрно се деформише независно и у зависности од његове кристалне оријентације. Разлика у деформацији између суседних зрна резултира текстурираним изгледом сличним кори поморанџе. Текстура је грануларна структура која се открива на површини зида шоље.
Баш као и пиксели на ТВ екрану, са финозрном структуром, разлика између сваког зрна биће мање приметна, што ефикасно повећава резолуцију. Само одређивање механичких својстава можда неће бити довољно да се обезбеди довољно фина величина зрна како би се спречио ефекат „поморанџине коре“. Када је димензионална варијација радног предмета мања од 10 пута већа од пречника зрна, својства појединачних зрна ће утицати на понашање обликовања. Оно се не деформише подједнако на више зрна, већ одражава специфичну величину и оријентацију сваког зрна. То се може видети из ефекта „поморанџине коре“ на зидовима извучених чаша.
За величину зрна ASTM од 8, просечан пречник зрна је 885 µин. То значи да свако смањење дебљине од 0,00885 инча или мање може бити погођено овим ефектом микроформирања.
Иако крупна зрна могу изазвати проблеме са дубоким извлачењем, понекад се препоручују за утискивање. Штанцање је процес деформације у којем се бланк компресује да би се добила жељена површинска топографија, као што је четвртина контура лица Џорџа Вашингтона. За разлику од извлачења жице, штанцање обично не укључује велики проток расутог материјала, али захтева велику силу, што може само деформисати површину бланка.
Из тог разлога, минимизирање површинског напрезања течења коришћењем грубље структуре зрна може помоћи у ублажавању сила потребних за правилно пуњење калупа. Ово је посебно тачно за штампање у слободном калупу, где дислокације на површинским зрнима могу слободно да теку, уместо да се акумулирају на границама зрна.
Трендови о којима се овде расправља су генерализације које се можда не односе на одређене делове. Међутим, они су истакли предности мерења и стандардизације величине зрна сировина приликом пројектовања нових делова како би се избегли уобичајени недостаци и оптимизовали параметри обликовања.
Произвођачи прецизних машина за штанцање метала и машина за дубоко извлачење метала ради обликовања њихових делова добро ће сарађивати са металурзима на технички квалификованим прецизним ваљаоницама које им могу помоћи да оптимизују материјале до нивоа зрна. Када се металуршки и инжењерски стручњаци са обе стране односа интегришу у један тим, то може имати трансформативни утицај и произвести позитивније резултате.
Часопис „ШТАМПАЊЕ“ је једини индустријски часопис посвећен потребама тржишта штанцања метала. Од 1989. године, публикација покрива најсавременије технологије, трендове у индустрији, најбоље праксе и вести како би помогла професионалцима у штанцању да ефикасније воде своје пословање.
Сада са потпуним приступом дигиталном издању часописа The FABRICATOR, лаким приступом вредним индустријским ресурсима.
Дигитално издање часописа „The Tube & Pipe Journal“ је сада потпуно доступно, пружајући лак приступ вредним индустријским ресурсима.
Уживајте у пуном приступу дигиталном издању часописа STAMPING Journal, који пружа најновија технолошка достигнућа, најбоље праксе и вести из индустрије за тржиште штанцања метала.
Сада са потпуним приступом дигиталном издању часописа The Fabricator en Español, лаким приступом вредним индустријским ресурсима.