Fördelar kan uppnås genom att få insikt i ett lager av kornstrukturen som styr det mekaniska beteendet hos rostfritt stål.Getty Images
Valet av rostfritt stål och aluminiumlegeringar kretsar i allmänhet kring styrka, duktilitet, töjning och hårdhet. Dessa egenskaper indikerar hur metallens byggstenar svarar på applicerade belastningar. De är en effektiv indikator för att hantera råmaterialbegränsningar;det vill säga hur mycket det kommer att böjas innan det går sönder. Råmaterialet måste klara formningsprocessen utan att gå sönder.
Destruktiv drag- och hårdhetstestning är en tillförlitlig, kostnadseffektiv metod för att bestämma mekaniska egenskaper. Dessa tester är dock inte alltid lika tillförlitliga när tjockleken på råmaterialet börjar begränsa storleken på testprovet. Dragprovning av platta metallprodukter är naturligtvis fortfarande användbart, men fördelar kan uppnås genom att titta djupare på ett lager av dess mekaniska beteende.
Metaller är uppbyggda av en serie mikroskopiska kristaller som kallas korn. De är slumpmässigt fördelade i metallen. Atomer av legeringsämnen, såsom järn, krom, nickel, mangan, kisel, kol, kväve, fosfor och svavel i austenitiska rostfria stål, är en del av en lösning av en enstaka korn som består av en metallisk lösning. gitter genom sina delade elektroner.
Den kemiska sammansättningen av legeringen bestämmer det termodynamiskt föredragna arrangemanget av atomer i kornen, känd som kristallstrukturen. Homogena delar av en metall som innehåller en upprepad kristallstruktur bildar ett eller flera korn som kallas faser. De mekaniska egenskaperna hos en legering är en funktion av kristallstrukturen i legeringen. Detsamma gäller storleken och arrangemanget av varje fas.
De flesta känner till vattnets stadier. När flytande vatten fryser blir det fast is. När det gäller metaller finns det dock inte bara en fast fas. Vissa legeringsfamiljer är uppkallade efter sina faser. Bland rostfria stål består austenitiska 300-serielegeringar främst av austenit när de är glödgade i 300 serier, 400 ferritfria. stål eller martensit i 410 och 420 rostfria stållegeringar.
Detsamma gäller titanlegeringar. Namnet på varje legeringsgrupp indikerar deras dominerande fas vid rumstemperatur – alfa, beta eller en blandning av båda. Det finns alfa-, nära-alfa-, alfa-beta-, beta- och nästan-beta-legeringar.
När den flytande metallen stelnar kommer de fasta partiklarna i den termodynamiskt föredragna fasen att fällas ut där tryck, temperatur och kemisk sammansättning tillåter. Detta sker vanligtvis vid gränssnitt, som iskristaller på ytan av en varm damm en kall dag. När korn bildas kärnor växer kristallstrukturen i en riktning tills ett annat korn påträffas vid olika gränser mellan kornen och gränserna mellan kornen. rystalstrukturer.Föreställ dig att du lägger ett gäng Rubiks kuber av olika storlekar i en låda.Varje kub har ett fyrkantigt rutnätsarrangemang, men de kommer alla att arrangeras i olika slumpmässiga riktningar.Ett helt stelnat metallarbetsstycke består av en serie till synes slumpmässigt orienterade korn.
Varje gång ett korn bildas, finns det en möjlighet till linjedefekter. Dessa defekter saknar delar av kristallstrukturen som kallas dislokationer. Dessa dislokationer och deras efterföljande rörelse genom hela kornen och över korngränserna är grundläggande för metallens duktilitet.
Ett tvärsnitt av arbetsstycket monteras, slipas, poleras och etsas för att se kornstrukturen. När de är enhetliga och likaxliga ser mikrostrukturerna som observeras i ett optiskt mikroskop lite ut som ett pussel. I verkligheten är kornen tredimensionella och tvärsnittet av varje korn kommer att variera beroende på arbetsstyckets tvärsnittsorientering.
När en kristallstruktur är fylld med alla dess atomer finns det inget utrymme för rörelse annat än sträckningen av atombindningarna.
När du tar bort hälften av en rad med atomer skapar du en möjlighet för en annan rad med atomer att glida in i den positionen, vilket effektivt flyttar dislokationen. När en kraft appliceras på arbetsstycket gör den aggregerade rörelsen av dislokationer i mikrostrukturen det möjligt för det att böjas, sträckas eller komprimeras utan att gå sönder eller gå sönder.
När en kraft verkar på en metallegering ökar systemet energin. Om tillräckligt med energi tillförs för att orsaka plastisk deformation deformeras gittret och nya dislokationer bildas. Det verkar logiskt att detta ska öka duktiliteten, eftersom det frigör mer utrymme och därmed skapar potential för mer dislokationsrörelse. När dislokationer krockar kan de dock fixera varandra.
När antalet och koncentrationen av dislokationer ökar, stiftas fler och fler dislokationer samman, vilket minskar duktiliteten. Så småningom uppstår så många dislokationer att kallformning inte längre är möjlig. Eftersom befintliga pinning-dislokationer inte längre kan röra sig sträcker sig atombindningarna i gittret tills de går sönder eller går sönder. Det är därför metallegeringar arbetar härdning till mängden plastisk deformation, och varför det finns en plastisk deformation.
Spannmål spelar också en viktig roll vid glödgning.Glödgning av ett bearbetningshärdat material återställer i huvudsak mikrostrukturen och återställer därmed duktiliteten.Under glödgningsprocessen omvandlas kornen i tre steg:
Föreställ dig en person som går genom en fullsatt tågvagn. Folkmassor kan bara pressas genom att lämna luckor mellan raderna, som förskjutningar i ett galler. När de gick framåt fyllde människorna bakom dem tomrummet de lämnade, samtidigt som de skapade nytt utrymme framför. När de väl når andra änden av vagnen ändras arrangemanget av passagerare. Om alltför många personer försöker passera och träffa varandra så kommer passagerarna att försöka få rörelsen med varandra. tågvagnarnas väggar, håller alla på plats. Ju fler förskjutningar som uppstår, desto svårare är det för dem att röra sig samtidigt.
Det är viktigt att förstå den lägsta deformationsnivå som krävs för att utlösa omkristallisation. Men om metallen inte har tillräckligt med deformationsenergi innan den värms upp kommer inte omkristallisering att ske och kornen kommer helt enkelt att fortsätta växa utöver sin ursprungliga storlek.
Mekaniska egenskaper kan justeras genom att kontrollera korntillväxt. En korngräns är i grunden en vägg av dislokationer. De hindrar rörelse.
Om korntillväxten begränsas kommer ett högre antal små korn att produceras. Dessa mindre korn anses vara finare när det gäller kornstruktur. Fler korngränser innebär mindre dislokationsrörelse och högre styrka.
Om korntillväxten inte begränsas blir kornstrukturen grövre, kornen större, gränserna mindre och styrkan lägre.
Kornstorleken kallas ofta för ett enhetslöst tal, någonstans mellan 5 och 15. Detta är ett relativt förhållande och är relaterat till den genomsnittliga korndiametern. Ju högre siffra, desto finare granularitet.
ASTM E112 beskriver metoder för att mäta och utvärdera kornstorlek. Det innebär att man räknar mängden korn i ett visst område. Detta görs vanligtvis genom att skära ett tvärsnitt av råmaterialet, slipa och polera det och sedan etsa det med syra för att exponera partiklarna. Räkningen görs under ett mikroskop, och förstoringen av kornstorleken indikerar en adekvat storlek. Det kan till och med vara fördelaktigt att begränsa variationen i kornstorlek till två eller tre punkter för att säkerställa konsekvent prestanda över hela arbetsstycket.
I fallet med arbetshärdning har styrka och duktilitet ett omvänt samband. Förhållandet mellan ASTM-kornstorlek och styrka tenderar att vara positivt och starkt, i allmänhet är förlängning omvänt relaterad till ASTM-kornstorleken. Däremot kan överdriven korntillväxt göra att "dödmjuka" material inte längre arbetar härdas effektivt.
Kornstorlek hänvisas ofta till som ett enhetslöst tal, någonstans mellan 5 och 15. Detta är ett relativt förhållande och är relaterat till den genomsnittliga korndiametern. Ju högre ASTM-kornstorleksvärde, desto fler korn per ytenhet.
Kornstorleken på det glödgade materialet varierar med tid, temperatur och avkylningshastighet. Glödgning utförs vanligtvis mellan omkristallisationstemperaturen och smältpunkten för legeringen. Det rekommenderade glödgningstemperaturintervallet för austenitisk rostfri stållegering 301 är mellan 1 900 och 2 050 grader Fahrenheit. Den kommer att börja smälta runt 150 grader i kommersiellt bruk. bör glödgas vid 1 292 grader Fahrenheit och smälta runt 3 000 grader Fahrenheit.
Under glödgningen konkurrerar återvinnings- och omkristallisationsprocesserna med varandra tills de omkristalliserade kornen förbrukar alla deformerade korn. Omkristalliseringshastigheten varierar med temperaturen. När omkristalliseringen är klar tar korntillväxten över. Ett arbetsstycke av 301 rostfritt stål glödgat vid 1 900 °F under en timmes kornstruktur kommer att ha en finare struktur vid 0F vid samma 0F samma tid.
Om materialet inte hålls i rätt glödgningsintervall tillräckligt länge, kan den resulterande strukturen vara en kombination av gamla och nya korn. Om enhetliga egenskaper önskas genom hela metallen bör glödgningsprocessen syfta till att uppnå en enhetlig likaxlig kornstruktur. Uniform betyder att alla korn är ungefär lika stora, och likaxliga betyder att de har ungefär samma form.
För att erhålla en enhetlig och likaxlig mikrostruktur bör varje arbetsstycke utsättas för samma mängd värme under samma tid och svalna med samma hastighet. Detta är inte alltid lätt eller möjligt med batchglödgning, så det är viktigt att åtminstone vänta tills hela arbetsstycket är mättat vid rätt temperatur innan man beräknar blötläggningstiden.
Om kornstorlek och hållfasthet är relaterade, och hållfastheten är känd, varför beräkna korn, eller hur? Alla destruktiva tester har variabilitet. Dragprovning, särskilt vid lägre tjocklekar, är till stor del beroende av provberedning. Draghållfasthetsresultat som inte representerar faktiska materialegenskaper kan uppleva för tidigt brott.
Om egenskaperna inte är enhetliga genom hela arbetsstycket, kan det hända att ett dragprov eller prov från ena kanten inte berättar hela historien. Provberedning och provning kan också vara tidskrävande. Hur många tester är möjliga för en given metall, och i hur många riktningar är det möjligt? Att utvärdera kornstrukturen är en extra försäkring mot överraskningar.
Anisotropisk, isotropisk.Anisotropi avser riktningsförmågan hos mekaniska egenskaper. Förutom styrka kan anisotropi förstås bättre genom att undersöka kornstrukturen.
En enhetlig och likaxlad kornstruktur bör vara isotrop, vilket betyder att den har samma egenskaper i alla riktningar.Isotropi är särskilt viktig vid djupdragningsprocesser där koncentriciteten är kritisk. När ämnet dras in i formen kommer det anisotropa materialet inte att flyta jämnt, vilket kan leda till en defekt som kallas öronning. inhomogeniteter i arbetsstycket och hjälper till att diagnostisera grundorsaken.
Korrekt glödgning är avgörande för att uppnå isotropi, men det är också viktigt att förstå omfattningen av deformation före glödgning. När materialet deformeras plastiskt börjar kornen att deformeras. Vid kallvalsning, omvandling av tjocklek till längd, kommer kornen att förlängas i rullningsriktningen. Eftersom bildförhållandet på kornen förändras, förändras också de mekaniska egenskaperna hos kornen och överallt. delar kan en viss orientering bibehållas även efter glödgning. Detta resulterar i anisotropi. För djupdragna material är det ibland nödvändigt att begränsa mängden deformation före slutglödgning för att undvika slitage.
apelsinskal. Att plocka upp är inte den enda djupdragningsdefekten som är förknippad med formen. Apelsinskal uppstår när råmaterial med för grova partiklar dras. Varje korn deformeras oberoende av varandra och som en funktion av dess kristallorientering. Skillnaden i deformation mellan intilliggande korn resulterar i ett strukturerat utseende som liknar strukturen på apelsinskalet på väggens yta.
Precis som pixlarna på en TV-skärm, med en finkornig struktur, kommer skillnaden mellan varje korn att vara mindre märkbar, vilket effektivt ökar upplösningen. Att specificera mekaniska egenskaper i sig kanske inte är tillräckligt för att säkerställa en tillräckligt fin kornstorlek för att förhindra apelsinskaleffekten. När förändringen i arbetsstyckets storlek är mindre än 10 gånger korndiametern, kommer egenskaperna hos de individuella kornstorleken att återspegla de specifika kornstorlekarna, men det kommer inte att reflektera de specifika kornstorlekarna, men deformerar inte många kornstorlekar. orientering av varje korn. Detta kan ses från apelsinskaleffekten på väggarna av de utdragna kopparna.
För en ASTM-kornstorlek på 8 är den genomsnittliga korndiametern 885 µin. Detta betyder att varje tjockleksminskning på 0,00885 tum eller mindre kan påverkas av denna mikroformningseffekt.
Även om grova korn kan orsaka djupdragningsproblem, rekommenderas de ibland för prägling. Stämpling är en deformationsprocess där ett ämne komprimeras för att ge en önskad yttopografi, såsom en fjärdedel av George Washingtons ansiktskonturer. Till skillnad från tråddragning involverar stämpling vanligtvis inte mycket bulkmaterialflöde, men som kan kräva mycket kraft av ämnet.
Av denna anledning kan minimering av ytflödesspänningen genom att använda en grövre kornstruktur hjälpa till att lindra de krafter som krävs för korrekt formfyllning. Detta är särskilt sant i fallet med free-die prägling, där dislokationer på ytkorn kan flyta fritt snarare än att ackumuleras vid korngränserna.
De trender som diskuteras här är generaliseringar som kanske inte gäller för specifika sektioner. Men de lyfte fram fördelarna med att mäta och standardisera råmaterialpartikelstorleken när man designar nya delar för att undvika vanliga fallgropar och optimera formningsparametrar.
Tillverkare av precisionsstämplingsmaskiner för metall och djupdragningsoperationer på metall för att forma deras delar kommer att fungera bra med metallurger på tekniskt kvalificerade precisionsvalsar som kan hjälpa dem att optimera material ner till kornnivån. När metallurgiska och ingenjörsexperter på båda sidor av relationen integreras i ett team kan det få en positiv effekt och ge mer effekt.
STAMPING Journal är den enda branschtidningen som är dedikerad till att tillgodose behoven på metallstämpelmarknaden. Sedan 1989 har publikationen täckt banbrytande teknik, branschtrender, bästa praxis och nyheter för att hjälpa stämplingsproffs att driva sin verksamhet mer effektivt.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The FABRICATOR, enkel tillgång till värdefulla industriresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu fullt tillgänglig, vilket ger enkel tillgång till värdefulla industriresurser.
Njut av full tillgång till den digitala utgåvan av STAMPING Journal, som ger de senaste tekniska framstegen, bästa praxis och branschnyheter för metallstämpelmarknaden.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The Fabricator en Español, enkel tillgång till värdefulla industriresurser.