Переваги можна отримати, отримавши уявлення про один шар зернистої структури, який контролює механічну поведінку нержавіючої сталі. Getty Images
Вибір нержавіючої сталі та алюмінієвих сплавів зазвичай зосереджується навколо міцності, пластичності, подовження та твердості. Ці властивості вказують на те, як будівельні блоки металу реагують на прикладені навантаження. Вони є ефективним показником управління обмеженнями сировини;тобто наскільки він зігнеться, перш ніж зламається. Сировина повинна витримувати процес формування без руйнування.
Руйнівне випробування на розтяг і твердість є надійним і економічно ефективним методом визначення механічних властивостей. Однак ці випробування не завжди настільки надійні, коли товщина сировини починає обмежувати розмір досліджуваного зразка. Випробування на розтяг плоских металевих виробів, звичайно, все ще корисне, але переваги можна отримати, якщо глибше розглянути один шар зернистої структури, який контролює її механічну поведінку.
Метали складаються з серії мікроскопічних кристалів, які називаються зернами. Вони випадково розподілені по всьому металу. Атоми легуючих елементів, таких як залізо, хром, нікель, марганець, кремній, вуглець, азот, фосфор і сірка в аустенітних нержавіючих сталях, є частиною єдиного зерна. Ці атоми утворюють твердий розчин іонів металу, які зв’язані в кристалічну решітку через їхні спільні електрони.
Хімічний склад сплаву визначає термодинамічно бажане розташування атомів у зернах, відоме як кристалічна структура. Однорідні частини металу, що містять повторювану кристалічну структуру, утворюють одне або кілька зерен, які називаються фазами. Механічні властивості сплаву є функцією кристалічної структури в сплаві. Те саме стосується розміру та розташування зерен кожної фази.
Більшість людей знайомі зі стадіями води. Коли рідка вода замерзає, вона стає твердим льодом. Однак, коли йдеться про метали, існує не лише одна тверда фаза. Певні сімейства сплавів названо за їхніми фазами. Серед нержавіючих сталей аустенітні сплави серії 300 складаються в основному з аустеніту після відпалу. Однак сплави серії 400 складаються з фериту в нержавіючій сталі 430 або мармелі. напруга в сплавах нержавіючої сталі 410 і 420.
Те саме стосується титанових сплавів. Назва кожної групи сплавів вказує на їхню переважаючу фазу при кімнатній температурі – альфа-, бета- або суміш обох. Розрізняють альфа-, майже-альфа-, альфа-бета-, бета- та майже бета-сплави.
Коли рідкий метал затвердіє, тверді частинки термодинамічно кращої фази випадуть в осад, де це дозволять тиск, температура та хімічний склад. Зазвичай це відбувається на межах розділу, як кристали льоду на поверхні теплого ставка в холодний день. Коли зерна зароджуються, кристалічна структура росте в одному напрямку, доки не зустрінеться інше зерно. Межі зерен утворюються на перетині неузгоджених ґраток через різну орієнтацію кристала. структури. Уявіть собі, що ви кладете в коробку купу кубиків Рубіка різного розміру. Кожен кубик має квадратну сітку, але всі вони будуть розташовані в різних випадкових напрямках. Повністю затверділа металева заготовка складається з серії, здавалося б, випадково орієнтованих зерен.
Кожного разу, коли зерно утворюється, існує ймовірність лінійних дефектів. Ці дефекти є відсутніми частинами кристалічної структури, які називаються дислокаціями. Ці дислокації та їх подальший рух по зерну та через межі зерен є фундаментальними для пластичності металу.
Поперечний зріз заготовки монтується, шліфується, полірується та труїться, щоб побачити структуру зерна. У однорідному та рівновісному стані мікроструктури, які спостерігаються на оптичному мікроскопі, виглядають трохи як пазл. Насправді зерна є тривимірними, і поперечний переріз кожного зерна змінюватиметься залежно від орієнтації поперечного перерізу заготовки.
Коли кристалічна структура заповнена всіма своїми атомами, немає місця для руху, крім розтягування атомних зв’язків.
Коли ви видаляєте половину ряду атомів, ви створюєте можливість для іншого ряду атомів прослизнути в це положення, фактично переміщаючи дислокацію. Коли до заготовки прикладається сила, сукупний рух дислокацій у мікроструктурі дозволяє їй згинати, розтягувати чи стискати без руйнування чи руйнування.
Коли сила діє на металевий сплав, система збільшує енергію. Якщо додавати достатньо енергії, щоб викликати пластичну деформацію, решітка деформується та утворюються нові дислокації. Здається логічним, що це має підвищити пластичність, оскільки звільняється більше простору і, таким чином, створюється потенціал для більшого руху дислокацій. Однак, коли дислокації стикаються, вони можуть фіксувати одна одну.
У міру збільшення кількості та концентрації дислокацій все більше і більше дислокацій скріплюється разом, що знижує пластичність. Зрештою з’являється стільки дислокацій, що холодне формування стає неможливим. Оскільки існуючі дислокації закріплення більше не можуть рухатися, атомні зв’язки в решітці розтягуються, доки вони не розірвуться або не розірвуться. Ось чому металеві сплави зміцнюються, і чому існує обмеження на пластичну деформацію, яку метал може витримати перед розривом.
Зерно також відіграє важливу роль у відпалі. Відпал загартованого матеріалу істотно скидає мікроструктуру та таким чином відновлює пластичність. Під час процесу відпалу зерна трансформуються в три етапи:
Уявіть собі людину, яка йде крізь переповнений вагон. Натовп можна стиснути, лише залишаючи проміжки між рядами, як зрушення в решітці. У міру просування люди позаду заповнювали порожнечу, яку вони залишили, створюючи новий простір попереду. Коли вони досягають іншого кінця вагона, розташування пасажирів змінюється. Якщо занадто багато людей намагаються пройти одночасно, пасажири, які намагаються звільнити місце для свого руху, стикаються один з одним і вдаряються об стіну. s вагонів, затискаючи всіх на місці. Чим більше з’являється вивихів, тим важче їм рухатися одночасно.
Важливо розуміти мінімальний рівень деформації, необхідний для запуску рекристалізації. Однак, якщо метал не має достатньої енергії деформації перед нагріванням, рекристалізація не відбудеться, і зерна просто продовжуватимуть рости за межі свого початкового розміру.
Механічні властивості можна регулювати, контролюючи ріст зерна. Межа зерна, по суті, є стіною дислокацій. Вони перешкоджають руху.
Якщо ріст зерен обмежений, утворюється більша кількість дрібних зерен. Ці менші зерна вважаються дрібнішими з точки зору зернистої структури. Більше меж зерен означає менший рух дислокацій і більшу міцність.
Якщо ріст зерна не обмежений, структура зерна стає більш грубою, зерна більшими, межі меншими, міцність меншою.
Розмір зерна часто називають безрозмірним числом, десь між 5 і 15. Це відносне співвідношення, яке пов’язане із середнім діаметром зерна. Чим вище число, тим дрібніша зернистість.
ASTM E112 описує методи вимірювання та оцінки розміру зерна. Він передбачає підрахунок кількості зерна в заданій області. Зазвичай це робиться шляхом розрізання поперечного перерізу сировини, шліфування та полірування, а потім травлення кислотою, щоб виявити частинки. Підрахунок виконується під мікроскопом, а збільшення дозволяє взяти адекватну пробу зерна. Призначення розміру зерна ASTM вказує на прийнятний рівень однорідності форми та діаметра зерна. Може бути навіть вигідно обмежити варіацію розміру зерна двома або трьома точками, щоб забезпечити стабільну продуктивність усієї заготовки.
У випадку робочого зміцнення міцність і пластичність мають обернену залежність. Зв’язок між розміром зерна ASTM і міцністю, як правило, є позитивним і сильним, як правило, подовження обернено пропорційне розміру зерна ASTM. Однак надмірний ріст зерна може призвести до того, що «мертво м’які» матеріали більше не будуть ефективно зміцнюватися.
Розмір зерна часто називають безрозмірним числом, десь між 5 і 15. Це відносне співвідношення, яке пов’язане із середнім діаметром зерна. Чим вище значення розміру зерна ASTM, тим більше зерен на одиницю площі.
Розмір зерна відпаленого матеріалу змінюється залежно від часу, температури та швидкості охолодження. Відпал зазвичай виконується між температурою рекристалізації та температурою плавлення сплаву. Рекомендований діапазон температур відпалу для аустенітного сплаву нержавіючої сталі 301 становить від 1900 до 2050 градусів за Фаренгейтом. Він почне плавитися приблизно за 2550 градусів за Фаренгейтом. чистий титан 1-го ступеня має бути відпалений при 1292 градусах за Фаренгейтом і розплавлений приблизно за 3000 градусів за Фаренгейтом.
Під час відпалу процеси відновлення та рекристалізації конкурують один з одним, доки рекристалізовані зерна не поглинають усі деформовані зерна. Швидкість рекристалізації змінюється залежно від температури. Після завершення рекристалізації починається ріст зерна. Заготовка з нержавіючої сталі 301, відпалена при 1900°F протягом однієї години, матиме дрібнішу зернисту структуру, ніж та сама заготовка, відпалена при 2000 °F протягом того самого часу.
Якщо матеріал недостатньо довго витримується в належному діапазоні відпалу, отримана структура може являти собою комбінацію старих і нових зерен. Якщо бажані однакові властивості в усьому металі, процес відпалу має бути спрямований на досягнення однорідної рівновісної зернистої структури. Рівномірна означає, що всі зерна приблизно однакового розміру, а рівновісна означає, що вони мають приблизно однакову форму.
Щоб отримати рівномірну та рівновісну мікроструктуру, кожну заготовку слід піддати однаковій кількості тепла протягом однакового проміжку часу та охолоджувати з однаковою швидкістю. Це не завжди легко або можливо з періодичним відпалом, тому важливо принаймні зачекати, доки вся заготовка насититься при відповідній температурі, перш ніж розраховувати час замочування. Довший час замочування та вищі температури призведуть до більш грубої зернистої структури/м’якшого матеріалу, і навпаки.
Якщо розмір зерна та міцність пов’язані, а міцність відома, навіщо розраховувати зерна, чи не так? Усі випробування на руйнування мають мінливість. Випробування на розтяг, особливо при меншій товщині, значною мірою залежить від підготовки зразка. Результати міцності на розрив, які не відображають фактичних властивостей матеріалу, можуть передчасно вийти з ладу.
Якщо властивості неоднакові по всій заготовці, взяття зразка для випробування на розтягування або зразка з одного краю може не розповісти всієї історії. Підготовка зразка та випробування також можуть зайняти багато часу. Скільки випробувань можна провести для певного металу та в скількох напрямках це можливо? Оцінка зернистої структури є додатковою гарантією від несподіванок.
Анізотропний, ізотропний. Анізотропія стосується спрямованості механічних властивостей. Окрім міцності, анізотропію можна краще зрозуміти, досліджуючи зернисту структуру.
Рівномірна і рівновісна структура зерна має бути ізотропною, що означає, що вона має однакові властивості в усіх напрямках. Ізотропія особливо важлива в процесах глибокого витягування, де концентричність є критичною. Коли заготовку втягують у форму, анізотропний матеріал не буде текти рівномірно, що може призвести до дефекту, який називається колосінням. Сережка виникає там, де верхня частина чашки утворює хвилястий силует. Дослідження структури зерна. може виявити розташування неоднорідностей у деталі та допомогти діагностувати першопричину.
Правильний відпал має вирішальне значення для досягнення ізотропії, але також важливо розуміти ступінь деформації перед відпалом. Коли матеріал пластично деформується, зерна починають деформуватися. У разі холодної прокатки, перетворюючи товщину на довжину, зерна подовжуватимуться в напрямку прокатки. Зі зміною співвідношення сторін зерен змінюються ізотропія та загальні механічні властивості. У разі сильно деформованої роботи частини, певна орієнтація може зберігатися навіть після відпалу. Це призводить до анізотропії. Для матеріалів глибокої витяжки іноді необхідно обмежити ступінь деформації перед остаточним відпалом, щоб уникнути зносу.
Апельсинова кірка. Збирання — це не єдиний дефект глибокої витяжки, пов’язаний зі штампом. Апельсинова кірка виникає, коли сировину витягують із занадто грубими частинками. Кожне зерно деформується незалежно та залежно від орієнтації його кристала. Різниця в деформації між сусідніми зернами призводить до текстури, схожої на апельсинову кірку. Текстура — це зерниста структура, виявлена ​​на поверхні стінки чашки.
Подібно до пікселів на телевізійному екрані, з дрібнозернистою структурою різниця між кожним зерном буде менш помітною, ефективно збільшуючи роздільну здатність. Одного лише визначення механічних властивостей може бути недостатньо для забезпечення досить дрібного розміру зерна, щоб запобігти ефекту апельсинової кірки. Якщо зміна розміру заготовки менша ніж у 10 разів перевищує діаметр зерна, властивості окремих зерен керуватимуть поведінкою формування. Це не деформується однаково для багатьох зерен, але відображає конкретний розмір та/або орієнтація кожного зерна. Це видно з ефекту апельсинової кірки на стінках намальованих чашок.
Для розміру зерна ASTM 8 середній діаметр зерна становить 885 мкдюймів. Це означає, що будь-яке зменшення товщини на 0,00885 дюйма або менше може залежати від ефекту мікроформування.
Хоча грубі зерна можуть спричинити проблеми з глибоким витягуванням, іноді їх рекомендують для відтиску. Штампування — це процес деформації, під час якого заготовка стискається, щоб надати бажаного рельєфу поверхні, наприклад, чверті контурів обличчя Джорджа Вашингтона. На відміну від волочіння дроту, штампування зазвичай не вимагає великого потоку сипучого матеріалу, але вимагає великої сили, яка може просто деформувати поверхню заготовки.
З цієї причини мінімізація напруги поверхневого течії за допомогою більш грубої зернистої структури може допомогти зменшити сили, необхідні для належного заповнення форми. Це особливо актуально у випадку вільного відбитка, коли дислокації на поверхневих зернах можуть вільно протікати, а не накопичуватися на кордонах зерен.
Тенденції, які тут обговорюються, є узагальненнями, які можуть не стосуватися конкретних секцій. Проте вони підкреслюють переваги вимірювання та стандартизації розміру частинок сировини під час проектування нових деталей, щоб уникнути типових пасток і оптимізувати параметри формування.
Виробники прецизійних машин для штампування металу та операцій глибокого витягування металу для формування своїх деталей добре співпрацюватимуть із металургами на технічно кваліфікованих прецизійних повторних роликах, які можуть допомогти їм оптимізувати матеріали аж до рівня зернистості. Коли металургійні та інженерні експерти з обох сторін стосунків об’єднані в одну команду, це може мати трансформаційний вплив і дати більш позитивні результати.
STAMPING Journal — це єдиний галузевий журнал, присвячений потребам ринку штампування. З 1989 року видання висвітлює передові технології, галузеві тенденції, передовий досвід і новини, щоб допомогти професіоналам штампування вести свій бізнес ефективніше.
Тепер із повним доступом до цифрової версії The FABRICATOR, легким доступом до цінних галузевих ресурсів.
Цифрове видання The Tube & Pipe Journal тепер повністю доступне, що забезпечує легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Насолоджуйтеся повним доступом до цифрового видання журналу STAMPING Journal, який містить останні технологічні досягнення, найкращі практики та галузеві новини для ринку металевого штампування.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The Fabricator en Español, легким доступом до цінних галузевих ресурсів.