Lợi ích có thể đạt được bằng cách hiểu rõ hơn về một lớp cấu trúc hạt kiểm soát hành vi cơ học của thép không gỉ. Hình ảnh đẹp
Việc lựa chọn thép không gỉ và hợp kim nhôm thường tập trung vào độ bền, độ dẻo, độ giãn dài và độ cứng. Các đặc tính này cho biết cách các khối kim loại cấu tạo phản ứng với tải trọng tác dụng. Chúng là một chỉ số hiệu quả để quản lý các hạn chế về nguyên liệu thô;nghĩa là nó sẽ uốn cong bao nhiêu trước khi gãy. Nguyên liệu thô phải có khả năng chịu được quá trình đúc mà không bị gãy.
Thử nghiệm độ cứng và độ bền kéo phá hủy là một phương pháp đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí để xác định tính chất cơ học. Tuy nhiên, các thử nghiệm này không phải lúc nào cũng đáng tin cậy khi độ dày của vật liệu thô bắt đầu giới hạn kích thước của mẫu thử. Thử nghiệm độ bền kéo của các sản phẩm kim loại phẳng tất nhiên vẫn hữu ích, nhưng có thể thu được lợi ích bằng cách xem xét sâu hơn vào một lớp cấu trúc hạt kiểm soát hành vi cơ học của nó.
Kim loại được tạo thành từ một loạt các tinh thể cực nhỏ gọi là hạt. Chúng được phân bố ngẫu nhiên trong toàn bộ kim loại. Các nguyên tử của các nguyên tố hợp kim, chẳng hạn như sắt, crom, niken, mangan, silic, cacbon, nitơ, phốt pho và lưu huỳnh trong thép không gỉ austenit, là một phần của một hạt. Các nguyên tử này tạo thành một dung dịch rắn gồm các ion kim loại, được liên kết vào mạng tinh thể thông qua các electron dùng chung của chúng.
Thành phần hóa học của hợp kim xác định sự sắp xếp ưu tiên về mặt nhiệt động của các nguyên tử trong hạt, được gọi là cấu trúc tinh thể. Các phần đồng nhất của kim loại chứa cấu trúc tinh thể lặp lại tạo thành một hoặc nhiều hạt gọi là pha. Tính chất cơ học của hợp kim là một chức năng của cấu trúc tinh thể trong hợp kim. Kích thước và sự sắp xếp của các hạt trong mỗi pha cũng vậy.
Hầu hết mọi người đều quen thuộc với các giai đoạn của nước. Khi nước lỏng đóng băng, nó trở thành đá rắn. Tuy nhiên, khi nói đến kim loại, không chỉ có một pha rắn. Một số họ hợp kim nhất định được đặt tên theo các giai đoạn của chúng. Trong số các loại thép không gỉ, hợp kim dòng 300 austenit bao gồm chủ yếu là austenite khi ủ. Tuy nhiên, hợp kim 400 series bao gồm ferrite trong thép không gỉ 430 hoặc martensite trong hợp kim thép không gỉ 410 và 420.
Điều tương tự cũng xảy ra với các hợp kim titan. Tên của mỗi nhóm hợp kim cho biết pha chiếm ưu thế của chúng ở nhiệt độ phòng - alpha, beta hoặc hỗn hợp của cả hai. Có các hợp kim alpha, gần alpha, alpha-beta, beta và gần beta.
Khi kim loại lỏng hóa rắn, các hạt rắn của pha ưu tiên về mặt nhiệt động sẽ kết tủa ở nơi áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học cho phép. Điều này thường xảy ra ở các bề mặt phân cách, giống như các tinh thể băng trên bề mặt ao ấm vào một ngày lạnh giá. Khi các hạt tạo mầm, cấu trúc tinh thể sẽ phát triển theo một hướng cho đến khi gặp phải hạt khác. Ranh giới của các hạt hình thành tại các giao điểm của các mạng không khớp do các hướng khác nhau của cấu trúc tinh thể. Hãy tưởng tượng đặt một loạt các khối Rubik có kích thước khác nhau vào một hộp. Mỗi khối có một ô vuông sắp xếp, nhưng tất cả chúng sẽ được sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Một phôi kim loại được đông đặc hoàn toàn bao gồm một loạt các hạt có vẻ được định hướng ngẫu nhiên.
Bất cứ lúc nào một hạt được hình thành, đều có khả năng xuất hiện các khuyết tật đường nét. Những khuyết tật này là những phần bị thiếu trong cấu trúc tinh thể được gọi là sự lệch vị trí. Những sự lệch vị trí này và chuyển động tiếp theo của chúng trong toàn bộ hạt và qua các ranh giới của hạt là nền tảng cho tính dẻo của kim loại.
Một mặt cắt ngang của phôi được gắn, mài, đánh bóng và khắc để xem cấu trúc hạt. Khi đồng nhất và đồng trục, vi cấu trúc được quan sát trên kính hiển vi quang học trông hơi giống trò chơi ghép hình. Trên thực tế, các hạt có ba chiều và mặt cắt ngang của mỗi hạt sẽ khác nhau tùy thuộc vào hướng của mặt cắt ngang phôi.
Khi một cấu trúc tinh thể được lấp đầy bởi tất cả các nguyên tử của nó, thì không có chỗ cho chuyển động nào khác ngoài sự kéo dài của các liên kết nguyên tử.
Khi bạn loại bỏ một nửa hàng nguyên tử, bạn sẽ tạo cơ hội cho một hàng nguyên tử khác trượt vào vị trí đó, di chuyển chỗ trật khớp một cách hiệu quả. Khi một lực được tác dụng lên phôi, chuyển động tổng hợp của sự trật khớp trong cấu trúc vi mô cho phép nó uốn cong, kéo dài hoặc nén mà không bị đứt hoặc gãy.
Khi một lực tác động lên một hợp kim kim loại, hệ thống sẽ tăng năng lượng. Nếu đủ năng lượng được thêm vào để gây ra biến dạng dẻo, mạng tinh thể sẽ biến dạng và hình thành các trật khớp mới. Có vẻ hợp lý là điều này sẽ làm tăng độ dẻo, vì nó giải phóng thêm không gian và do đó tạo ra khả năng cho nhiều chuyển động trật khớp hơn. Tuy nhiên, khi các trật khớp va chạm vào nhau, chúng có thể cố định lẫn nhau.
Khi số lượng và nồng độ của các trật tự tăng lên, ngày càng có nhiều trật tự được ghim lại với nhau, làm giảm độ dẻo. Cuối cùng, có quá nhiều trật tự xuất hiện nên việc tạo hình nguội không còn khả thi nữa. Vì các trật tự ghim hiện tại không thể di chuyển được nữa, nên các liên kết nguyên tử trong mạng kéo dài cho đến khi chúng bị đứt hoặc gãy. Đây là lý do tại sao các hợp kim kim loại hoạt động cứng lại và tại sao có giới hạn về lượng biến dạng dẻo mà một kim loại có thể chịu được trước khi phá vỡ.
Ngũ cốc cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ủ. Quá trình ủ một vật liệu đã được làm cứng về cơ bản sẽ thiết lập lại cấu trúc vi mô và do đó phục hồi độ dẻo. Trong quá trình ủ, các loại ngũ cốc được biến đổi theo ba bước:
Hãy tưởng tượng một người đi qua một toa tàu đông đúc. Chỉ có thể chen lấn đám đông bằng cách để lại những khoảng trống giữa các hàng, giống như sự lệch vị trí trong một mạng lưới. Khi họ tiến lên, những người phía sau sẽ lấp đầy khoảng trống mà họ để lại, trong khi họ tạo ra không gian mới ở phía trước. Khi họ đến đầu kia của toa, sự sắp xếp của hành khách sẽ thay đổi. Nếu có quá nhiều người cố gắng vượt qua cùng một lúc, những hành khách cố gắng nhường chỗ cho việc di chuyển của họ sẽ va chạm vào nhau và va vào thành toa tàu, khiến mọi người phải cố định. xuất hiện, chúng càng khó di chuyển cùng một lúc.
Điều quan trọng là phải hiểu mức độ biến dạng tối thiểu cần thiết để kích hoạt quá trình tái kết tinh. Tuy nhiên, nếu kim loại không có đủ năng lượng biến dạng trước khi được nung nóng, quá trình kết tinh lại sẽ không xảy ra và các hạt sẽ tiếp tục phát triển vượt quá kích thước ban đầu của chúng.
Tính chất cơ học có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát sự phát triển của hạt. Ranh giới của hạt về cơ bản là một bức tường của sự sai lệch. Chúng cản trở chuyển động.
Nếu sự tăng trưởng của hạt bị hạn chế, thì số lượng hạt nhỏ sẽ được tạo ra nhiều hơn. Những hạt nhỏ hơn này được coi là mịn hơn về mặt cấu trúc hạt. Nhiều ranh giới hạt hơn có nghĩa là chuyển động trật khớp ít hơn và độ bền cao hơn.
Nếu sự tăng trưởng của hạt không bị hạn chế, cấu trúc hạt trở nên thô hơn, hạt to hơn, ranh giới ít hơn và độ bền thấp hơn.
Kích thước hạt thường được gọi là một số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là tỷ lệ tương đối và có liên quan đến đường kính trung bình của hạt. Con số này càng cao thì độ hạt càng mịn.
ASTM E112 phác thảo các phương pháp đo và đánh giá kích thước hạt. Nó liên quan đến việc đếm số lượng hạt trong một khu vực nhất định. Việc này thường được thực hiện bằng cách cắt một mặt cắt ngang của nguyên liệu thô, mài và đánh bóng, sau đó khắc nó bằng axit để lộ ra các hạt. Việc đếm được thực hiện dưới kính hiển vi và độ phóng đại cho phép lấy mẫu đầy đủ các loại hạt. Chỉ định số kích thước hạt của ASTM cho thấy mức độ đồng nhất hợp lý về hình dạng và đường kính hạt. Thậm chí có thể thuận lợi để hạn chế sự thay đổi kích thước hạt ở hai hoặc ba điểm để đảm bảo hiệu suất nhất quán trên toàn bộ sản phẩm. phôi.
Trong trường hợp làm cứng, độ bền và độ dẻo có mối quan hệ nghịch đảo. Mối quan hệ giữa kích thước hạt và độ bền của ASTM có xu hướng dương và mạnh, nói chung độ giãn dài tỷ lệ nghịch với kích thước hạt ASTM. Tuy nhiên, sự phát triển quá mức của hạt có thể khiến vật liệu “mềm chết” không còn làm cứng hiệu quả.
Kích thước hạt thường được gọi là một số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là tỷ lệ tương đối và có liên quan đến đường kính hạt trung bình. Giá trị kích thước hạt theo tiêu chuẩn ASTM càng cao thì càng có nhiều hạt trên một đơn vị diện tích.
Kích thước hạt của vật liệu được ủ thay đổi theo thời gian, nhiệt độ và tốc độ làm mát. Quá trình ủ thường được thực hiện giữa nhiệt độ kết tinh lại và điểm nóng chảy của hợp kim. Fahrenheit và nóng chảy khoảng 3.000 độ F.
Trong quá trình ủ, quá trình phục hồi và tái kết tinh cạnh tranh với nhau cho đến khi các hạt kết tinh lại tiêu thụ tất cả các hạt bị biến dạng. Tốc độ kết tinh lại thay đổi theo nhiệt độ. Sau khi quá trình kết tinh lại hoàn tất, quá trình tăng trưởng của hạt sẽ diễn ra. Một phôi thép không gỉ 301 được ủ ở 1.900°F trong một giờ sẽ có cấu trúc hạt mịn hơn so với phôi tương tự được ủ ở 2.000°F trong cùng thời gian.
Nếu vật liệu không được giữ trong phạm vi ủ thích hợp đủ lâu, thì cấu trúc thu được có thể là sự kết hợp của các hạt cũ và mới. Nếu các đặc tính đồng nhất được mong muốn trong toàn bộ kim loại, thì quá trình ủ phải nhằm đạt được cấu trúc hạt đồng nhất. Đồng nhất có nghĩa là tất cả các hạt có kích thước xấp xỉ như nhau và đồng trục có nghĩa là chúng có hình dạng gần giống nhau.
Để có được cấu trúc vi mô đồng nhất và đồng trục, mỗi phôi phải được tiếp xúc với cùng một lượng nhiệt trong cùng một khoảng thời gian và phải làm mát ở cùng một tốc độ. Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng hoặc có thể thực hiện được với quá trình ủ hàng loạt, vì vậy điều quan trọng là ít nhất phải đợi cho đến khi toàn bộ phôi được bão hòa ở nhiệt độ thích hợp trước khi tính thời gian ngâm. Thời gian ngâm dài hơn và nhiệt độ cao hơn sẽ dẫn đến cấu trúc hạt thô hơn/vật liệu mềm hơn và ngược lại.
Nếu kích thước và độ bền của hạt có liên quan với nhau, và độ bền đã biết, thì tại sao phải tính toán hạt, phải không? Tất cả các thử nghiệm phá hủy đều có sự thay đổi. Thử nghiệm độ bền kéo, đặc biệt là ở độ dày thấp hơn, phần lớn phụ thuộc vào việc chuẩn bị mẫu. Kết quả độ bền kéo không đại diện cho các đặc tính vật liệu thực tế có thể bị hỏng sớm.
Nếu các đặc tính không đồng nhất trong toàn bộ phôi, thì việc lấy mẫu thử độ bền kéo hoặc mẫu từ một cạnh có thể không nói lên toàn bộ câu chuyện. Việc chuẩn bị và thử nghiệm mẫu cũng có thể tốn thời gian. Có thể thực hiện bao nhiêu thử nghiệm đối với một kim loại nhất định và có thể thực hiện theo bao nhiêu hướng? Đánh giá cấu trúc hạt là một biện pháp bảo đảm bổ sung để tránh những bất ngờ.
Dị hướng, đẳng hướng. Tính dị hướng đề cập đến tính định hướng của các tính chất cơ học. Ngoài độ bền, tính dị hướng có thể được hiểu rõ hơn bằng cách kiểm tra cấu trúc hạt.
Cấu trúc hạt đồng nhất và cân bằng phải là cấu trúc đẳng hướng, có nghĩa là nó có các đặc tính giống nhau theo mọi hướng. Tính đẳng hướng đặc biệt quan trọng trong các quy trình vẽ sâu trong đó độ đồng tâm là rất quan trọng. Khi phôi được kéo vào khuôn, vật liệu dị hướng sẽ không chảy đồng đều, điều này có thể dẫn đến một khuyết tật gọi là lỗ tai. Hiện tượng lỗ tai xảy ra khi phần trên của cốc tạo thành hình bóng gợn sóng. Kiểm tra cấu trúc hạt có thể tiết lộ vị trí của sự không đồng nhất trong phôi và giúp chẩn đoán nguyên nhân gốc rễ.
Ủ đúng cách là rất quan trọng để đạt được tính đẳng hướng, nhưng điều quan trọng là phải hiểu mức độ biến dạng trước khi ủ. Khi vật liệu biến dạng dẻo, các hạt bắt đầu biến dạng. Trong trường hợp cán nguội, quy đổi độ dày thành chiều dài, các hạt sẽ dài ra theo hướng cán. Khi tỷ lệ khung hình của hạt thay đổi, tính đẳng hướng và tính chất cơ học tổng thể cũng vậy. Trong trường hợp các phôi bị biến dạng nặng, một số hướng có thể được giữ lại ngay cả sau khi ủ. Điều này dẫn đến dị hướng. vật liệu, đôi khi cần phải hạn chế lượng biến dạng trước khi ủ lần cuối để tránh mài mòn.
vỏ cam. Nứt không phải là khuyết tật kéo sâu duy nhất liên quan đến khuôn. Vỏ cam xảy ra khi nguyên liệu thô có các hạt quá thô được kéo. Mỗi hạt biến dạng độc lập và là một chức năng của hướng tinh thể của nó. Sự khác biệt về biến dạng giữa các hạt liền kề dẫn đến bề ngoài có kết cấu tương tự như vỏ cam. Kết cấu là cấu trúc dạng hạt lộ ra trên bề mặt thành cốc.
Giống như các điểm ảnh trên màn hình TV, với cấu trúc hạt mịn, sự khác biệt giữa mỗi hạt sẽ ít được chú ý hơn, giúp tăng độ phân giải một cách hiệu quả. Chỉ xác định các đặc tính cơ học có thể không đủ để đảm bảo kích thước hạt mịn đủ để ngăn hiệu ứng vỏ cam. Khi sự thay đổi kích thước của phôi nhỏ hơn 10 lần đường kính hạt, các đặc tính của từng hạt sẽ điều khiển hành vi tạo hình. Nó không biến dạng như nhau trên nhiều hạt, nhưng phản ánh kích thước và hướng cụ thể của từng hạt. Điều này có thể thấy được từ hiệu ứng vỏ cam trên tường của những chiếc cốc đã vẽ.
Đối với kích thước hạt ASTM là 8, đường kính hạt trung bình là 885 µin. Điều này có nghĩa là bất kỳ sự giảm độ dày nào từ 0,00885 inch trở xuống đều có thể bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tạo hình vi mô này.
Mặc dù các hạt thô có thể gây ra các vấn đề khi vẽ sâu, nhưng đôi khi chúng được khuyên dùng để in dấu. Dập khuôn là một quá trình biến dạng trong đó phôi được nén để tạo ra một địa hình bề mặt mong muốn, chẳng hạn như một phần tư các đường nét trên khuôn mặt của George Washington. Không giống như vẽ dây, dập thường không liên quan đến nhiều dòng vật liệu khối, nhưng cần rất nhiều lực, điều này có thể chỉ làm biến dạng bề mặt của phôi.
Vì lý do này, việc giảm thiểu ứng suất dòng chảy trên bề mặt bằng cách sử dụng cấu trúc hạt thô hơn có thể giúp giảm bớt lực cần thiết để đổ đầy khuôn đúng cách. Điều này đặc biệt đúng đối với in khuôn tự do, trong đó sự sai lệch trên hạt bề mặt có thể chảy tự do, thay vì tích tụ ở ranh giới hạt.
Các xu hướng được thảo luận ở đây là những khái quát hóa có thể không áp dụng cho các phần cụ thể. Tuy nhiên, chúng đã làm nổi bật những lợi ích của việc đo và chuẩn hóa kích thước hạt nguyên liệu thô khi thiết kế các bộ phận mới để tránh các lỗi phổ biến và tối ưu hóa các thông số đúc.
Các nhà sản xuất máy dập kim loại chính xác và các hoạt động dập sâu trên kim loại để tạo thành các bộ phận của họ sẽ phối hợp tốt với các nhà luyện kim trên các máy cán lại chính xác có trình độ kỹ thuật, những người có thể giúp họ tối ưu hóa vật liệu đến mức hạt.
Tạp chí Stamping là tạp chí ngành duy nhất chuyên phục vụ nhu cầu của thị trường dập kim loại. Kể từ năm 1989, ấn phẩm này đã đưa tin về các công nghệ tiên tiến, xu hướng của ngành, các phương pháp hay nhất và tin tức để giúp các chuyên gia dập hoạt động kinh doanh của họ hiệu quả hơn.
Giờ đây, với toàn quyền truy cập vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, bạn có thể dễ dàng truy cập vào các tài nguyên ngành có giá trị.
Phiên bản kỹ thuật số của Tạp chí Tube & Pipe hiện có thể truy cập đầy đủ, giúp dễ dàng truy cập các tài nguyên công nghiệp có giá trị.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào ấn bản kỹ thuật số của Tạp chí DẤU, nơi cung cấp những tiến bộ công nghệ mới nhất, các phương pháp hay nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Giờ đây, với toàn quyền truy cập vào phiên bản kỹ thuật số của The Fabricator en Español, bạn có thể dễ dàng truy cập vào các tài nguyên ngành có giá trị.