يمكن الحصول على فوائد من خلال اكتساب نظرة ثاقبة على طبقة واحدة من بنية الحبوب التي تتحكم في السلوك الميكانيكي للفولاذ المقاوم للصدأ. صور جيتي
يتركز اختيار سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم بشكل عام حول القوة واللدونة والاستطالة والصلابة. تشير هذه الخصائص إلى كيفية استجابة كتل البناء المعدنية للأحمال المطبقة. وهي مؤشر فعال لإدارة قيود المواد الخام؛ أي مقدار الانحناء قبل الانكسار. يجب أن تكون المادة الخام قادرة على تحمل عملية التشكيل دون أن تنكسر.
يعد اختبار الشد والصلابة المدمر طريقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة لتحديد الخصائص الميكانيكية. ومع ذلك، فإن هذه الاختبارات ليست دائمًا موثوقة بمجرد أن يبدأ سمك المادة الخام في الحد من حجم عينة الاختبار. لا يزال اختبار الشد للمنتجات المعدنية المسطحة مفيدًا بالطبع، ولكن يمكن الحصول على الفوائد من خلال النظر بشكل أعمق إلى طبقة واحدة من بنية الحبوب التي تتحكم في سلوكها الميكانيكي.
تتكون المعادن من سلسلة من البلورات المجهرية تسمى الحبوب. وهي موزعة عشوائيًا في جميع أنحاء المعدن. تشكل ذرات العناصر السبائكية، مثل الحديد والكروم والنيكل والمنجنيز والسيليكون والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، جزءًا من حبة واحدة. تشكل هذه الذرات محلولًا صلبًا من أيونات المعادن، والتي ترتبط بالشبكة البلورية من خلال إلكتروناتها المشتركة.
يحدد التركيب الكيميائي للسبائك الترتيب المفضل ترموديناميكيًا للذرات في الحبوب، والمعروف باسم البنية البلورية. تشكل الأجزاء المتجانسة من المعدن التي تحتوي على بنية بلورية متكررة حبيبة واحدة أو أكثر تسمى الأطوار. تعتمد الخصائص الميكانيكية للسبائك على البنية البلورية في السبائك. وينطبق الشيء نفسه على حجم وترتيب حبيبات كل طور.
معظم الناس على دراية بمراحل الماء. عندما يتجمد الماء السائل، فإنه يتحول إلى جليد صلب. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالمعادن، لا توجد مرحلة صلبة واحدة فقط. يتم تسمية بعض عائلات السبائك حسب مراحلها. بين الفولاذ المقاوم للصدأ، تتكون سبائك الأوستنيتية من السلسلة 300 بشكل أساسي من الأوستينيت عند التلدين. ومع ذلك، تتكون سبائك السلسلة 400 من الفريت في الفولاذ المقاوم للصدأ 430 أو المارتنسيت في سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ 410 و 420.
وينطبق الشيء نفسه على سبائك التيتانيوم. يشير اسم كل مجموعة سبائك إلى الطور السائد في درجة حرارة الغرفة - ألفا أو بيتا أو خليط من الاثنين. هناك سبائك ألفا، وشبه ألفا، وألفا بيتا، وبيتا، وشبه بيتا.
عندما يتصلب المعدن السائل، تترسب الجسيمات الصلبة للمرحلة المفضلة ديناميكيًا حراريًا حيث يسمح الضغط ودرجة الحرارة والتركيب الكيميائي بذلك. يحدث هذا عادةً عند الواجهات، مثل بلورات الجليد على سطح بركة دافئة في يوم بارد. عندما تتشكل الحبوب، ينمو الهيكل البلوري في اتجاه واحد حتى يتم مواجهة حبة أخرى. تتشكل حدود الحبوب عند تقاطعات الشبكات غير المتطابقة بسبب التوجهات المختلفة للهياكل البلورية. تخيل وضع مجموعة من مكعبات روبيك بأحجام مختلفة في صندوق. يحتوي كل مكعب على ترتيب شبكي مربع، ولكن سيتم ترتيبها جميعًا في اتجاهات عشوائية مختلفة. تتكون قطعة العمل المعدنية المتصلبة بالكامل من سلسلة من الحبوب ذات التوجه العشوائي على ما يبدو.
في أي وقت يتم فيه تشكيل حبة، هناك احتمالية وجود عيوب خطية. هذه العيوب هي أجزاء مفقودة من البنية البلورية تسمى الخلع. هذه الخلع وحركتها اللاحقة عبر الحبوب وعبر حدود الحبوب أساسية لمرونة المعدن.
يتم تثبيت مقطع عرضي لقطعة العمل، وطحنه، وتلميعه، وحفره لعرض بنية الحبوب. عندما تكون موحدة ومتساوية المحاور، تبدو الهياكل الدقيقة التي يتم ملاحظتها على المجهر الضوئي مثل أحجية الصور المقطوعة. في الواقع، تكون الحبوب ثلاثية الأبعاد، ويختلف المقطع العرضي لكل حبة اعتمادًا على اتجاه المقطع العرضي لقطعة العمل.
عندما يمتلئ البناء البلوري بكل ذراته فلا يبقى هناك مجال للحركة سوى تمدد الروابط الذرية.
عندما تقوم بإزالة نصف صف من الذرات، فإنك تخلق فرصة لصف آخر من الذرات للانزلاق إلى هذا الوضع، مما يؤدي فعليًا إلى تحريك الخلع. عندما يتم تطبيق قوة على قطعة العمل، فإن الحركة المجمعة للخلع في البنية الدقيقة تمكنها من الانحناء أو التمدد أو الضغط دون كسر أو تكسر.
عندما تؤثر قوة على سبيكة معدنية، فإن النظام يزيد من الطاقة. إذا تمت إضافة طاقة كافية للتسبب في تشوه بلاستيكي، فإن الشبكة تتشوه وتتشكل خلع جديدة. يبدو من المنطقي أن يؤدي هذا إلى زيادة اللدونة، لأنه يحرر المزيد من المساحة وبالتالي يخلق إمكانية لمزيد من حركة الخلع. ومع ذلك، عندما تصطدم الخلع، فإنها يمكن أن تصلح بعضها البعض.
مع زيادة عدد وتركيز الخلع، يتم تثبيت المزيد والمزيد من الخلع معًا، مما يقلل من اللدونة. في النهاية، يظهر عدد كبير جدًا من الخلع بحيث لم يعد التشكيل البارد ممكنًا. نظرًا لأن الخلع المثبت الحالي لم يعد بإمكانه التحرك، فإن الروابط الذرية في الشبكة تتمدد حتى تنكسر أو تنكسر. هذا هو السبب في أن السبائك المعدنية تعمل على التصلب، ولماذا يوجد حد لكمية التشوه البلاستيكي الذي يمكن أن يتحمله المعدن قبل الانكسار.
تلعب الحبوب أيضًا دورًا مهمًا في التلدين. يؤدي تلدين المواد المتصلبة إلى إعادة ضبط البنية الدقيقة وبالتالي استعادة اللدونة. أثناء عملية التلدين، يتم تحويل الحبوب في ثلاث خطوات:
تخيل شخصًا يسير في عربة قطار مزدحمة. لا يمكن ضغط الحشود إلا من خلال ترك فجوات بين الصفوف، مثل الخلع في الشبكة. ومع تقدمهم، ملأ الأشخاص خلفهم الفراغ الذي تركوه، بينما خلقوا مساحة جديدة في المقدمة. بمجرد وصولهم إلى الطرف الآخر من العربة، يتغير ترتيب الركاب. إذا حاول الكثير من الناس المرور في نفس الوقت، فإن الركاب الذين يحاولون إفساح المجال لحركتهم سوف يصطدمون ببعضهم البعض ويضربون جدران عربات القطار، مما يؤدي إلى تثبيت الجميع في مكانهم. كلما زاد عدد الخلع الذي يظهر، زادت صعوبة تحركهم في نفس الوقت.
من المهم فهم الحد الأدنى لمستوى التشوه المطلوب لتحفيز إعادة التبلور. ومع ذلك، إذا لم يكن لدى المعدن طاقة تشوه كافية قبل تسخينه، فلن يحدث إعادة التبلور وستستمر الحبيبات ببساطة في النمو إلى ما هو أبعد من حجمها الأصلي.
يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية عن طريق التحكم في نمو الحبوب. حدود الحبوب هي في الأساس جدار من الخلع. إنها تعيق الحركة.
إذا تم تقييد نمو الحبوب، فسيتم إنتاج عدد أكبر من الحبوب الصغيرة. وتعتبر هذه الحبوب الأصغر حجمًا أدق من حيث بنية الحبوب. تعني حدود الحبوب الأكبر حركة خلع أقل وقوة أعلى.
إذا لم يتم تقييد نمو الحبوب، فإن بنية الحبوب تصبح أكثر خشونة، والحبوب أكبر، والحدود أقل، والقوة أقل.
غالبًا ما يُشار إلى حجم الحبيبات على أنه رقم بدون وحدة، في مكان ما بين 5 و15. هذه نسبة نسبية وترتبط بمتوسط ​​قطر الحبيبات. كلما زاد الرقم، كانت الحبيبات أدق.
تحدد المواصفة ASTM E112 طرق قياس وتقييم حجم الحبوب. وهي تتضمن حساب كمية الحبوب في منطقة معينة. ويتم ذلك عادةً عن طريق قطع مقطع عرضي من المادة الخام وطحنها وتلميعها، ثم نقشها بالحامض لكشف الجسيمات. ويتم العد تحت المجهر، ويسمح التكبير بأخذ عينات كافية من الحبوب. يشير تعيين أرقام حجم الحبوب ASTM إلى مستوى معقول من التوحيد في شكل الحبوب وقطرها. وقد يكون من المفيد أيضًا الحد من التباين في حجم الحبوب إلى نقطتين أو ثلاث نقاط لضمان الأداء المتسق عبر قطعة العمل.
في حالة التصلب بالعمل، تكون العلاقة بين القوة والليونة عكسية. تميل العلاقة بين حجم حبيبات ASTM والقوة إلى أن تكون إيجابية وقوية، وعادةً ما يكون الاستطالة عكسياً مع حجم حبيبات ASTM. ومع ذلك، فإن النمو المفرط للحبيبات يمكن أن يتسبب في عدم قدرة المواد "الميتة اللينة" على التصلب بشكل فعال.
غالبًا ما يُشار إلى حجم الحبوب على أنه رقم بدون وحدة، في مكان ما بين 5 و15. هذه نسبة نسبية وترتبط بمتوسط ​​قطر الحبوب. كلما زادت قيمة حجم الحبوب وفقًا لمعايير ASTM، زاد عدد الحبوب لكل وحدة مساحة.
يختلف حجم حبيبات المادة الملدنة باختلاف الوقت ودرجة الحرارة ومعدل التبريد. تتم عملية التلدين عادة بين درجة حرارة إعادة التبلور ونقطة انصهار السبائك. يتراوح نطاق درجة حرارة التلدين الموصى به لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 301 بين 1900 و2050 درجة فهرنهايت. سيبدأ في الذوبان عند حوالي 2550 درجة فهرنهايت. على النقيض من ذلك، يجب تلدين التيتانيوم النقي تجاريًا من الدرجة 1 عند 1292 درجة فهرنهايت ويذوب عند حوالي 3000 درجة فهرنهايت.
أثناء عملية التلدين، تتنافس عمليتا الاسترداد وإعادة التبلور مع بعضهما البعض حتى تستهلك الحبوب المعاد بلورتها جميع الحبوب المشوهة. يختلف معدل إعادة التبلور مع درجة الحرارة. بمجرد اكتمال إعادة التبلور، يتولى نمو الحبوب زمام الأمور. ستتمتع قطعة العمل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 301 التي تم تلدينها عند 1900 درجة فهرنهايت لمدة ساعة ببنية حبيبات أدق من نفس قطعة العمل التي تم تلدينها عند 2000 درجة فهرنهايت لنفس الوقت.
إذا لم يتم الاحتفاظ بالمادة في نطاق التلدين المناسب لفترة كافية، فقد يكون الهيكل الناتج عبارة عن مزيج من الحبوب القديمة والجديدة. إذا كانت الخصائص الموحدة مطلوبة في جميع أنحاء المعدن، فيجب أن تهدف عملية التلدين إلى تحقيق بنية حبيبات متساوية المحاور. تعني الموحدة أن جميع الحبوب لها نفس الحجم تقريبًا، والمتساوية المحاور تعني أنها لها نفس الشكل تقريبًا.
للحصول على بنية مجهرية موحدة ومتساوية المحاور، يجب تعريض كل قطعة عمل لنفس كمية الحرارة لنفس المدة الزمنية ويجب تبريدها بنفس المعدل. هذا ليس دائمًا سهلاً أو ممكنًا مع التلدين الدفعي، لذلك من المهم الانتظار على الأقل حتى يتم تشبع قطعة العمل بالكامل عند درجة الحرارة المناسبة قبل حساب وقت النقع. ستؤدي أوقات النقع الأطول ودرجات الحرارة الأعلى إلى بنية حبيبات أكثر خشونة / مادة أكثر ليونة والعكس صحيح.
إذا كان حجم الحبيبات وقوتها مرتبطين، وكانت القوة معروفة، فلماذا نحسب الحبيبات، أليس كذلك؟ جميع الاختبارات التدميرية قابلة للتغيير. يعتمد اختبار الشد، وخاصةً عند السماكات المنخفضة، إلى حد كبير على تحضير العينة. قد تتعرض نتائج قوة الشد التي لا تمثل خصائص المادة الفعلية للفشل المبكر.
إذا لم تكن الخصائص موحدة في جميع أنحاء قطعة العمل، فإن أخذ عينة اختبار الشد أو عينة من حافة واحدة قد لا يخبرنا بالقصة الكاملة. كما يمكن أن يستغرق تحضير العينة واختبارها وقتًا طويلاً. ما عدد الاختبارات الممكنة لمعدن معين، وفي أي عدد من الاتجاهات يكون ذلك ممكنًا؟ إن تقييم بنية الحبوب هو تأمين إضافي ضد المفاجآت.
متباين الخواص، متساوي الخواص. يشير التباين إلى اتجاهية الخصائص الميكانيكية. بالإضافة إلى القوة، يمكن فهم التباين بشكل أفضل من خلال فحص بنية الحبوب.
يجب أن يكون هيكل الحبوب الموحد والمتساوي المحاور متساوي الخواص، مما يعني أنه يحتوي على نفس الخصائص في جميع الاتجاهات. تعتبر الخواص المتساوية مهمة بشكل خاص في عمليات السحب العميقة حيث يكون التركيز أمرًا بالغ الأهمية. عندما يتم سحب المادة الفارغة إلى القالب، فإن المادة المتباينة الخواص لن تتدفق بشكل موحد، مما قد يؤدي إلى عيب يسمى القرط. يحدث القرط حيث يشكل الجزء العلوي من الكأس صورة ظلية متموجة. يمكن أن يكشف فحص هيكل الحبوب عن موقع عدم التجانس في قطعة العمل ويساعد في تشخيص السبب الجذري.
إن التلدين المناسب أمر بالغ الأهمية لتحقيق الخواص المتساوية، ولكن من المهم أيضًا فهم مدى التشوه قبل التلدين. عندما تتشوه المادة بلاستيكيًا، تبدأ الحبوب في التشوه. في حالة الدرفلة الباردة، وتحويل السُمك إلى طول، ستستطيل الحبوب في اتجاه الدرفلة. عندما تتغير نسبة أبعاد الحبوب، تتغير الخواص المتساوية والخصائص الميكانيكية العامة. في حالة قطع العمل المشوهة بشدة، قد يتم الاحتفاظ ببعض التوجه حتى بعد التلدين. يؤدي هذا إلى عدم الخواص. بالنسبة للمواد المسحوبة بعمق، يكون من الضروري في بعض الأحيان الحد من كمية التشوه قبل التلدين النهائي لتجنب التآكل.
قشر البرتقال. لا يعد الالتقاط هو العيب الوحيد في السحب العميق المرتبط بالقالب. يحدث قشر البرتقال عندما يتم سحب المواد الخام ذات الجسيمات الخشنة للغاية. يتشوه كل حبيبة بشكل مستقل وكدالة لاتجاهها البلوري. يؤدي الاختلاف في التشوه بين الحبيبات المتجاورة إلى مظهر محكم يشبه قشر البرتقال. الملمس هو البنية الحبيبية التي تظهر على سطح جدار الكوب.
تمامًا مثل وحدات البكسل على شاشة التلفزيون، مع بنية حبيبية دقيقة، سيكون الفرق بين كل حبيبة أقل وضوحًا، مما يزيد من الدقة بشكل فعال. قد لا يكون تحديد الخصائص الميكانيكية وحدها كافيًا لضمان حجم حبيبات دقيقة بدرجة كافية لمنع تأثير قشر البرتقال. عندما يكون التباين الأبعادي لقطعة العمل أقل من 10 أضعاف قطر الحبيبات، فإن خصائص الحبيبات الفردية ستدفع سلوك التشكيل. لا يتشوه بالتساوي على العديد من الحبوب، ولكنه يعكس الحجم والاتجاه المحدد لكل حبيبة. يمكن رؤية ذلك من تأثير قشر البرتقال على جدران الكؤوس المرسومة.
بالنسبة لحجم حبيبات ASTM 8، يبلغ متوسط ​​قطر الحبيبات 885 ميكروبوصة. وهذا يعني أن أي انخفاض في السُمك يبلغ 0.00885 بوصة أو أقل يمكن أن يتأثر بتأثير التشكيل الدقيق هذا.
على الرغم من أن الحبوب الخشنة يمكن أن تسبب مشاكل في السحب العميق، إلا أنه يوصى بها أحيانًا للطبع. الختم هو عملية تشوه يتم فيها ضغط الفراغ لإضفاء تضاريس السطح المطلوبة، مثل ربع ملامح وجه جورج واشنطن. على عكس السحب السلكي، لا ينطوي الختم عادةً على الكثير من تدفق المواد السائبة، ولكنه يتطلب الكثير من القوة، والتي قد تؤدي فقط إلى تشويه سطح الفراغ.
لهذا السبب، فإن تقليل إجهاد تدفق السطح باستخدام بنية حبيبات أكثر خشونة يمكن أن يساعد في تخفيف القوى المطلوبة لملء القالب بشكل صحيح. وهذا ينطبق بشكل خاص على الطباعة بالقالب الحر، حيث يمكن للخلوع على حبيبات السطح أن تتدفق بحرية، بدلاً من التراكم عند حدود الحبوب.
إن الاتجاهات التي تمت مناقشتها هنا هي عبارة عن تعميمات قد لا تنطبق على أقسام محددة. ومع ذلك، فقد سلطت الضوء على فوائد قياس وتوحيد حجم حبيبات المواد الخام عند تصميم أجزاء جديدة لتجنب العيوب الشائعة وتحسين معلمات القولبة.
سيعمل مصنعو آلات ختم المعادن الدقيقة وعمليات السحب العميق على المعدن لتشكيل أجزائهم بشكل جيد مع علماء المعادن على آلات إعادة البكرات الدقيقة المؤهلة تقنيًا والتي يمكن أن تساعدهم في تحسين المواد حتى مستوى الحبوب. عندما يتم دمج الخبراء المعدنيين والهندسيين على جانبي العلاقة في فريق واحد، يمكن أن يكون لذلك تأثير تحويلي وإنتاج نتائج أكثر إيجابية.
مجلة STAMPING هي المجلة الصناعية الوحيدة المخصصة لخدمة احتياجات سوق ختم المعادن. منذ عام 1989، كانت المجلة تغطي التقنيات المتطورة واتجاهات الصناعة وأفضل الممارسات والأخبار لمساعدة محترفي الختم على إدارة أعمالهم بكفاءة أكبر.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من The FABRICATOR، يمكنك الوصول بسهولة إلى موارد الصناعة القيمة.
أصبحت النسخة الرقمية من مجلة The Tube & Pipe Journal متاحة الآن بشكل كامل، مما يوفر سهولة الوصول إلى الموارد الصناعية القيمة.
استمتع بالوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة STAMPING Journal، التي توفر أحدث التطورات التكنولوجية وأفضل الممارسات وأخبار الصناعة لسوق ختم المعادن.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من The Fabricator en Español، يمكنك الوصول بسهولة إلى موارد الصناعة القيمة.