Карысці можна атрымаць, вывучыўшы адзін пласт зярністай структуры, які кантралюе механічныя ўласцівасці нержавеючай сталі. Getty Images
Выбар нержавеючай сталі і алюмініевых сплаваў звычайна засяроджваецца на трываласці, пластычнасці, падаўжэнні і цвёрдасці. Гэтыя ўласцівасці паказваюць, як будаўнічыя блокі металу рэагуюць на прыкладзеныя нагрузкі. Яны з'яўляюцца эфектыўным паказчыкам кіравання абмежаваннямі сыравіны, гэта значыць, наколькі яна будзе сагнуцца, перш чым зламацца. Сыравіна павінна быць здольнай вытрымліваць працэс фармавання без разбурэння.
Разбуральныя выпрабаванні на расцяжэнне і цвёрдасць — гэта надзейны і эканамічна эфектыўны метад вызначэння механічных уласцівасцей. Аднак гэтыя выпрабаванні не заўсёды такія надзейныя, калі таўшчыня сыравіны пачынае абмяжоўваць памер выпрабавальнага ўзору. Выпрабаванні на расцяжэнне плоскіх металічных вырабаў, вядома, усё яшчэ карысныя, але перавагі можна атрымаць, больш падрабязна разгледзеўшы адзін пласт зярністай структуры, які кантралюе яго механічныя ўласцівасці.
Металы складаюцца з шэрагу мікраскапічных крышталяў, якія называюцца зернямі. Яны размеркаваны па ўсім метале хаатычна. Атамы легіруючых элементаў, такіх як жалеза, хром, нікель, марганец, крэмній, вуглярод, азот, фосфар і сера ў аўстэнітных нержавеючых сталях, з'яўляюцца часткай аднаго зерня. Гэтыя атамы ўтвараюць цвёрды раствор іонаў металаў, якія звязаны ў крышталічнай рашотцы праз свае агульныя электроны.
Хімічны склад сплаву вызначае тэрмадынамічна пераважнае размяшчэнне атамаў у зернях, вядомае як крышталічная структура. Аднастайныя часткі металу, якія змяшчаюць паўтаральную крышталічную структуру, утвараюць адно або некалькі зерняў, якія называюцца фазамі. Механічныя ўласцівасці сплаву залежаць ад крышталічнай структуры ў сплаве. Тое ж самае тычыцца памеру і размяшчэння зерняў кожнай фазы.
Большасць людзей знаёмыя са стадыямі стану вады. Калі вадкая вада замярзае, яна ператвараецца ў цвёрды лёд. Аднак, калі гаворка ідзе пра металы, няма толькі адной цвёрдай фазы. Некаторыя сямействы сплаваў названы ў гонар сваіх фаз. Сярод нержавеючых сталей аўстэнітныя сплавы серыі 300 складаюцца ў асноўным з аўстэніту пасля адпалу. Аднак сплавы серыі 400 складаюцца з ферыту ў нержавеючай сталі 430 або мартэнсіту ў сплавах нержавеючай сталі 410 і 420.
Тое ж самае тытанавыя сплавы. Назва кожнай групы сплаваў паказвае іх пераважную фазу пры пакаёвай тэмпературы — альфа, бэта або сумесь абедзвюх. Існуюць альфа, блізкія да альфа, альфа-бэта, бэта і блізкія да бэта сплавы.
Калі вадкі метал застывае, цвёрдыя часціцы тэрмадынамічна пераважнай фазы будуць выпадаць у асадак там, дзе дазваляюць ціск, тэмпература і хімічны склад. Звычайна гэта адбываецца на паверхнях падзелу фаз, як крышталі лёду на паверхні цёплай сажалкі ў халодны дзень. Калі зерні зараджаюцца, крышталічная структура расце ў адным кірунку, пакуль не сустрэнецца іншае зерне. Межы зерняў утвараюцца на скрыжаваннях нясупадаючых рашотак з-за рознай арыентацыі крышталічных структур. Уявіце, што вы кладзеце ў скрынку кучу кубікаў Рубіка рознага памеру. Кожны кубік мае квадратную сетку, але ўсе яны будуць размешчаны ў розных выпадковых напрамках. Цалкам зацвярдзелая металічная дэталь складаецца з шэрагу, здавалася б, выпадкова арыентаваных зерняў.
Кожны раз, калі ўтвараецца зерне, існуе верагоднасць з'яўлення лінейных дэфектаў. Гэтыя дэфекты - гэта адсутныя часткі крышталічнай структуры, якія называюцца дыслакацыямі. Гэтыя дыслакацыі і іх наступны рух па ўсім зерні і праз межы зерняў маюць фундаментальнае значэнне для пластычнасці металу.
Папярочны разрэз загатоўкі мантуецца, шліфуецца, паліруецца і пратраўліваецца, каб убачыць структуру зярнят. Калі мікраструктуры аднастайныя і роўнавосевыя, яны выглядаюць як пазл. У рэальнасці зярняткі трохмерныя, і папярочны разрэз кожнага зярнятка будзе змяняцца ў залежнасці ад арыентацыі папярочнага сячэння загатоўкі.
Калі крышталічная структура запоўнена ўсімі сваімі атамамі, няма месца для руху, акрамя расцяжэння атамных сувязей.
Калі вы выдаляеце палову рада атамаў, вы ствараеце магчымасць для іншага рада атамаў саслізнуць у гэтае становішча, эфектыўна перамяшчаючы дыслакацыю. Калі да дэталі прыкладаецца сіла, агрэгаваны рух дыслакацый у мікраструктуры дазваляе ёй згінацца, расцягвацца або сціскацца без разбурэння або паломкі.
Калі на металічны сплаў дзейнічае сіла, энергія сістэмы павялічваецца. Калі дадаецца дастаткова энергіі, каб выклікаць пластычную дэфармацыю, рашотка дэфармуецца і ўтвараюцца новыя дыслакацыі. Здаецца лагічным, што гэта павінна павялічваць пластычнасць, бо вызваляе больш прасторы і, такім чынам, стварае патэнцыял для большага руху дыслакацый. Аднак, калі дыслакацыі сутыкаюцца, яны могуць фіксаваць адна адну.
Па меры павелічэння колькасці і канцэнтрацыі дыслакацый усё больш і больш дыслакацый замацоўваюцца разам, што зніжае пластычнасць. У рэшце рэшт з'яўляецца так шмат дыслакацый, што халоднае фармаванне становіцца немагчымым. Паколькі існуючыя замацаваныя дыслакацыі больш не могуць рухацца, атамныя сувязі ў рашотцы расцягваюцца, пакуль не разбураюцца або не разбураюцца. Вось чаму металічныя сплавы пры рабочым цвярдзенні мацуюцца, і чаму існуе абмежаванне на велічыню пластычнай дэфармацыі, якую метал можа вытрымаць да разбурэння.
Зерне таксама адыгрывае важную ролю ў адпалі. Адпал накаленай матэрыялу па сутнасці скідае мікраструктуру і, такім чынам, аднаўляе пластычнасць. Падчас працэсу адпалу зярне трансфармуюцца ў тры этапы:
Уявіце сабе чалавека, які ідзе праз перапоўнены вагон цягніка. Натоўп можна сціснуць толькі шляхам пакідання прамежкаў паміж радамі, як зрушэнняў у рашотцы. Па меры прасоўвання людзі ззаду запаўнялі пакінутую пустэчу, ствараючы новую прастору перад імі. Як толькі яны дасягаюць другога канца вагона, размяшчэнне пасажыраў змяняецца. Калі занадта шмат людзей спрабуе прайсці адначасова, пасажыры, якія спрабуюць вызваліць месца для свайго руху, сутыкнуцца адзін з адным і ўдарыцца аб сценкі вагонаў, прыціснуўшы ўсіх на месцы. Чым больш зрушэнняў з'яўляецца, тым цяжэй ім рухацца адначасова.
Важна разумець мінімальны ўзровень дэфармацыі, неабходны для запуску рэкрышталізацыі. Аднак, калі метал не мае дастатковай энергіі дэфармацыі перад награваннем, рэкрышталізацыя не адбудзецца, і зерні проста працягнуць расці больш, чым іх першапачатковы памер.
Механічныя ўласцівасці можна рэгуляваць, кантралюючы рост зерняў. Мяжа зерняў — гэта, па сутнасці, сцяна дыслакацый. Яны перашкаджаюць руху.
Калі рост зерняў абмежаваны, будзе ўтварацца большая колькасць дробных зерняў. Гэтыя меншыя зерні лічацца больш дробнымі з пункту гледжання структуры зерняў. Больш межаў зерняў азначае меншы рух дыслакацый і больш высокую трываласць.
Калі рост зерняў не абмяжоўваецца, структура зерняў становіцца больш грубай, зерні буйнымі, межы меншымі, а трываласць ніжэйшай.
Памер зерня часта называюць безадзінкавым лікам, дзесьці паміж 5 і 15. Гэта адноснае суадносіны, якое звязана з сярэднім дыяметрам зерня. Чым большы лік, тым драбнейшая грануляцыя.
У стандарты ASTM E112 апісаны метады вымярэння і ацэнкі памеру зерня. Гэта прадугледжвае падлік колькасці зерня ў пэўнай вобласці. Звычайна гэта робіцца шляхам разразання папярочнага сячэння сыравіны, яе шліфоўкі і паліроўкі, а затым пратраўлення кіслатой для выяўлення часціц. Падлік праводзіцца пад мікраскопам, і павелічэнне дазваляе адэкватна адабраць пробныя ўзоры зерня. Прызначэнне нумароў памеру зерня па стандартах ASTM паказвае на разумны ўзровень аднастайнасці формы і дыяметра зерня. Можа быць нават выгадна абмежаваць варыяцыі памеру зерня двума-трыма кропкамі, каб забяспечыць стабільную працу па ўсёй дэталі.
У выпадку дэфармацыйнага ўмацавання трываласць і пластычнасць маюць адваротную залежнасць. Сувязь паміж памерам зерня па ASTM і трываласцю, як правіла, станоўчая і моцная, звычайна падаўжэнне адваротна прапарцыянальна памеру зерня па ASTM. Аднак празмерны рост зерня можа прывесці да таго, што «мяккія» матэрыялы больш не будуць эфектыўна ўмацоўвацца дэфармацыйным умацаваннем.
Памер зерня часта называюць безадзінкавым лікам, дзесьці паміж 5 і 15. Гэта адноснае суадносіны, якое звязана з сярэднім дыяметрам зерня. Чым вышэй значэнне памеру зерня па стандарты ASTM, тым больш зерняў на адзінку плошчы.
Памер зерня адпаленага матэрыялу змяняецца ў залежнасці ад часу, тэмпературы і хуткасці астуджэння. Адпал звычайна праводзіцца ў дыяпазоне паміж тэмпературай перакрышталізацыі і тэмпературай плаўлення сплаву. Рэкамендаваны дыяпазон тэмператур адпалу для аўстэнітнай нержавеючай сталі 301 складае ад 1900 да 2050 градусаў па Фарэнгейту. Ён пачне плаўіцца пры тэмпературы каля 2550 градусаў па Фарэнгейту. Наадварот, камерцыйна чысты тытан 1-га гатунку павінен адпальвацца пры тэмпературы 1292 градусы па Фарэнгейту і плаўіцца пры тэмпературы каля 3000 градусаў па Фарэнгейту.
Падчас адпалу працэсы аднаўлення і рэкрышталізацыі канкуруюць адзін з адным, пакуль рэкрышталізаваныя зерні не знішчаць усе дэфармаваныя зерні. Хуткасць рэкрышталізацыі змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы. Пасля завяршэння рэкрышталізацыі адбываецца рост зерняў. Апрацоўка з нержавеючай сталі 301, адпаленая пры тэмпературы 1900°F на працягу адной гадзіны, будзе мець больш дробную структуру зерняў, чым такая ж апрацоўка, адпаленая пры тэмпературы 2000°F на працягу таго ж часу.
Калі матэрыял не вытрымліваецца ў належным дыяпазоне адпалу дастаткова доўга, атрыманая структура можа ўяўляць сабой камбінацыю старых і новых зерняў. Калі жадаюцца аднастайныя ўласцівасці па ўсім метале, працэс адпалу павінен быць накіраваны на дасягненне аднастайнай роўнавосевай структуры зерняў. Аднастайная азначае, што ўсе зерні прыблізна аднолькавага памеру, а роўнавосевая азначае, што яны прыблізна аднолькавай формы.
Каб атрымаць аднастайную і роўнавосевую мікраструктуру, кожную дэталь трэба падвяргаць уздзеянню аднолькавай колькасці цяпла на працягу аднолькавага часу і астываць з аднолькавай хуткасцю. Гэта не заўсёды проста або магчыма пры пакетным адпале, таму важна хаця б пачакаць, пакуль уся дэталь не насыціцца пры адпаведнай тэмпературы, перш чым разлічваць час вытрымкі. Больш працяглы час вытрымкі і больш высокая тэмпература прывядуць да больш грубай зярністай структуры/больш мяккага матэрыялу і наадварот.
Калі памер зерня і трываласць звязаныя, і трываласць вядомая, навошта разлічваць зерне, праўда? Усе разбуральныя выпрабаванні маюць зменлівасць. Выпрабаванні на расцяжэнне, асабліва пры меншай таўшчыні, у значнай ступені залежаць ад падрыхтоўкі ўзору. Вынікі трываласці на расцяжэнне, якія не адлюстроўваюць рэальныя ўласцівасці матэрыялу, могуць заўчасна разбурыцца.
Калі ўласцівасці неаднастайныя па ўсёй дэталі, узяцце ўзору для выпрабаванняў на расцяжэнне або ўзору з аднаго краю можа не даць поўнай інфармацыі. Падрыхтоўка і выпрабаванне ўзору таксама могуць заняць шмат часу. Колькі выпрабаванняў можна правесці для дадзенага металу і ў колькіх напрамках гэта магчыма? Ацэнка структуры збожжа — гэта дадатковая страхоўка ад нечаканасцяў.
Анізатропны, ізатропны. Анізатрапія адносіцца да накіраванасці механічных уласцівасцей. Акрамя трываласці, анізатрапію можна лепш зразумець, даследуючы структуру зярнят.
Аднастайная і роўнавосевая структура зярнят павінна быць ізатропнай, гэта значыць, яна мае аднолькавыя ўласцівасці ва ўсіх напрамках. Ізатропія асабліва важная ў працэсах глыбокай выцяжкі, дзе канцэнтрычнасць мае вырашальнае значэнне. Калі нарыхтоўка ўцягваецца ў форму, анізатропны матэрыял не будзе цячы раўнамерна, што можа прывесці да дэфекту, які называецца завушніцай. Завушніца ўзнікае там, дзе верхняя частка кубкі ўтварае хвалісты сілуэт. Вывучэнне структуры зярнят можа выявіць месцазнаходжанне неаднароднасцей у загатоўцы і дапамагчы дыягнаставаць першапрычыну.
Правільны адпал мае вырашальнае значэнне для дасягнення ізатрапіі, але таксама важна разумець ступень дэфармацыі перад адпалам. Па меры пластычнай дэфармацыі матэрыялу пачынаюць дэфармавацца і зярняты. У выпадку халоднай пракаткі, пераўтварэння таўшчыні ў даўжыню, зярняты будуць падаўжацца ў кірунку пракаткі. Па меры змены суадносін бакоў зярнят змяняюцца ізатрапія і агульныя механічныя ўласцівасці. У выпадку моцна дэфармаваных дэталяў некаторая арыентацыя можа захоўвацца нават пасля адпалу. Гэта прыводзіць да анізатрапіі. Для глыбокацягнутых матэрыялаў часам неабходна абмежаваць велічыню дэфармацыі перад канчатковым адпалам, каб пазбегнуць зносу.
Апельсінавая скарынка. Набіранне - не адзіны дэфект глыбокай выцяжкі, звязаны з фільерай. Апельсінавая скарынка ўзнікае, калі выцягваецца сыравіна з занадта буйнымі часціцамі. Кожнае зерне дэфармуецца незалежна і ў залежнасці ад арыентацыі яго крышталя. Розніца ў дэфармацыі паміж суседнімі зернямі прыводзіць да тэкстураванага выгляду, падобнага да апельсінавай скарынкі. Тэкстура - гэта крупчастая структура, якая выяўляецца на паверхні сценкі кубкі.
Гэтак жа, як і ў выпадку з пікселямі на экране тэлевізара, з дробназярністай структурай розніца паміж кожным зернем будзе менш прыкметнай, што эфектыўна павялічвае раздзяляльную здольнасць. Адных толькі механічных уласцівасцей можа быць недастаткова для забеспячэння дастаткова дробнага памеру зерня, каб прадухіліць эфект «апельсінавай скарынкі». Калі змена памеру нарыхтоўкі меншая за 10 разоў за дыяметр зерня, уласцівасці асобных зерняў будуць вызначаць паводзіны фармавання. Яно не дэфармуецца аднолькава па многіх зернях, а адлюстроўвае канкрэтны памер і арыентацыю кожнага зерня. Гэта відаць па эфекце «апельсінавай скарынкі» на сценках вырабленых кубкаў.
Для памеру зерня ASTM, роўнага 8, сярэдні дыяметр зерня складае 885 мкцаляў. Гэта азначае, што любое памяншэнне таўшчыні на 0,00885 цалі або менш можа быць закранута гэтым эфектам мікрафармавання.
Нягледзячы на ​​тое, што буйныя зярністыя матэрыялы могуць выклікаць праблемы з глыбокай выцяжкай, іх часам рэкамендуюць выкарыстоўваць для штампавання. Штампоўка — гэта працэс дэфармацыі, пры якім загатоўка сціскаецца для надання патрэбнай тапаграфіі паверхні, напрыклад, чвэрці контураў твару Джорджа Вашынгтона. У адрозненне ад выцяжкі дроту, штампоўка звычайна не патрабуе вялікай колькасці сыпкага матэрыялу, але патрабуе вялікай сілы, што можа толькі дэфармаваць паверхню загатоўкі.
Па гэтай прычыне мінімізацыя паверхневага патоку за кошт выкарыстання больш грубай зярністай структуры можа дапамагчы паменшыць сілы, неабходныя для належнага запаўнення формы. Гэта асабліва актуальна ў выпадку штампавання свабоднай формай, калі дыслакацыі на паверхні зерняў могуць свабодна цячы, а не назапашвацца на межах зерняў.
Тэндэнцыі, якія абмяркоўваюцца тут, з'яўляюцца абагульненнямі, якія могуць не распаўсюджвацца на канкрэтныя раздзелы. Аднак яны падкрэсліваюць перавагі вымярэння і стандартызацыі памеру часціц сыравіны пры праектаванні новых дэталяў, каб пазбегнуць распаўсюджаных памылак і аптымізаваць параметры ліцця.
Вытворцы дакладных штамповачных станкоў для металу і машын для глыбокай выцяжкі металу для фарміравання сваіх дэталяў будуць добра супрацоўнічаць з металургамі, якія працуюць на тэхнічна кваліфікаваных дакладных перавальцовачных станках, што дапаможа ім аптымізаваць матэрыялы аж да ўзроўню зерня. Калі эксперты па металургіі і інжынерыі з абодвух бакоў аб'яднаны ў адну каманду, гэта можа аказаць трансфармацыйны ўплыў і прывесці да больш пазітыўных вынікаў.
Часопіс «ШТАМПІНГ» — адзіны галіновы часопіс, прысвечаны задавальненню патрэб рынку штампоўкі металу. З 1989 года выданне асвятляе перадавыя тэхналогіі, галіновыя тэндэнцыі, перадавы вопыт і навіны, каб дапамагчы спецыялістам па штампоўцы больш эфектыўна весці свой бізнес.
Цяпер з поўным доступам да лічбавага выдання The FABRICATOR, лёгкі доступ да каштоўных галіновых рэсурсаў.
Лічбавае выданне часопіса «The Tube & Pipe Journal» цяпер цалкам даступнае, што забяспечвае лёгкі доступ да каштоўных галіновых рэсурсаў.
Атрымайце поўны доступ да лічбавага выдання часопіса STAMPING, які змяшчае найноўшыя тэхналагічныя дасягненні, перадавы вопыт і галіновыя навіны для рынку штампоўкі металу.
Цяпер з поўным доступам да лічбавага выдання The Fabricator en Español, лёгкі доступ да каштоўных галіновых рэсурсаў.