Ползи могат да се получат чрез получаване на представа за един слой от зърнестата структура, който контролира механичното поведение на неръждаемата стомана. Getty Images
Изборът на неръждаема стомана и алуминиеви сплави обикновено се фокусира върху якост, пластичност, удължение и твърдост. Тези свойства показват как градивните елементи на метала реагират на приложените натоварвания. Те са ефективен индикатор за управление на ограниченията на суровината; т.е. колко ще се огъне, преди да се счупи. Суровината трябва да може да издържи на процеса на формоване, без да се счупи.
Разрушителното изпитване на опън и твърдост е надежден и рентабилен метод за определяне на механични свойства. Тези изпитвания обаче не винаги са толкова надеждни, след като дебелината на суровината започне да ограничава размера на изпитваната проба. Разбира се, изпитването на опън на плоски метални продукти все още е полезно, но ползите могат да се получат чрез по-задълбочен поглед върху един слой от зърнената структура, който контролира механичното му поведение.
Металите са изградени от поредица от микроскопични кристали, наречени зърна. Те са разпределени произволно в метала. Атомите на легиращи елементи, като желязо, хром, никел, манган, силиций, въглерод, азот, фосфор и сяра в аустенитните неръждаеми стомани, са част от едно зърно. Тези атоми образуват твърд разтвор от метални йони, които са свързани в кристалната решетка чрез споделените си електрони.
Химичният състав на сплавта определя термодинамично предпочитаното разположение на атомите в зърната, известно като кристална структура. Хомогенни части от метал, съдържащи повтаряща се кристална структура, образуват едно или повече зърна, наречени фази. Механичните свойства на сплавта са функция на кристалната структура в сплавта. Същото важи и за размера и разположението на зърната на всяка фаза.
Повечето хора са запознати с етапите на водата. Когато течната вода замръзне, тя се превръща в твърд лед. Когато обаче става въпрос за метали, няма само една твърда фаза. Някои семейства сплави са кръстени на своите фази. Сред неръждаемите стомани, аустенитните сплави от серия 300 се състоят предимно от аустенит при отгряване. Сплавите от серия 400 обаче се състоят от ферит в неръждаема стомана 430 или мартензит в сплави от неръждаема стомана 410 и 420.
Същото важи и за титановите сплави. Името на всяка група сплави показва преобладаващата им фаза при стайна температура – ​​алфа, бета или смес от двете. Има алфа, почти алфа, алфа-бета, бета и почти бета сплави.
Когато течният метал се втвърди, твърдите частици на термодинамично предпочитаната фаза ще се утаят там, където налягането, температурата и химичният състав позволяват. Това обикновено се случва на граници на разделяне, като ледени кристали на повърхността на топъл водоем в студен ден. Когато зърната се зародишяват, кристалната структура расте в една посока, докато не се срещне друго зърно. Границите на зърната се образуват в пресечните точки на несъответстващи решетки поради различната ориентация на кристалните структури. Представете си, че поставяте куп кубчета на Рубик с различни размери в кутия. Всеки куб има квадратна решетка, но всички те ще бъдат подредени в различни произволни посоки. Напълно втвърден метален детайл се състои от поредица от привидно произволно ориентирани зърна.
Всеки път, когато се образува зърно, съществува вероятност от линейни дефекти. Тези дефекти са липсващи части от кристалната структура, наречени дислокации. Тези дислокации и последващото им движение в цялото зърно и през границите на зърната са от основно значение за пластичността на метала.
Напречно сечение на детайла се монтира, шлайфа, полира и ецва, за да се види структурата на зърната. Когато са равномерни и равноосни, микроструктурите, наблюдавани на оптичен микроскоп, изглеждат малко като пъзел. В действителност зърната са триизмерни и напречното сечение на всяко зърно ще варира в зависимост от ориентацията на напречното сечение на детайла.
Когато една кристална структура е запълнена с всички свои атоми, няма място за движение, освен разтягането на атомните връзки.
Когато премахнете половината от редица атоми, създавате възможност за друг ред атоми да се плъзне в тази позиция, като ефективно премести дислокацията. Когато върху детайла се приложи сила, агрегираното движение на дислокациите в микроструктурата му позволява да се огъва, разтяга или компресира, без да се счупи или счупи.
Когато сила действа върху метална сплав, системата увеличава енергията. Ако се добави достатъчно енергия, за да предизвика пластична деформация, решетката се деформира и се образуват нови дислокации. Изглежда логично това да увеличи пластичността, тъй като освобождава повече пространство и по този начин създава потенциал за повече движение на дислокациите. Когато обаче дислокациите се сблъскат, те могат да се фиксират взаимно.
С увеличаването на броя и концентрацията на дислокациите, все повече дислокации се закрепват заедно, което намалява пластичността. В крайна сметка се появяват толкова много дислокации, че студеното формоване вече не е възможно. Тъй като съществуващите закрепващи дислокации вече не могат да се движат, атомните връзки в решетката се разтягат, докато се счупят или прекъснат. Ето защо металните сплави се втвърдяват при работа и защо има ограничение за количеството пластична деформация, която един метал може да издържи, преди да се счупи.
Зърното също играе важна роля при отгряването. Отгряването на закален материал по същество нулира микроструктурата и по този начин възстановява пластичността. По време на процеса на отгряване зърната се трансформират в три стъпки:
Представете си човек, който върви през претъпкан вагон. Тълпите могат да бъдат притиснати само като се оставят празнини между редовете, като дислокации в решетка. С напредването си хората зад тях запълват празнотата, която са оставили, докато създават ново пространство отпред. След като стигнат до другия край на вагона, разположението на пътниците се променя. Ако твърде много хора се опитат да минат едновременно, пътниците, които се опитват да направят място за движението си, ще се сблъскат един с друг и ще се ударят в стените на вагоните, приковавайки всички на място. Колкото повече дислокации се появяват, толкова по-трудно е за тях да се движат едновременно.
Важно е да се разбере минималното ниво на деформация, необходимо за задействане на рекристализация. Ако обаче металът няма достатъчно енергия за деформация преди нагряване, рекристализацията няма да се случи и зърната просто ще продължат да растат над първоначалния си размер.
Механичните свойства могат да бъдат настроени чрез контролиране на растежа на зърната. Границата на зърната е по същество стена от дислокации. Те възпрепятстват движението.
Ако растежът на зърната е ограничен, ще се произведат по-голям брой малки зърна. Тези по-малки зърна се считат за по-фини по отношение на структурата на зърната. Повече граници на зърната означават по-малко движение на дислокациите и по-висока якост.
Ако растежът на зърната не е ограничен, структурата на зърната става по-груба, зърната са по-големи, границите са по-малко и якостта е по-ниска.
Размерът на зърната често се нарича безмерно число, някъде между 5 и 15. Това е относително съотношение и е свързано със средния диаметър на зърната. Колкото по-голямо е числото, толкова по-фина е грануларността.
ASTM E112 очертава методите за измерване и оценка на размера на зърната. Това включва преброяване на количеството зърно в дадена област. Това обикновено се прави чрез изрязване на напречно сечение на суровината, шлайфане и полиране, а след това ецване с киселина, за да се разкрият частиците. Преброяването се извършва под микроскоп, а увеличението позволява адекватно вземане на проби от зърната. Присвояването на номерата на размера на зърната по ASTM показва разумно ниво на еднородност във формата и диаметъра на зърната. Може дори да е предимство да се ограничи вариацията в размера на зърната до две или три точки, за да се осигури постоянна производителност в целия детайл.
В случай на втвърдяване чрез деформация, якостта и пластичността имат обратна зависимост. Връзката между размера на зърната по ASTM и якостта е склонна да бъде положителна и силна, като обикновено удължението е обратно пропорционално на размера на зърната по ASTM. Прекомерният растеж на зърната обаче може да доведе до това „мъртво меките“ материали вече да не се втвърдяват ефективно чрез деформация.
Размерът на зърната често се нарича безмерно число, някъде между 5 и 15. Това е относително съотношение и е свързано със средния диаметър на зърната. Колкото по-висока е стойността на размера на зърната по ASTM, толкова повече зърна има на единица площ.
Размерът на зърната на отгрятия материал варира в зависимост от времето, температурата и скоростта на охлаждане. Отгряването обикновено се извършва между температурата на рекристализация и точката на топене на сплавта. Препоръчителният температурен диапазон на отгряване за аустенитна неръждаема стомана 301 е между 1900 и 2050 градуса по Фаренхайт. Тя ще започне да се топи около 2550 градуса по Фаренхайт. За разлика от това, търговски чистият титан от клас 1 трябва да се отгрява при 1292 градуса по Фаренхайт и да се топи около 3000 градуса по Фаренхайт.
По време на отгряване процесите на възстановяване и рекристализация се конкурират помежду си, докато рекристализираните зърна не погълнат всички деформирани зърна. Скоростта на рекристализация варира в зависимост от температурата. След като рекристализацията приключи, растежът на зърната поема контрола. Заготовка от неръждаема стомана 301, отгрята при 1900°F за един час, ще има по-фина зърнеста структура от същата заготовка, отгрята при 2000°F за същото време.
Ако материалът не се държи в правилния диапазон на отгряване достатъчно дълго, получената структура може да бъде комбинация от стари и нови зърна. Ако се желаят еднакви свойства в целия метал, процесът на отгряване трябва да се стреми към постигане на равномерна равноосна структура на зърната. Равномерна означава, че всички зърна са с приблизително еднакъв размер, а равноосна означава, че са с приблизително еднаква форма.
За да се получи равномерна и равноосна микроструктура, всеки детайл трябва да бъде изложен на едно и също количество топлина за едно и също време и да се охлажда с еднаква скорост. Това не винаги е лесно или възможно при периодично отгряване, така че е важно поне да се изчака, докато целият детайл се насити при подходящата температура, преди да се изчисли времето за накисване. По-дългите времена на накисване и по-високите температури ще доведат до по-груба зърнеста структура/по-мек материал и обратно.
Ако размерът на зърната и якостта са свързани и якостта е известна, защо да се изчисляват зърната, нали? Всички разрушителни изпитвания имат променливост. Изпитването на опън, особено при по-малки дебелини, до голяма степен зависи от подготовката на пробата. Резултатите от якостта на опън, които не представят действителните свойства на материала, могат да претърпят преждевременно разрушаване.
Ако свойствата не са еднакви в целия детайл, вземането на образец за изпитване на опън или проба от един ръб може да не разкрие цялата история. Подготовката и изпитването на пробите също могат да отнемат време. Колко изпитвания са възможни за даден метал и в колко посоки е осъществимо? Оценката на зърнестата структура е допълнителна застраховка срещу изненади.
Анизотропен, изотропен. Анизотропията се отнася до насочеността на механичните свойства. В допълнение към якостта, анизотропията може да бъде по-добре разбрана чрез изследване на зърнестата структура.
Една равномерна и равноосна структура на зърната трябва да бъде изотропна, което означава, че има едни и същи свойства във всички посоки. Изотропията е особено важна при процесите на дълбоко изтегляне, където концентричността е критична. Когато заготовката се издърпа в матрицата, анизотропният материал няма да тече равномерно, което може да доведе до дефект, наречен „обица“. Обицата се получава там, където горната част на чашката образува вълнообразен силует. Изследването на структурата на зърната може да разкрие местоположението на нееднородностите в детайла и да помогне за диагностицирането на първопричината.
Правилното отгряване е от решаващо значение за постигане на изотропия, но е важно също така да се разбере степента на деформация преди отгряване. Тъй като материалът се деформира пластично, зърната започват да се деформират. В случай на студено валцуване, превръщайки дебелината в дължина, зърната ще се удължат в посока на валцоване. С промяната на съотношението на страните на зърната се променят и изотропията и общите механични свойства. В случай на силно деформирани детайли, известна ориентация може да се запази дори след отгряване. Това води до анизотропия. За дълбоко изтеглени материали понякога е необходимо да се ограничи количеството деформация преди окончателното отгряване, за да се избегне износване.
Портокалова кора. Натрупването не е единственият дефект при дълбоко изтегляне, свързан с матрицата. Портокалова кора се получава, когато се изтеглят суровини с твърде едри частици. Всяко зърно се деформира независимо и като функция на кристалната си ориентация. Разликата в деформацията между съседните зърна води до текстуриран вид, подобен на портокалова кора. Текстурата е гранулираната структура, разкриваща се на повърхността на стената на чашата.
Точно както пикселите на телевизионен екран, с финозърнеста структура, разликата между всяко зърно ще бъде по-малко забележима, което ефективно увеличава разделителната способност. Самото определяне на механичните свойства може да не е достатъчно, за да се осигури достатъчно фин размер на зърното, за да се предотврати ефектът „портокалова кора“. Когато промяната в размера на детайла е по-малка от 10 пъти диаметъра на зърното, свойствата на отделните зърна ще определят поведението на формоване. То не се деформира еднакво върху много зърна, а отразява специфичния размер и ориентация на всяко зърно. Това може да се види от ефекта „портокалова кора“ върху стените на изтеглените чашки.
За размер на зърната 8 по ASTM, средният диаметър на зърната е 885 µin. Това означава, че всяко намаляване на дебелината от 0,00885 инча или по-малко може да бъде повлияно от този ефект на микроформоване.
Въпреки че едрите зърна могат да причинят проблеми с дълбокото изтегляне, понякога те се препоръчват за щамповане. Щамповането е процес на деформация, при който заготовката се компресира, за да се придаде желаната повърхностна топография, като например една четвърт от лицевите контури на Джордж Вашингтон. За разлика от изтеглянето на тел, щамповането обикновено не включва голям поток от насипен материал, но изисква много сила, което може само да деформира повърхността на заготовката.
Поради тази причина, минимизирането на напрежението от повърхностния поток чрез използване на по-едра зърнеста структура може да помогне за облекчаване на силите, необходими за правилното запълване на матрицата. Това е особено вярно в случая на свободно щанцоване, където дислокациите по повърхностните зърна могат да текат свободно, вместо да се натрупват по границите на зърната.
Обсъжданите тук тенденции са обобщения, които може да не се отнасят за конкретни раздели. Те обаче подчертават ползите от измерването и стандартизирането на размера на частиците на суровината при проектирането на нови части, за да се избегнат често срещани грешки и да се оптимизират параметрите на формоване.
Производителите на прецизни машини за щамповане на метал и машини за дълбоко изтегляне на метал за оформяне на техните части ще работят добре с металурзи, работещи с технически квалифицирани прецизни валцовъчни машини, които могат да им помогнат да оптимизират материалите до нивото на зърното. Когато експерти по металургия и инженерство от двете страни на взаимоотношенията са интегрирани в един екип, това може да има трансформиращо въздействие и да доведе до по-положителни резултати.
STAMPING Journal е единственото индустриално списание, посветено на нуждите на пазара за щамповане на метал. От 1989 г. насам изданието отразява най-съвременни технологии, тенденции в индустрията, най-добри практики и новини, за да помогне на професионалистите в щамповането да управляват бизнеса си по-ефективно.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal вече е напълно достъпно, осигурявайки лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Възползвайте се от пълен достъп до дигиталното издание на STAMPING Journal, което предоставя най-новите технологични постижения, най-добри практики и новини от индустрията за пазара на щамповане на метал.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The Fabricator en Español, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.