Koristi se mogu ostvariti uvidom u jedan sloj strukture zrna koji kontrolira mehaničko ponašanje nehrđajućeg čelika. Getty Images
Izbor legura nehrđajućeg čelika i aluminija uglavnom se fokusira na čvrstoću, duktilnost, izduženje i tvrdoću. Ova svojstva pokazuju kako gradivni blokovi metala reagiraju na primijenjena opterećenja. Ona su učinkovit pokazatelj upravljanja ograničenjima sirovine, odnosno koliko će se saviti prije loma. Sirovina mora biti u stanju izdržati proces oblikovanja bez loma.
Destruktivno ispitivanje zatezanja i tvrdoće je pouzdana i isplativa metoda za određivanje mehaničkih svojstava. Međutim, ova ispitivanja nisu uvijek toliko pouzdana kada debljina sirovine počne ograničavati veličinu uzorka koji se ispituje. Ispitivanje zatezanja ravnih metalnih proizvoda je, naravno, i dalje korisno, ali se prednosti mogu postići dubljim proučavanjem jednog sloja strukture zrna koji kontrolira njegovo mehaničko ponašanje.
Metali se sastoje od niza mikroskopskih kristala koji se nazivaju zrna. Oni su nasumično raspoređeni po metalu. Atomi legirajućih elemenata, kao što su željezo, hrom, nikl, mangan, silicijum, ugljenik, azot, fosfor i sumpor u austenitnim nehrđajućim čelicima, dio su jednog zrna. Ovi atomi formiraju čvrstu otopinu metalnih iona, koji su vezani u kristalnu rešetku preko svojih zajedničkih elektrona.
Hemijski sastav legure određuje termodinamički preferirani raspored atoma u zrnima, poznat kao kristalna struktura. Homogeni dijelovi metala koji sadrže ponavljajuću kristalnu strukturu formiraju jedno ili više zrna koja se nazivaju faze. Mehanička svojstva legure su funkcija kristalne strukture u leguri. Isto važi i za veličinu i raspored zrna svake faze.
Većina ljudi je upoznata sa fazama vode. Kada se tečna voda smrzne, ona postaje čvrsti led. Međutim, kada su u pitanju metali, ne postoji samo jedna čvrsta faza. Određene porodice legura su nazvane po svojim fazama. Među nehrđajućim čelicima, austenitne legure serije 300 se sastoje prvenstveno od austenita kada se žare. Međutim, legure serije 400 se sastoje od ferita u nehrđajućem čeliku 430 ili martenzita u legurama nehrđajućeg čelika 410 i 420.
Isto važi i za legure titana. Naziv svake grupe legura označava njihovu predominantnu fazu na sobnoj temperaturi - alfa, beta ili mješavinu obje. Postoje alfa, skoro alfa, alfa-beta, beta i skoro beta legure.
Kada se tečni metal stvrdne, čvrste čestice termodinamički preferirane faze će se taložiti tamo gdje to dozvoljavaju pritisak, temperatura i hemijski sastav. To se obično dešava na granicama granica, poput kristala leda na površini toplog ribnjaka tokom hladnog dana. Kada se zrna nukleiraju, kristalna struktura raste u jednom smjeru dok se ne naiđe na drugo zrno. Granice zrna se formiraju na presjecima neusklađenih rešetki zbog različitih orijentacija kristalnih struktura. Zamislite da stavite gomilu Rubikovih kocki različitih veličina u kutiju. Svaka kocka ima kvadratni raspored mreže, ali sve će biti raspoređene u različitim nasumičnim smjerovima. Potpuno stvrdnuti metalni radni komad sastoji se od niza naizgled nasumično orijentisanih zrna.
Kad god se formira zrno, postoji mogućnost linijskih defekata. Ovi defekti su nedostajući dijelovi kristalne strukture koji se nazivaju dislokacije. Ove dislokacije i njihovo naknadno kretanje kroz zrno i preko granica zrna su fundamentalni za duktilnost metala.
Presjek obratka se montira, brusi, polira i nagriza kako bi se vidjela struktura zrna. Kada su ujednačene i ravnomjerne, mikrostrukture posmatrane na optičkom mikroskopu izgledaju pomalo kao slagalica. U stvarnosti, zrna su trodimenzionalna, a presjek svakog zrna će varirati ovisno o orijentaciji presjeka obratka.
Kada je kristalna struktura ispunjena svim svojim atomima, nema prostora za kretanje osim istezanja atomskih veza.
Kada uklonite polovinu reda atoma, stvarate priliku da drugi red atoma sklizne u taj položaj, efektivno pomičući dislokaciju. Kada se sila primijeni na radni komad, agregirano kretanje dislokacija u mikrostrukturi omogućava joj da se savija, isteže ili komprimira bez lomljenja ili lomljenja.
Kada sila djeluje na metalnu leguru, sistem povećava energiju. Ako se doda dovoljno energije da izazove plastičnu deformaciju, rešetka se deformira i formiraju se nove dislokacije. Čini se logičnim da bi to trebalo povećati duktilnost, jer oslobađa više prostora i time stvara potencijal za veće kretanje dislokacija. Međutim, kada se dislokacije sudare, one se mogu međusobno fiksirati.
Kako se broj i koncentracija dislokacija povećavaju, sve više dislokacija se spaja, smanjujući duktilnost. Na kraju se pojavi toliko dislokacija da hladno oblikovanje više nije moguće. Budući da se postojeće dislokacije više ne mogu pomicati, atomske veze u rešetki se istežu dok se ne slome ili puknu. Zbog toga metalne legure očvršćavaju radnim putem i postoji ograničenje u količini plastične deformacije koju metal može izdržati prije loma.
Zrna također igraju važnu ulogu u žarenju. Žarenje materijala očvrslog deformacijom u suštini resetuje mikrostrukturu i time vraća duktilnost. Tokom procesa žarenja, zrna se transformišu u tri koraka:
Zamislite osobu kako hoda kroz prepun vagon. Gužve se mogu stisnuti samo ostavljanjem praznina između redova, poput dislokacija u rešetki. Kako su napredovali, ljudi iza njih su popunjavali prazninu koju su ostavili, dok su stvarali novi prostor ispred. Kada stignu do drugog kraja vagona, raspored putnika se mijenja. Ako previše ljudi pokuša proći odjednom, putnici koji pokušavaju napraviti mjesta za svoje kretanje sudarat će se jedni s drugima i udarati u zidove vagona, prikovavši sve na mjestu. Što se više dislokacija pojavi, to im je teže da se kreću istovremeno.
Važno je razumjeti minimalni nivo deformacije potreban za pokretanje rekristalizacije. Međutim, ako metal nema dovoljno energije deformacije prije zagrijavanja, rekristalizacija se neće dogoditi i zrna će jednostavno nastaviti rasti preko svoje prvobitne veličine.
Mehanička svojstva se mogu podesiti kontrolom rasta zrna. Granica zrna je u suštini zid dislokacija. One ometaju kretanje.
Ako je rast zrna ograničen, proizvodit će se veći broj malih zrna. Ova manja zrna se smatraju finijima u smislu strukture zrna. Više granica zrna znači manje dislokacijskog kretanja i veću čvrstoću.
Ako rast zrna nije ograničen, struktura zrna postaje grublja, zrna su veća, granice su manje, a čvrstoća je niža.
Veličina zrna se često naziva bezjediničnim brojem, negdje između 5 i 15. Ovo je relativni omjer i povezan je sa prosječnim prečnikom zrna. Što je broj veći, to je granulacija finija.
ASTM E112 opisuje metode za mjerenje i procjenu veličine zrna. To uključuje brojanje količine zrna u datom području. To se obično radi rezanjem poprečnog presjeka sirovine, brušenjem i poliranjem, a zatim nagrizanjem kiselinom kako bi se otkrile čestice. Brojanje se vrši pod mikroskopom, a uvećanje omogućava adekvatno uzorkovanje zrna. Dodjeljivanje ASTM brojeva veličine zrna ukazuje na razuman nivo ujednačenosti u obliku i prečniku zrna. Može čak biti korisno ograničiti varijacije u veličini zrna na dvije ili tri tačke kako bi se osigurale konzistentne performanse na cijelom radnom komadu.
U slučaju očvršćavanja, čvrstoća i duktilnost imaju obrnutu proporcionalnost. Odnos između veličine zrna prema ASTM standardima i čvrstoće obično je pozitivan i jak, a generalno je izduženje obrnuto proporcionalno veličini zrna prema ASTM standardima. Međutim, prekomjerni rast zrna može uzrokovati da "mrtvo meki" materijali više ne očvršćavaju efikasno.
Veličina zrna se često naziva bezjediničnim brojem, negdje između 5 i 15. Ovo je relativni omjer i povezan je sa prosječnim prečnikom zrna. Što je veća ASTM vrijednost veličine zrna, to je više zrna po jedinici površine.
Veličina zrna žarenog materijala varira s vremenom, temperaturom i brzinom hlađenja. Žarenje se obično izvodi između temperature rekristalizacije i tačke topljenja legure. Preporučeni raspon temperature žarenja za austenitni nehrđajući čelik 301 je između 1.900 i 2.050 stepeni Fahrenheita. Topljenje počinje na oko 2.550 stepeni Fahrenheita. Nasuprot tome, komercijalno čisti titanijum 1. klase treba žariti na 1.292 stepena Fahrenheita i topiti se na oko 3.000 stepeni Fahrenheita.
Tokom žarenja, procesi oporavka i rekristalizacije se međusobno takmiče sve dok rekristalizirana zrna ne potroše sva deformirana zrna. Brzina rekristalizacije varira s temperaturom. Nakon što je rekristalizacija završena, rast zrna preuzima. Radni komad od nehrđajućeg čelika 301 žaren na 1900°F tokom jednog sata imat će finiju strukturu zrna od istog radnog komada žarenog na 2000°F tokom istog vremena.
Ako se materijal ne drži dovoljno dugo u odgovarajućem rasponu žarenja, rezultirajuća struktura može biti kombinacija starih i novih zrna. Ako se žele postići ujednačena svojstva u cijelom metalu, proces žarenja trebao bi težiti postizanju ujednačene strukture zrna s jednakim tokovima. Ujednačeno znači da su sva zrna približno iste veličine, a jednako tok znači da su približno istog oblika.
Da bi se dobila ujednačena i jednakoosna mikrostruktura, svaki radni komad treba biti izložen istoj količini topline tokom istog vremena i treba se hladiti istom brzinom. To nije uvijek lako ili moguće kod šaržnog žarenja, pa je važno barem pričekati dok se cijeli radni komad ne zasiti na odgovarajućoj temperaturi prije izračunavanja vremena namakanja. Duža vremena namakanja i više temperature rezultirat će grubljom strukturom zrna/mekšim materijalom i obrnuto.
Ako su veličina zrna i čvrstoća povezani, a čvrstoća je poznata, zašto izračunavati zrna, zar ne? Sva destruktivna ispitivanja imaju varijabilnost. Ispitivanje zatezanja, posebno pri manjim debljinama, uveliko zavisi od pripreme uzorka. Rezultati zatezne čvrstoće koji ne predstavljaju stvarna svojstva materijala mogu doživjeti prerani lom.
Ako svojstva nisu ujednačena po cijelom radnom komadu, uzimanje uzorka za ispitivanje zatezanjem s jedne ivice možda neće reći cijelu priču. Priprema i ispitivanje uzorka također mogu oduzeti puno vremena. Koliko je ispitivanja moguće za dati metal i u koliko smjerova je to izvodljivo? Procjena strukture zrna dodatno je osiguranje od iznenađenja.
Anizotropno, izotropno. Anizotropija se odnosi na usmjerenost mehaničkih svojstava. Pored čvrstoće, anizotropija se može bolje razumjeti ispitivanjem strukture zrna.
Ujednačena i jednakoosna struktura zrna treba biti izotropna, što znači da ima ista svojstva u svim smjerovima. Izotropija je posebno važna u procesima dubokog izvlačenja gdje je koncentričnost kritična. Kada se blank uvuče u kalup, anizotropni materijal neće teći jednolično, što može dovesti do defekta koji se naziva "naušnica". Naušnica se javlja tamo gdje gornji dio čašice formira valovitu siluetu. Ispitivanje strukture zrna može otkriti lokaciju nehomogenosti u obratku i pomoći u dijagnosticiranju uzroka.
Pravilno žarenje je ključno za postizanje izotropije, ali je također važno razumjeti stepen deformacije prije žarenja. Kako se materijal plastično deformira, zrna počinju da se deformišu. U slučaju hladnog valjanja, pretvaranjem debljine u dužinu, zrna će se izduživati ​​u smjeru valjanja. Kako se mijenja odnos stranica zrna, mijenja se i izotropija i ukupna mehanička svojstva. U slučaju jako deformisanih radnih komada, određena orijentacija može se zadržati čak i nakon žarenja. To rezultira anizotropijom. Za duboko izvučene materijale ponekad je potrebno ograničiti količinu deformacije prije konačnog žarenja kako bi se izbjeglo habanje.
kora narandže. Nakupljanje nije jedini defekt dubokog izvlačenja povezan s kalupom. Kora narandže nastaje kada se izvlače sirovine s previše grubim česticama. Svako zrno se deformira neovisno i kao funkcija njegove kristalne orijentacije. Razlika u deformaciji između susjednih zrna rezultira teksturiranim izgledom sličnim kori narandže. Tekstura je granularna struktura koja se otkriva na površini stijenke čašice.
Baš kao i pikseli na TV ekranu, sa finozrnatom strukturom, razlika između svakog zrna bit će manje primjetna, što efektivno povećava rezoluciju. Samo određivanje mehaničkih svojstava možda neće biti dovoljno da se osigura dovoljno fina veličina zrna kako bi se spriječio efekat narandžine kore. Kada je promjena veličine obratka manja od 10 puta veće od prečnika zrna, svojstva pojedinačnih zrna će upravljati ponašanjem oblikovanja. Ne deformiše se podjednako na mnogim zrnima, već odražava specifičnu veličinu i orijentaciju svakog zrna. To se može vidjeti iz efekta narandžine kore na zidovima izvučenih čašica.
Za ASTM veličinu zrna od 8, prosječni prečnik zrna je 885 µin. To znači da na bilo koje smanjenje debljine od 0,00885 inča ili manje može uticati ovaj efekat mikroformiranja.
Iako gruba zrna mogu uzrokovati probleme s dubokim izvlačenjem, ponekad se preporučuju za utiskivanje. Štancanje je proces deformacije u kojem se blank komprimira kako bi se dobila željena topografija površine, poput četvrtine kontura lica Georgea Washingtona. Za razliku od izvlačenja žice, štancanje obično ne uključuje veliki protok rasutog materijala, ali zahtijeva veliku silu, što može samo deformirati površinu blanka.
Iz tog razloga, minimiziranje napona površinskog tečenja korištenjem grublje strukture zrna može pomoći u ublažavanju sila potrebnih za pravilno punjenje kalupa. To je posebno tačno u slučaju utiskivanja slobodnim kalupom, gdje dislokacije na površinskim zrnima mogu slobodno teći umjesto da se akumuliraju na granicama zrna.
Trendovi o kojima se ovdje raspravlja su generalizacije koje se možda ne odnose na određene dijelove. Međutim, oni su istakli prednosti mjerenja i standardizacije veličine čestica sirovina prilikom dizajniranja novih dijelova kako bi se izbjegle uobičajene zamke i optimizirali parametri oblikovanja.
Proizvođači preciznih mašina za štancanje metala i mašina za duboko izvlačenje metala za oblikovanje njihovih dijelova dobro će sarađivati ​​s metalurzima na tehnički kvalifikovanim preciznim valjaonicama koje im mogu pomoći u optimizaciji materijala do nivoa zrna. Kada se metalurški i inženjerski stručnjaci s obje strane odnosa integrišu u jedan tim, to može imati transformativni uticaj i proizvesti pozitivnije rezultate.
Časopis STAMPING je jedini industrijski časopis posvećen zadovoljavanju potreba tržišta štancanja metala. Od 1989. godine, publikacija pokriva najsavremenije tehnologije, trendove u industriji, najbolje prakse i novosti kako bi pomogla profesionalcima u štancanju da efikasnije vode svoje poslovanje.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The FABRICATOR, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje časopisa The Tube & Pipe Journal sada je u potpunosti dostupno, omogućavajući jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju časopisa STAMPING, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište štancanja metala.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The Fabricator en Español, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.