Výhody lze získat získáním vhledu do jedné vrstvy struktury zrn, která řídí mechanické chování nerezové oceli. Getty Images
Výběr nerezové oceli a hliníkových slitin se obecně zaměřuje na pevnost, tažnost, prodloužení a tvrdost. Tyto vlastnosti ukazují, jak stavební bloky kovu reagují na aplikované zatížení. Jsou účinným ukazatelem zvládání omezení suroviny, tj. jak moc se ohne, než se zlomí. Surovina musí být schopna odolat procesu tváření, aniž by se zlomila.
Destruktivní zkoušení tahem a tvrdosti je spolehlivá a nákladově efektivní metoda pro stanovení mechanických vlastností. Tyto zkoušky však nejsou vždy tak spolehlivé, jakmile tloušťka suroviny začne omezovat velikost zkušebního vzorku. Zkoušení tahem plochých kovových výrobků je samozřejmě stále užitečné, ale výhod lze dosáhnout hlubším pohledem na jednu vrstvu struktury zrna, která řídí její mechanické chování.
Kovy se skládají z řady mikroskopických krystalů zvaných zrna. Jsou náhodně rozmístěny po celém kovu. Atomy legujících prvků, jako je železo, chrom, nikl, mangan, křemík, uhlík, dusík, fosfor a síra v austenitických nerezových ocelích, jsou součástí jednoho zrna. Tyto atomy tvoří pevný roztok kovových iontů, které jsou vázány do krystalové mřížky prostřednictvím svých společných elektronů.
Chemické složení slitiny určuje termodynamicky preferované uspořádání atomů v zrnech, známé jako krystalová struktura. Homogenní části kovu obsahující opakující se krystalovou strukturu tvoří jedno nebo více zrn nazývaných fáze. Mechanické vlastnosti slitiny jsou funkcí krystalové struktury ve slitině. Totéž platí pro velikost a uspořádání zrn každé fáze.
Většina lidí zná skupenství vody. Když kapalná voda zmrzne, stane se z ní pevný led. Pokud jde však o kovy, neexistuje pouze jedna pevná fáze. Některé skupiny slitin jsou pojmenovány podle svých fází. Mezi nerezovými ocelemi se austenitické slitiny řady 300 skládají po žíhání převážně z austenitu. Slitiny řady 400 se však skládají z feritu v nerezové oceli 430 nebo martenzitu v nerezových slitinách 410 a 420.
Totéž platí pro titanové slitiny. Název každé skupiny slitin označuje jejich převládající fázi při pokojové teplotě – alfa, beta nebo směs obou. Existují slitiny alfa, téměř alfa, alfa-beta, beta a téměř beta.
Když tekutý kov ztuhne, pevné částice termodynamicky preferované fáze se vysráží tam, kde to tlak, teplota a chemické složení dovolí. K tomu obvykle dochází na rozhraních, jako jsou ledové krystalky na povrchu teplého rybníka za chladného dne. Když zrna nukleují, krystalová struktura roste jedním směrem, dokud nenarazí na další zrno. Hranice zrn se tvoří na průsečících nesourodých mřížek v důsledku různých orientací krystalových struktur. Představte si, že do krabice dáte svazek Rubikových kostek různých velikostí. Každá kostka má čtvercové uspořádání mřížky, ale všechny budou uspořádány v různých náhodných směrech. Plně ztuhlý kovový obrobek se skládá ze série zdánlivě náhodně orientovaných zrn.
Kdykoli se vytvoří zrno, existuje možnost vzniku liniových defektů. Tyto defekty jsou chybějící části krystalové struktury zvané dislokace. Tyto dislokace a jejich následný pohyb v zrnu a přes hranice zrn jsou zásadní pro tažnost kovu.
Průřez obrobku se namontuje, vybrousí, vyleští a vyleptá, aby se viděla struktura zrn. Pokud jsou mikrostruktury rovnoměrné a rovnoměrné, vypadají trochu jako skládačka. Ve skutečnosti jsou zrna trojrozměrná a průřez každého zrna se bude měnit v závislosti na orientaci průřezu obrobku.
Když je krystalová struktura zaplněna všemi svými atomy, nezbývá prostor pro pohyb kromě natahování atomových vazeb.
Když odstraníte polovinu řady atomů, vytvoříte příležitost pro další řadu atomů, aby se do této pozice vsunula, čímž se dislokace efektivně posune. Když na obrobek působí síla, agregovaný pohyb dislokací v mikrostruktuře mu umožňuje ohýbat se, natahovat se nebo stlačovat, aniž by se zlomil nebo přerušil.
Když na kovovou slitinu působí síla, systém zvyšuje energii. Pokud je přidáno dostatek energie k vyvolání plastické deformace, mřížka se deformuje a vznikají nové dislokace. Zdá se logické, že by to mělo zvýšit tažnost, protože se uvolní více prostoru a tím se vytvoří potenciál pro větší pohyb dislokací. Když se však dislokace srazí, mohou se navzájem fixovat.
S rostoucím počtem a koncentrací dislokací se stále více dislokací svírá k sobě, což snižuje tažnost. Nakonec se objeví tolik dislokací, že tváření za studena již není možné. Protože existující dislokace způsobující svírání se již nemohou pohybovat, atomové vazby v mřížce se natahují, dokud se nerozbijí nebo nerozbijí. Proto kovové slitiny zpevňují a proto existuje omezení míry plastické deformace, kterou kov vydrží, než se rozbije.
Zrno hraje také důležitou roli při žíhání. Žíhání zpevněného materiálu v podstatě obnovuje mikrostrukturu a tím i tažnost. Během procesu žíhání se zrna transformují ve třech krocích:
Představte si člověka, který prochází přeplněným vagónem. Dav lze vtěsnat pouze tím, že se mezi řadami zanechají mezery, jako by to byly dislokace v mřížce. Jak lidé postupovali, lidé za nimi zaplňovali prázdnotu, kterou zanechali, a zároveň vytvářeli nový prostor před nimi. Jakmile se dostanou na druhý konec vagónu, uspořádání cestujících se změní. Pokud se příliš mnoho lidí pokusí projít najednou, cestující, kteří se snaží udělat si místo pro svůj pohyb, se do sebe narazí a narazí do stěn vagónů, čímž všechny přitlačí na místo. Čím více dislokací se objeví, tím těžší je pro ně pohybovat se současně.
Je důležité pochopit minimální úroveň deformace potřebnou ke spuštění rekrystalizace. Pokud však kov nemá před zahřátím dostatek deformační energie, ke krystalizaci nedojde a zrna budou jednoduše dále růst nad svou původní velikost.
Mechanické vlastnosti lze ladit regulací růstu zrn. Hranice zrn je v podstatě stěna dislokací. Ty brání pohybu.
Pokud je růst zrn omezen, vznikne větší počet malých zrn. Tato menší zrna jsou z hlediska struktury zrn považována za jemnější. Více hranic zrn znamená menší dislokační pohyb a vyšší pevnost.
Pokud není růst zrn omezen, struktura zrn se zhrubne, zrna jsou větší, hranice jsou menší a pevnost je nižší.
Velikost zrna se často označuje jako bezjednotkové číslo, někde mezi 5 a 15. Jedná se o relativní poměr a souvisí s průměrným průměrem zrna. Čím vyšší číslo, tím jemnější je zrnitost.
Norma ASTM E112 popisuje metody pro měření a vyhodnocování velikosti zrn. Zahrnuje počítání množství zrn v dané oblasti. To se obvykle provádí vyříznutím průřezu suroviny, jejím broušením a leštěním a následným leptáním kyselinou, aby se odhalily částice. Počítání se provádí pod mikroskopem a zvětšení umožňuje dostatečný odběr vzorků zrn. Přiřazení čísel velikosti zrn dle ASTM ukazuje na rozumnou úroveň uniformity tvaru a průměru zrn. Může být dokonce výhodné omezit odchylky ve velikosti zrn na dva nebo tři body, aby se zajistil konzistentní výkon v celém obrobku.
V případě zpevnění deformací mají pevnost a tažnost inverzní vztah. Vztah mezi velikostí zrna dle ASTM a pevností bývá kladný a silný, obecně je prodloužení inverzně úměrné velikosti zrna dle ASTM. Nadměrný růst zrn však může způsobit, že „měkké“ materiály již nebudou efektivně zpevňovat deformací.
Velikost zrna se často označuje jako bezjednotkové číslo, někde mezi 5 a 15. Jedná se o relativní poměr a souvisí s průměrným průměrem zrna. Čím vyšší je hodnota velikosti zrna dle ASTM, tím více zrn je na jednotku plochy.
Velikost zrna žíhaného materiálu se mění s časem, teplotou a rychlostí ochlazování. Žíhání se obvykle provádí mezi teplotou rekrystalizace a bodem tání slitiny. Doporučený teplotní rozsah žíhání pro austenitické nerezové oceli 301 je mezi 1 900 a 2 050 stupni Fahrenheita. Začne se tát kolem 2 550 stupňů Fahrenheita. Naproti tomu komerčně čistý titan třídy 1 by se měl žíhat při 1 292 stupních Fahrenheita a tát kolem 3 000 stupňů Fahrenheita.
Během žíhání spolu soupeří procesy regenerace a rekrystalizace, dokud rekrystalizovaná zrna nespotřebují všechna deformovaná zrna. Rychlost rekrystalizace se mění s teplotou. Jakmile je rekrystalizace dokončena, přebírá roli růst zrn. Obrobek z nerezové oceli 301 žíhaný při teplotě 1 900 °F po dobu jedné hodiny bude mít jemnější strukturu zrn než stejný obrobek žíhaný při teplotě 2 000 °F po stejnou dobu.
Pokud materiál není dostatečně dlouho udržován ve správném rozsahu žíhání, výsledná struktura může být kombinací starých a nových zrn. Pokud jsou požadovány jednotné vlastnosti v celém kovu, měl by se proces žíhání zaměřit na dosažení jednotné struktury zrn s rovnoměrnými osami. Jednotná znamená, že všechna zrna mají přibližně stejnou velikost a rovnoměrná znamená, že mají přibližně stejný tvar.
Aby se dosáhlo rovnoměrné a rovnoměrné mikrostruktury, měl by být každý obrobek vystaven stejnému množství tepla po stejnou dobu a měl by chladnout stejnou rychlostí. To není vždy snadné nebo možné při dávkovém žíhání, proto je důležité alespoň počkat, dokud není celý obrobek nasycen na vhodnou teplotu, než se vypočítá doba ochlazování. Delší doby ochlazování a vyšší teploty povedou k hrubší struktuře zrn/měkčímu materiálu a naopak.
Pokud spolu velikost zrna souvisí a pevnost je známá, proč počítat zrna, že? Všechny destruktivní zkoušky mají variabilitu. Zkoušky tahem, zejména při nižších tloušťkách, do značné míry závisí na přípravě vzorku. Výsledky pevnosti v tahu, které neodpovídají skutečným vlastnostem materiálu, mohou předčasně poškodit.
Pokud vlastnosti nejsou v celém obrobku rovnoměrné, odebrání vzorku pro tahovou zkoušku z jedné hrany nemusí odpovídat celému příběhu. Příprava a testování vzorku může být také časově náročné. Kolik testů je možné pro daný kov a v kolika směrech je to proveditelné? Vyhodnocení struktury zrn je další pojistkou proti překvapením.
Anizotropní, izotropní. Anizotropie se týká směrovosti mechanických vlastností. Kromě pevnosti lze anizotropii lépe pochopit zkoumáním struktury zrn.
Rovnoměrná a rovnoměrně osá struktura zrn by měla být izotropní, což znamená, že má stejné vlastnosti ve všech směrech. Izotropie je obzvláště důležitá v procesech hlubokého tažení, kde je kritická soustřednost. Když je polotovar vtažen do formy, anizotropní materiál nebude proudit rovnoměrně, což může vést k vadě zvané „ušičky“. „Ušičky“ vznikají tam, kde horní část kalíšku tvoří vlnitou siluetu. Zkoumání struktury zrn může odhalit umístění nehomogenit v obrobku a pomoci diagnostikovat jejich příčinu.
Správné žíhání je zásadní pro dosažení izotropie, ale je také důležité pochopit rozsah deformace před žíháním. Jak se materiál plasticky deformuje, zrna se začínají deformovat. V případě válcování za studena, při převodu tloušťky na délku, se zrna prodlužují ve směru válcování. Se změnou poměru stran zrn se mění i izotropie a celkové mechanické vlastnosti. V případě silně deformovaných obrobků může být určitá orientace zachována i po žíhání. To má za následek anizotropii. U hlubokotažených materiálů je někdy nutné omezit míru deformace před konečným žíháním, aby se zabránilo opotřebení.
pomerančová kůra. Nabírání není jedinou vadou hlubokého tažení spojenou s matricí. Pomerančová kůra vzniká, když se tahají suroviny s příliš hrubými částicemi. Každé zrno se deformuje nezávisle a v závislosti na své krystalové orientaci. Rozdíl v deformaci mezi sousedními zrny má za následek texturovaný vzhled podobný pomerančové kůře. Textura je zrnitá struktura odhalená na povrchu stěny kalíšku.
Stejně jako u pixelů na televizní obrazovce bude s jemnozrnnou strukturou rozdíl mezi jednotlivými zrny méně znatelný, což efektivně zvyšuje rozlišení. Pouze specifikace mechanických vlastností nemusí stačit k zajištění dostatečně jemné velikosti zrna, aby se zabránilo efektu pomerančové kůry. Pokud je změna velikosti obrobku menší než 10násobek průměru zrna, vlastnosti jednotlivých zrn budou ovlivňovat chování při tváření. Nedeformuje se rovnoměrně na mnoha zrnech, ale odráží specifickou velikost a orientaci každého zrna. To je patrné z efektu pomerančové kůry na stěnách tažených kalíšků.
Pro velikost zrna ASTM 8 je průměrný průměr zrna 885 µin. To znamená, že jakýkoli úbytek tloušťky o 0,00885 palce nebo méně může být ovlivněn tímto efektem mikrotváření.
Ačkoli hrubá zrna mohou způsobovat problémy s hlubokým tažením, někdy se doporučují pro potisk. Lisování je deformační proces, při kterém je polotovar stlačen, aby se dosáhlo požadované povrchové topografie, například čtvrtiny kontur obličeje George Washingtona. Na rozdíl od tažení drátem lisování obvykle nezahrnuje velké množství sypkého materiálu, ale vyžaduje velkou sílu, která může pouze deformovat povrch polotovaru.
Z tohoto důvodu může minimalizace povrchového proudění použitím hrubší struktury zrn pomoci zmírnit síly potřebné pro správné plnění formy. To platí zejména v případě volného tisku, kde dislokace na povrchových zrnech mohou volně proudit, místo aby se hromadily na hranicích zrn.
Zde uvedené trendy jsou zobecnění, která se nemusí vztahovat na konkrétní sekce. Zdůrazňují však výhody měření a standardizace velikosti částic surovin při navrhování nových dílů, aby se předešlo běžným chybám a optimalizovaly se parametry lisování.
Výrobci přesných lisů na kov a hlubokotažných strojů na kov pro tvarování svých dílů budou dobře spolupracovat s metalurgy na technicky kvalifikovaných přesných válcovacích lisech, kteří jim mohou pomoci optimalizovat materiály až na úroveň zrna. Když jsou metalurgičtí a techničtí experti na obou stranách vztahu integrováni do jednoho týmu, může to mít transformační dopad a přinést pozitivnější výsledky.
Časopis STAMPING je jediný oborový časopis věnovaný potřebám trhu s lisováním kovů. Od roku 1989 se publikace zabývá nejmodernějšími technologiemi, trendy v oboru, osvědčenými postupy a novinkami, které pomáhají profesionálům v oblasti lisování efektivněji řídit jejich podnikání.
Nyní s plným přístupem k digitálnímu vydání časopisu The FABRICATOR máte snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Digitální vydání časopisu The Tube & Pipe Journal je nyní plně dostupné a poskytuje snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Získejte plný přístup k digitálnímu vydání časopisu STAMPING Journal, který nabízí nejnovější technologický pokrok, osvědčené postupy a novinky z oboru lisování kovů.
Nyní s plným přístupem k digitálnímu vydání časopisu The Fabricator en Español máte snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.