Fordele kan opnås ved at få indsigt i et lag af kornstrukturen, der styrer den mekaniske opførsel af rustfrit stål. Getty Images
Valget af rustfrit stål og aluminiumslegeringer fokuserer generelt på styrke, duktilitet, forlængelse og hårdhed. Disse egenskaber angiver, hvordan metallets byggesten reagerer på påførte belastninger. De er en effektiv indikator for håndtering af råmaterialebegrænsninger; det vil sige, hvor meget det vil bøje, før det går i stykker. Råmaterialet skal kunne modstå støbeprocessen uden at gå i stykker.
Destruktiv træk- og hårdhedsprøvning er en pålidelig og omkostningseffektiv metode til bestemmelse af mekaniske egenskaber. Disse test er dog ikke altid lige så pålidelige, når råmaterialets tykkelse begynder at begrænse testprøvens størrelse. Trækprøvning af flade metalprodukter er selvfølgelig stadig nyttig, men der kan opnås fordele ved at se dybere på et lag af kornstrukturen, der styrer dens mekaniske adfærd.
Metaller er opbygget af en række mikroskopiske krystaller kaldet korn. De er tilfældigt fordelt i hele metallet. Atomer af legeringselementer, såsom jern, krom, nikkel, mangan, silicium, kulstof, nitrogen, fosfor og svovl i austenitisk rustfrit stål, er en del af et enkelt korn. Disse atomer danner en fast opløsning af metalioner, som er bundet til krystalgitteret gennem deres fælles elektroner.
Legeringens kemiske sammensætning bestemmer den termodynamisk foretrukne arrangement af atomer i kornene, kendt som krystalstrukturen. Homogene dele af et metal, der indeholder en gentagende krystalstruktur, danner et eller flere korn kaldet faser. De mekaniske egenskaber ved en legering er en funktion af krystalstrukturen i legeringen. Det samme gælder størrelsen og arrangementet af kornene i hver fase.
De fleste mennesker er bekendt med vands stadier. Når flydende vand fryser, bliver det til fast is. Men når det kommer til metaller, er der ikke kun én fast fase. Visse legeringsfamilier er opkaldt efter deres faser. Blandt rustfrit stål består austenitiske 300-serie legeringer primært af austenit, når de udglødes. 400-serie legeringer består dog af ferrit i 430 rustfrit stål eller martensit i 410 og 420 rustfri stållegeringer.
Det samme gælder for titanlegeringer. Navnet på hver legeringsgruppe angiver deres dominerende fase ved stuetemperatur – alfa, beta eller en blanding af begge. Der findes alfa-, nær-alfa-, alfa-beta-, beta- og nær-beta-legeringer.
Når det flydende metal størkner, vil de faste partikler i den termodynamisk foretrukne fase udfældes, hvor tryk, temperatur og kemisk sammensætning tillader det. Dette sker normalt ved grænseflader, som iskrystaller på overfladen af ​​en varm dam på en kold dag. Når korn kimner, vokser krystalstrukturen i én retning, indtil et andet korn støder på. Korngrænser dannes ved skæringspunkterne mellem uensartede gitre på grund af krystalstrukturernes forskellige orienteringer. Forestil dig at lægge en masse Rubiks terninger i forskellige størrelser i en kasse. Hver terning har et firkantet gitterarrangement, men de vil alle være arrangeret i forskellige tilfældige retninger. Et fuldt størknet metalemne består af en række tilsyneladende tilfældigt orienterede korn.
Hver gang et korn dannes, er der mulighed for linjefejl. Disse defekter er manglende dele af krystalstrukturen kaldet dislokationer. Disse dislokationer og deres efterfølgende bevægelse gennem kornet og på tværs af korngrænser er grundlæggende for metalduktilitet.
Et tværsnit af emnet monteres, slibes, poleres og ætses for at se kornstrukturen. Når de er ensartede og ligeaksede, ligner de mikrostrukturer, der observeres på et optisk mikroskop, lidt et puslespil. I virkeligheden er kornene tredimensionelle, og tværsnittet af hvert korn vil variere afhængigt af emnets tværsnits orientering.
Når en krystalstruktur er fyldt med alle dens atomer, er der ikke plads til anden bevægelse end strækningen af ​​atombindingerne.
Når du fjerner halvdelen af ​​en række atomer, skaber du en mulighed for, at en anden række atomer kan glide ind i den position og dermed effektivt flytte forskydningen. Når en kraft påføres emnet, gør den samlede bevægelse af forskydninger i mikrostrukturen det muligt for det at bøje, strække eller komprimere uden at knække eller gå i stykker.
Når en kraft virker på en metallegering, øger systemet energien. Hvis der tilføjes nok energi til at forårsage plastisk deformation, deformeres gitteret, og nye dislokationer dannes. Det virker logisk, at dette skulle øge duktiliteten, da det frigør mere plads og dermed skaber potentiale for mere dislokationsbevægelse. Men når dislokationer støder sammen, kan de fiksere hinanden.
Efterhånden som antallet og koncentrationen af ​​dislokationer stiger, bliver flere og flere dislokationer fastgjort sammen, hvilket reducerer duktiliteten. Til sidst opstår der så mange dislokationer, at koldformning ikke længere er mulig. Da eksisterende fastgørelsesdislokationer ikke længere kan bevæge sig, strækkes de atomare bindinger i gitteret, indtil de går i stykker eller brister. Dette er grunden til, at metallegeringer deformationshærder, og hvorfor der er en grænse for, hvor meget plastisk deformation et metal kan modstå, før det går i stykker.
Korn spiller også en vigtig rolle i udglødning. Udglødning af et deformationshærdet materiale nulstiller i bund og grund mikrostrukturen og genopretter dermed duktiliteten. Under udglødningsprocessen transformeres kornene i tre trin:
Forestil dig en person, der går gennem en overfyldt togvogn. Menneskemængder kan kun presses sammen ved at efterlade mellemrum mellem rækkerne, som forskydninger i et gitter. Efterhånden som de bevægede sig frem, fyldte personerne bag dem det tomrum, de efterlod, mens de skabte ny plads foran. Når de når den anden ende af vognen, ændres passagerernes placering. Hvis for mange mennesker forsøger at passere på én gang, vil passagerer, der forsøger at give plads til deres bevægelse, støde sammen og ramme væggene i togvognene, hvilket fastholder alle. Jo flere forskydninger der opstår, jo sværere er det for dem at bevæge sig på samme tid.
Det er vigtigt at forstå det minimale deformationsniveau, der kræves for at udløse omkrystallisation. Men hvis metallet ikke har tilstrækkelig deformationsenergi, før det opvarmes, vil omkrystallisation ikke forekomme, og kornene vil blot fortsætte med at vokse ud over deres oprindelige størrelse.
Mekaniske egenskaber kan justeres ved at kontrollere kornvækst. En korngrænse er i bund og grund en mur af forskydninger. De hindrer bevægelse.
Hvis kornvæksten er begrænset, vil der blive produceret et større antal små korn. Disse mindre korn betragtes som finere med hensyn til kornstruktur. Flere korngrænser betyder mindre dislokationsbevægelse og højere styrke.
Hvis kornvæksten ikke begrænses, bliver kornstrukturen grovere, kornene er større, grænserne er mindre, og styrken er lavere.
Kornstørrelse omtales ofte som et enhedsløst tal, et sted mellem 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relateret til den gennemsnitlige korndiameter. Jo højere tallet er, desto finere er granulariteten.
ASTM E112 beskriver metoder til måling og evaluering af kornstørrelse. Det involverer at tælle mængden af ​​korn i et givet område. Dette gøres normalt ved at skære et tværsnit af råmaterialet, male og polere det og derefter ætse det med syre for at eksponere partiklerne. Tælling udføres under et mikroskop, og forstørrelsen muliggør tilstrækkelig prøveudtagning af kornene. Tildeling af ASTM-kornstørrelsesnumre indikerer et rimeligt niveau af ensartethed i kornform og diameter. Det kan endda være fordelagtigt at begrænse variationen i kornstørrelse til to eller tre punkter for at sikre ensartet ydeevne på tværs af emnet.
I tilfælde af deformationshærdning har styrke og duktilitet et omvendt forhold. Forholdet mellem ASTM-kornstørrelse og styrke har en tendens til at være positivt og stærkt, generelt er forlængelse omvendt proportional med ASTM-kornstørrelse. Imidlertid kan overdreven kornvækst forårsage, at "døde bløde" materialer ikke længere deformationshærder effektivt.
Kornstørrelse omtales ofte som et enhedsløst tal, et sted mellem 5 og 15. Dette er et relativt forhold og er relateret til den gennemsnitlige korndiameter. Jo højere ASTM-kornstørrelsesværdien er, desto flere korn pr. arealenhed.
Kornstørrelsen af ​​det udglødede materiale varierer med tid, temperatur og afkølingshastighed. Udglødning udføres normalt mellem omkrystallisationstemperaturen og legeringens smeltepunkt. Det anbefalede udglødningstemperaturområde for austenitisk rustfrit stållegering 301 er mellem 1.900 og 2.050 grader Fahrenheit. Det vil begynde at smelte omkring 2.550 grader Fahrenheit. I modsætning hertil bør kommercielt rent titanium af grad 1 udglødes ved 1.292 grader Fahrenheit og smelte omkring 3.000 grader Fahrenheit.
Under udglødning konkurrerer gendannelses- og omkrystallisationsprocesserne med hinanden, indtil de omkrystalliserede korn fortærer alle deformerede korn. Omkrystallisationshastigheden varierer med temperaturen. Når omkrystallisationen er fuldført, tager kornvæksten over. Et emne af rustfrit stål 301, der er udglødet ved 1.900 °F i en time, vil have en finere kornstruktur end det samme emne, der er udglødet ved 2.000 °F i samme tid.
Hvis materialet ikke holdes i det rette udglødningsområde længe nok, kan den resulterende struktur være en kombination af gamle og nye korn. Hvis der ønskes ensartede egenskaber i hele metallet, bør udglødningsprocessen sigte mod at opnå en ensartet, ligeakset kornstruktur. Ensartet betyder, at alle korn har omtrent samme størrelse, og ligeakset betyder, at de har omtrent samme form.
For at opnå en ensartet og ligevægtig mikrostruktur skal hvert emne udsættes for den samme mængde varme i samme tid og afkøles med samme hastighed. Dette er ikke altid let eller muligt ved batchglødning, så det er vigtigt i det mindste at vente, indtil hele emnet er mættet ved den passende temperatur, før man beregner iblødsætningstiden. Længere iblødsætningstider og højere temperaturer vil resultere i en grovere kornstruktur/blødere materiale og omvendt.
Hvis kornstørrelse og styrke er relateret, og styrken er kendt, hvorfor så beregne korn, ikke? Alle destruktive test har variabilitet. Trækprøvning, især ved lavere tykkelser, afhænger i høj grad af prøveforberedelsen. Trækstyrkeresultater, der ikke repræsenterer de faktiske materialeegenskaber, kan opleve for tidlig svigt.
Hvis egenskaberne ikke er ensartede i hele emnet, fortæller udtagning af en trækprøve eller en prøve fra én kant muligvis ikke hele historien. Prøveforberedelse og -testning kan også være tidskrævende. Hvor mange tests er mulige for et givet metal, og i hvor mange retninger er det muligt? Evaluering af kornstrukturen er en ekstra forsikring mod overraskelser.
Anisotropisk, isotropisk. Anisotropi refererer til retningen af ​​mekaniske egenskaber. Ud over styrke kan anisotropi bedre forstås ved at undersøge kornstrukturen.
En ensartet og ligeakset kornstruktur bør være isotropisk, hvilket betyder, at den har de samme egenskaber i alle retninger. Isotropi er især vigtig i dybtrækningsprocesser, hvor koncentricitet er kritisk. Når emnet trækkes ind i formen, vil det anisotropiske materiale ikke flyde ensartet, hvilket kan føre til en defekt kaldet øredannelse. Øreringen opstår, hvor den øverste del af skålen danner en bølget silhuet. Undersøgelse af kornstrukturen kan afsløre placeringen af ​​inhomogeniteter i emnet og hjælpe med at diagnosticere den grundlæggende årsag.
Korrekt udglødning er afgørende for at opnå isotropi, men det er også vigtigt at forstå omfanget af deformation før udglødning. Efterhånden som materialet deformeres plastisk, begynder kornene at deformere. Ved koldvalsning, hvor tykkelse omdannes til længde, vil kornene forlænges i valseretningen. Når kornenes aspektforhold ændres, ændres også isotropien og de samlede mekaniske egenskaber. Ved stærkt deformerede emner kan en vis orientering bevares, selv efter udglødning. Dette resulterer i anisotropi. For dybtrukne materialer er det nogle gange nødvendigt at begrænse mængden af ​​deformation før den endelige udglødning for at undgå slid.
Appelsinskal. Opsamling er ikke den eneste dybtrækningsfejl forbundet med matricen. Appelsinskal opstår, når råmaterialer med for grove partikler trækkes ud. Hvert korn deformeres uafhængigt og som en funktion af dets krystalorientering. Forskellen i deformation mellem tilstødende korn resulterer i et tekstureret udseende, der ligner appelsinskal. Tekstur er den granulære struktur, der afsløres på overfladen af ​​bægervæggen.
Ligesom pixels på en tv-skærm, med en finkornet struktur, vil forskellen mellem hvert korn være mindre mærkbar, hvilket effektivt øger opløsningen. Specifikation af mekaniske egenskaber alene er muligvis ikke tilstrækkeligt til at sikre en tilstrækkelig fin kornstørrelse til at forhindre appelsinskaleffekten. Når ændringen i emnestørrelse er mindre end 10 gange korndiameteren, vil egenskaberne af de enkelte korn styre formningsadfærden. Den deformeres ikke ligeligt over mange korn, men afspejler den specifikke størrelse og orientering af hvert korn. Dette kan ses ud fra appelsinskaleffekten på væggene af de trukne kopper.
For en ASTM-kornstørrelse på 8 er den gennemsnitlige korndiameter 885 µin. Det betyder, at enhver tykkelsesreduktion på 0,00885 tommer eller mindre kan påvirkes af denne mikroformningseffekt.
Selvom grove korn kan forårsage problemer med dybtrækning, anbefales de undertiden til prægning. Prægning er en deformationsproces, hvor et emne komprimeres for at give en ønsket overfladetopografi, såsom en fjerdedel af George Washingtons ansigtskonturer. I modsætning til trådtrækning involverer prægning normalt ikke en stor strøm af bulkmateriale, men kræver en masse kraft, hvilket blot kan deformere emnets overflade.
Af denne grund kan minimering af overfladestrømningsspænding ved at bruge en grovere kornstruktur hjælpe med at afhjælpe de kræfter, der kræves for korrekt formfyldning. Dette gælder især i tilfælde af fritrykning, hvor forskydninger på overfladekorn kan flyde frit i stedet for at akkumulere sig ved korngrænser.
De tendenser, der diskuteres her, er generaliseringer, der muligvis ikke gælder for specifikke sektioner. De fremhævede dog fordelene ved at måle og standardisere råmaterialets partikelstørrelse ved design af nye dele for at undgå almindelige faldgruber og optimere støbeparametre.
Producenter af præcisionsmetalstemplingsmaskiner og dybtrækningsoperationer på metal til formning af deres dele vil arbejde godt sammen med metallurger på teknisk kvalificerede præcisionsvalsere, der kan hjælpe dem med at optimere materialer ned til kornniveau. Når metallurgiske og ingeniøreksperter på begge sider af forholdet integreres i ét team, kan det have en transformerende effekt og producere mere positive resultater.
STAMPING Journal er det eneste branchetidsskrift, der er dedikeret til at imødekomme behovene på markedet for metalprægning. Siden 1989 har publikationen dækket banebrydende teknologier, branchens tendenser, bedste praksis og nyheder for at hjælpe prægeprofessionelle med at drive deres forretning mere effektivt.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af The FABRICATOR, nem adgang til værdifulde ressourcer i branchen.
Den digitale udgave af The Tube & Pipe Journal er nu fuldt tilgængelig og giver nem adgang til værdifulde ressourcer fra branchen.
Få fuld adgang til den digitale udgave af STAMPING Journal, som leverer de seneste teknologiske fremskridt, bedste praksis og branchenyheder til markedet for metalprægning.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af The Fabricator på spansk, nem adgang til værdifulde ressourcer fra branchen.