Vorteile ergeben sich durch Einblicke in eine Schicht der Kornstruktur, die das mechanische Verhalten von Edelstahl steuert.Getty Images
Bei der Auswahl von Edelstahl- und Aluminiumlegierungen stehen im Allgemeinen Festigkeit, Duktilität, Dehnung und Härte im Mittelpunkt. Diese Eigenschaften zeigen, wie die Bausteine ​​des Metalls auf aufgebrachte Belastungen reagieren. Sie sind ein wirksamer Indikator für den Umgang mit Rohstoffbeschränkungen, d. h., wie stark sich das Material biegt, bevor es bricht. Das Rohmaterial muss den Formungsprozess überstehen können, ohne zu brechen.
Zerstörende Zug- und Härteprüfungen sind eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften. Allerdings sind diese Prüfungen nicht immer so zuverlässig, wenn die Dicke des Rohmaterials die Größe der Prüfprobe begrenzt. Zugprüfungen an flachen Metallprodukten sind natürlich immer noch nützlich, aber es bietet Vorteile, wenn man eine Schicht der Kornstruktur, die ihr mechanisches Verhalten steuert, genauer untersucht.
Metalle bestehen aus einer Reihe mikroskopisch kleiner Kristalle, die als Körner bezeichnet werden. Sie sind zufällig im gesamten Metall verteilt. Atome von Legierungselementen wie Eisen, Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel in austenitischem Edelstahl sind Teil eines einzelnen Korns. Diese Atome bilden eine feste Lösung aus Metallionen, die durch ihre gemeinsamen Elektronen im Kristallgitter gebunden sind.
Die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt die thermodynamisch bevorzugte Anordnung der Atome in den Körnern, die als Kristallstruktur bezeichnet wird. Homogene Teile eines Metalls mit einer sich wiederholenden Kristallstruktur bilden ein oder mehrere Körner, die als Phasen bezeichnet werden. Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sind eine Funktion der Kristallstruktur in der Legierung. Dasselbe gilt für die Größe und Anordnung der Körner jeder Phase.
Die meisten Menschen sind mit den verschiedenen Phasen von Wasser vertraut. Wenn flüssiges Wasser gefriert, wird es zu festem Eis. Bei Metallen gibt es jedoch nicht nur eine feste Phase. Bestimmte Legierungsfamilien sind nach ihren Phasen benannt. Unter den rostfreien Stählen bestehen austenitische Legierungen der 300er-Reihe nach dem Glühen hauptsächlich aus Austenit. Legierungen der 400er-Reihe bestehen jedoch aus Ferrit in rostfreiem Stahl 430 oder Martensit in rostfreien Stahllegierungen 410 und 420.
Dasselbe gilt für Titanlegierungen. Der Name jeder Legierungsgruppe gibt ihre vorherrschende Phase bei Raumtemperatur an – Alpha, Beta oder eine Mischung aus beiden. Es gibt Alpha-, Near-Alpha-, Alpha-Beta-, Beta- und Near-Beta-Legierungen.
Wenn das flüssige Metall erstarrt, fallen die festen Partikel der thermodynamisch bevorzugten Phase dort aus, wo Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung dies zulassen. Dies geschieht normalerweise an Grenzflächen, wie Eiskristalle auf der Oberfläche eines warmen Teichs an einem kalten Tag. Bei der Kornbildung wächst die Kristallstruktur in eine Richtung, bis ein weiteres Korn erreicht wird. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der Kristallstrukturen bilden sich Korngrenzen an den Schnittpunkten nicht übereinstimmender Gitter. Stellen Sie sich vor, Sie legen mehrere Zauberwürfel unterschiedlicher Größe in eine Schachtel. Jeder Würfel hat ein quadratisches Gitter, aber sie sind alle in unterschiedlichen zufälligen Richtungen angeordnet. Ein vollständig erstarrtes Metallwerkstück besteht aus einer Reihe scheinbar zufällig ausgerichteter Körner.
Bei jeder Kornbildung besteht die Möglichkeit von Liniendefekten. Bei diesen Defekten handelt es sich um fehlende Teile der Kristallstruktur, sogenannte Versetzungen. Diese Versetzungen und ihre anschließende Bewegung durch das Korn und über die Korngrenzen hinweg sind für die Duktilität von Metallen von grundlegender Bedeutung.
Ein Querschnitt des Werkstücks wird montiert, geschliffen, poliert und geätzt, um die Kornstruktur sichtbar zu machen. Wenn die Mikrostrukturen gleichmäßig und gleichachsig sind, ähneln sie bei Betrachtung unter einem optischen Mikroskop ein wenig einem Puzzle. In Wirklichkeit sind die Körner dreidimensional und der Querschnitt jedes Korns variiert je nach Ausrichtung des Werkstückquerschnitts.
Wenn eine Kristallstruktur mit allen Atomen gefüllt ist, gibt es keinen Spielraum für Bewegungen außer der Dehnung der Atombindungen.
Wenn Sie die Hälfte einer Atomreihe entfernen, schaffen Sie die Möglichkeit, dass eine andere Atomreihe in diese Position schlüpft und so die Versetzung effektiv verschiebt. Wenn auf das Werkstück eine Kraft ausgeübt wird, ermöglicht die aggregierte Bewegung der Versetzungen in der Mikrostruktur, dass es sich biegt, dehnt oder zusammendrückt, ohne zu brechen oder zu zerbrechen.
Wenn eine Kraft auf eine Metalllegierung einwirkt, erhöht sich die Energie des Systems. Wird genügend Energie zugeführt, um eine plastische Verformung zu verursachen, verformt sich das Gitter und es bilden sich neue Versetzungen. Es erscheint logisch, dass dies die Duktilität erhöhen sollte, da dadurch mehr Raum frei wird und somit das Potenzial für mehr Versetzungsbewegungen entsteht. Wenn Versetzungen jedoch kollidieren, können sie sich gegenseitig fixieren.
Mit zunehmender Anzahl und Konzentration der Versetzungen werden immer mehr Versetzungen aneinander fixiert, wodurch die Duktilität abnimmt. Schließlich treten so viele Versetzungen auf, dass eine Kaltverformung nicht mehr möglich ist. Da sich vorhandene Fixierungsversetzungen nicht mehr bewegen können, dehnen sich die Atombindungen im Gitter, bis sie brechen oder zerbrechen. Aus diesem Grund verfestigen sich Metalllegierungen und deshalb ist die Menge an plastischer Verformung, die ein Metall aushalten kann, bevor es bricht, begrenzt.
Auch beim Glühen spielt das Korn eine wichtige Rolle. Durch das Glühen eines kaltverfestigten Materials wird die Mikrostruktur im Wesentlichen zurückgesetzt und somit die Duktilität wiederhergestellt. Während des Glühprozesses werden die Körner in drei Schritten umgewandelt:
Stellen Sie sich eine Person vor, die durch einen überfüllten Zugwaggon geht. Menschenmengen können nur zusammengedrückt werden, indem man Lücken zwischen den Reihen lässt, wie Versetzungen in einem Gitter. Während sie weitergingen, füllten die Menschen hinter ihnen die Lücke, die sie hinterlassen hatten, während sie vor ihnen neuen Raum schufen. Sobald sie das andere Ende des Waggons erreicht haben, ändert sich die Anordnung der Passagiere. Wenn zu viele Menschen gleichzeitig versuchen, vorbeizukommen, kollidieren die Passagiere, die versuchen, Platz für ihre Bewegung zu schaffen, miteinander und stoßen gegen die Wände der Waggons, wodurch alle an ihrem Platz festgehalten werden. Je mehr Versetzungen auftreten, desto schwieriger ist es für sie, sich gleichzeitig zu bewegen.
Es ist wichtig zu wissen, welches Mindestmaß an Verformung erforderlich ist, um eine Rekristallisation auszulösen. Wenn das Metall jedoch vor dem Erhitzen nicht über genügend Verformungsenergie verfügt, findet keine Rekristallisation statt und die Körner wachsen einfach weiter über ihre ursprüngliche Größe hinaus.
Mechanische Eigenschaften können durch die Steuerung des Kornwachstums angepasst werden. Eine Korngrenze ist im Wesentlichen eine Wand aus Versetzungen. Sie behindern die Bewegung.
Wenn das Kornwachstum eingeschränkt ist, entsteht eine größere Anzahl kleiner Körner. Diese kleineren Körner gelten hinsichtlich der Kornstruktur als feiner. Mehr Korngrenzen bedeuten weniger Versetzungsbewegung und höhere Festigkeit.
Wird das Kornwachstum nicht eingeschränkt, gröber wird die Kornstruktur, die Körner werden größer, die Grenzen geringer und die Festigkeit geringer.
Die Korngröße wird oft als einheitenlose Zahl angegeben, irgendwo zwischen 5 und 15. Dies ist ein relatives Verhältnis und bezieht sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher die Zahl, desto feiner die Körnigkeit.
ASTM E112 beschreibt Verfahren zum Messen und Bewerten der Korngröße. Dabei wird die Kornmenge in einer bestimmten Fläche gezählt. Dies geschieht üblicherweise, indem ein Querschnitt des Rohmaterials ausgeschnitten, geschliffen und poliert und anschließend mit Säure geätzt wird, um die Partikel freizulegen. Das Zählen erfolgt unter einem Mikroskop, und die Vergrößerung ermöglicht eine ausreichende Entnahme der Körner. Die Zuweisung von ASTM-Korngrößennummern weist auf ein angemessenes Maß an Gleichmäßigkeit in Kornform und -durchmesser hin. Es kann sogar vorteilhaft sein, die Abweichungen in der Korngröße auf zwei oder drei Punkte zu beschränken, um eine konsistente Leistung über das gesamte Werkstück hinweg sicherzustellen.
Bei der Kaltverfestigung stehen Festigkeit und Duktilität in einem umgekehrten Verhältnis. Die Beziehung zwischen ASTM-Korngröße und Festigkeit ist tendenziell positiv und stark, im Allgemeinen steht die Dehnung in einem umgekehrten Verhältnis zur ASTM-Korngröße. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch dazu führen, dass „totweiche“ Materialien nicht mehr effektiv kaltverfestigt werden.
Die Korngröße wird oft als Zahl ohne Einheit angegeben, irgendwo zwischen 5 und 15. Dies ist ein relatives Verhältnis und bezieht sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher der ASTM-Korngrößenwert, desto mehr Körner pro Flächeneinheit.
Die Korngröße des geglühten Materials variiert mit der Zeit, der Temperatur und der Abkühlungsgeschwindigkeit. Das Glühen wird üblicherweise zwischen der Rekristallisationstemperatur und dem Schmelzpunkt der Legierung durchgeführt. Der empfohlene Glühtemperaturbereich für austenitische Edelstahllegierung 301 liegt zwischen 1.900 und 2.050 Grad Fahrenheit. Es beginnt bei etwa 2.550 Grad Fahrenheit zu schmelzen. Im Gegensatz dazu sollte handelsübliches reines Titan der Güteklasse 1 bei 1.292 Grad Fahrenheit geglüht werden und bei etwa 3.000 Grad Fahrenheit schmelzen.
Während des Glühens konkurrieren die Erholungs- und Rekristallisationsprozesse miteinander, bis die rekristallisierten Körner alle deformierten Körner verbraucht haben. Die Rekristallisationsrate variiert mit der Temperatur. Sobald die Rekristallisation abgeschlossen ist, setzt das Kornwachstum ein. Ein Werkstück aus Edelstahl 301, das eine Stunde lang bei 1.900 °F geglüht wird, hat eine feinere Kornstruktur als das gleiche Werkstück, das für die gleiche Zeit bei 2.000 °F geglüht wird.
Wenn das Material nicht lange genug im richtigen Glühbereich gehalten wird, kann die resultierende Struktur eine Kombination aus alten und neuen Körnern sein. Wenn im gesamten Metall gleichmäßige Eigenschaften gewünscht sind, sollte der Glühprozess darauf abzielen, eine gleichmäßige gleichachsige Kornstruktur zu erreichen. Gleichmäßig bedeutet, dass alle Körner ungefähr die gleiche Größe haben, und gleichachsig bedeutet, dass sie ungefähr die gleiche Form haben.
Um eine gleichmäßige und gleichachsige Mikrostruktur zu erhalten, muss jedes Werkstück für die gleiche Zeit der gleichen Wärmemenge ausgesetzt werden und mit der gleichen Geschwindigkeit abkühlen. Dies ist beim Chargenglühen nicht immer einfach oder möglich. Daher ist es wichtig, zumindest zu warten, bis das gesamte Werkstück bei der richtigen Temperatur gesättigt ist, bevor die Haltezeit berechnet wird. Längere Haltezeiten und höhere Temperaturen führen zu einer gröberen Kornstruktur/weicherem Material und umgekehrt.
Wenn Korngröße und Festigkeit zusammenhängen und die Festigkeit bekannt ist, warum sollte man dann die Körner berechnen? Alle zerstörenden Prüfungen weisen Schwankungen auf. Zugfestigkeitsprüfungen, insbesondere bei geringeren Dicken, hängen stark von der Probenvorbereitung ab. Zugfestigkeitsergebnisse, die nicht die tatsächlichen Materialeigenschaften widerspiegeln, können zu vorzeitigem Versagen führen.
Wenn die Eigenschaften im gesamten Werkstück nicht gleichmäßig sind, lässt sich durch die Entnahme einer Zugprobe oder Probe von einer Kante möglicherweise nicht alles sagen. Auch die Probenvorbereitung und -prüfung kann zeitaufwändig sein. Wie viele Prüfungen sind für ein bestimmtes Metall möglich und in wie vielen Richtungen sind sie durchführbar? Die Bewertung der Kornstruktur ist eine zusätzliche Absicherung gegen Überraschungen.
Anisotrop, isotrop. Anisotropie bezieht sich auf die Richtung mechanischer Eigenschaften. Neben der Festigkeit kann die Anisotropie durch die Untersuchung der Kornstruktur besser verstanden werden.
Eine gleichmäßige und gleichachsige Kornstruktur sollte isotrop sein, d. h. sie sollte in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften aufweisen. Isotropie ist insbesondere bei Tiefziehprozessen wichtig, bei denen die Konzentrizität entscheidend ist. Wenn der Rohling in die Form gezogen wird, fließt das anisotrope Material nicht gleichmäßig, was zu einem Defekt namens Zipfelbildung führen kann. Die Zipfelbildung tritt dort auf, wo der obere Teil der Tasse eine wellenförmige Silhouette bildet. Durch die Untersuchung der Kornstruktur können Inhomogenitäten im Werkstück lokalisiert und die Grundursache diagnostiziert werden.
Richtiges Glühen ist entscheidend für das Erreichen von Isotropie, es ist jedoch auch wichtig, das Ausmaß der Verformung vor dem Glühen zu kennen. Wenn sich das Material plastisch verformt, beginnen sich auch die Körner zu verformen. Beim Kaltwalzen, bei dem Dicke in Länge umgewandelt wird, verlängern sich die Körner in Walzrichtung. Wenn sich das Korn-Seitenverhältnis ändert, ändern sich auch die Isotropie und die allgemeinen mechanischen Eigenschaften. Bei stark verformten Werkstücken kann auch nach dem Glühen eine gewisse Ausrichtung erhalten bleiben. Dies führt zu Anisotropie. Bei tiefgezogenen Materialien ist es manchmal notwendig, das Ausmaß der Verformung vor dem letzten Glühen zu begrenzen, um Verschleiß zu vermeiden.
Orangenhaut. Das Aufnehmen ist nicht der einzige Tiefziehfehler, der mit der Matrize in Zusammenhang steht. Orangenhaut tritt auf, wenn Rohstoffe mit zu groben Partikeln gezogen werden. Jedes Korn verformt sich unabhängig und in Abhängigkeit von seiner Kristallorientierung. Der Unterschied in der Verformung zwischen benachbarten Körnern führt zu einem strukturierten Erscheinungsbild, das einer Orangenhaut ähnelt. Die Textur ist die körnige Struktur, die auf der Oberfläche der Becherwand sichtbar wird.
Genau wie bei den Pixeln auf einem Fernsehbildschirm sind bei einer feinkörnigen Struktur die Unterschiede zwischen den einzelnen Körnern weniger auffällig, wodurch die Auflösung effektiv erhöht wird. Die Angabe mechanischer Eigenschaften allein reicht möglicherweise nicht aus, um eine ausreichend feine Korngröße sicherzustellen und so den Orangenhauteffekt zu verhindern. Wenn die Maßabweichung des Werkstücks weniger als das Zehnfache des Korndurchmessers beträgt, bestimmen die Eigenschaften der einzelnen Körner das Umformungsverhalten. Es verformt sich nicht gleichmäßig über viele Körner, sondern spiegelt die spezifische Größe und Ausrichtung jedes einzelnen Korns wider. Dies ist am Orangenhauteffekt an den Wänden der gezogenen Becher zu erkennen.
Bei einer ASTM-Korngröße von 8 beträgt der durchschnittliche Korndurchmesser 885 µin. Dies bedeutet, dass jede Dickenreduzierung von 0,00885 Zoll oder weniger von diesem Mikroformungseffekt betroffen sein kann.
Obwohl grobe Körner beim Tiefziehen Probleme bereiten können, werden sie manchmal zum Prägen empfohlen. Stanzen ist ein Verformungsprozess, bei dem ein Rohling komprimiert wird, um ihm eine gewünschte Oberflächentopographie zu verleihen, beispielsweise ein Viertel der Gesichtskonturen von George Washington. Anders als beim Drahtziehen ist beim Stanzen normalerweise kein großer Materialfluss erforderlich, es ist jedoch viel Kraft erforderlich, wodurch die Oberfläche des Rohlings verformt werden kann.
Aus diesem Grund kann die Minimierung der Oberflächenfließspannung durch Verwendung einer gröberen Kornstruktur dazu beitragen, die für eine ordnungsgemäße Formfüllung erforderlichen Kräfte zu verringern. Dies gilt insbesondere für das Free-Die-Imprinting, bei dem Versetzungen auf Oberflächenkörnern frei fließen können, anstatt sich an Korngrenzen anzusammeln.
Bei den hier besprochenen Trends handelt es sich um Verallgemeinerungen, die möglicherweise nicht auf bestimmte Abschnitte zutreffen. Sie haben jedoch die Vorteile der Messung und Standardisierung der Korngröße des Rohmaterials bei der Konstruktion neuer Teile hervorgehoben, um häufige Defekte zu vermeiden und die Formparameter zu optimieren.
Hersteller von Präzisions-Metallstanzmaschinen und Tiefziehverfahren für Metall zur Herstellung ihrer Teile arbeiten gut mit Metallurgen an technisch qualifizierten Präzisions-Umwalzwerken zusammen, die ihnen dabei helfen können, Materialien bis auf die Kornebene zu optimieren. Wenn Metallurgie- und Ingenieurexperten auf beiden Seiten der Geschäftsbeziehung in ein Team integriert werden, kann dies eine transformative Wirkung haben und zu positiveren Ergebnissen führen.
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