Se pueden obtener beneficios al comprender una capa de la estructura del grano que controla el comportamiento mecánico del acero inoxidable.Getty Images
La selección de aleaciones de acero inoxidable y aluminio generalmente se centra en la resistencia, la ductilidad, la elongación y la dureza. Estas propiedades indican cómo los componentes básicos del metal responden a las cargas aplicadas. Son un indicador eficaz para gestionar las limitaciones de la materia prima, es decir, cuánto se doblará antes de romperse. La materia prima debe poder soportar el proceso de moldeo sin romperse.
Las pruebas destructivas de tracción y dureza son un método confiable y rentable para determinar las propiedades mecánicas. Sin embargo, estas pruebas no siempre son tan confiables una vez que el espesor de la materia prima comienza a limitar el tamaño de la muestra de prueba. Las pruebas de tracción de productos metálicos planos, por supuesto, siguen siendo útiles, pero se pueden obtener beneficios al observar más profundamente una capa de la estructura del grano que controla su comportamiento mecánico.
Los metales están formados por una serie de cristales microscópicos llamados granos. Están distribuidos aleatoriamente por todo el metal. Los átomos de los elementos de aleación, como hierro, cromo, níquel, manganeso, silicio, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre en los aceros inoxidables austeníticos, son parte de un solo grano. Estos átomos forman una solución sólida de iones metálicos, que están unidos a la red cristalina a través de sus electrones compartidos.
La composición química de la aleación determina la disposición termodinámicamente preferida de los átomos en los granos, conocida como estructura cristalina. Las porciones homogéneas de un metal que contienen una estructura cristalina repetida forman uno o más granos llamados fases. Las propiedades mecánicas de una aleación son una función de la estructura cristalina de la aleación. Lo mismo ocurre con el tamaño y la disposición de los granos de cada fase.
La mayoría de las personas están familiarizadas con las etapas del agua. Cuando el agua líquida se congela, se convierte en hielo sólido. Sin embargo, cuando se trata de metales, no hay solo una fase sólida. Ciertas familias de aleaciones reciben el nombre de sus fases. Entre los aceros inoxidables, las aleaciones austeníticas de la serie 300 consisten principalmente en austenita cuando se recocen. Sin embargo, las aleaciones de la serie 400 consisten en ferrita en acero inoxidable 430 o martensita en aleaciones de acero inoxidable 410 y 420.
Lo mismo ocurre con las aleaciones de titanio. El nombre de cada grupo de aleaciones indica su fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una mezcla de ambas. Existen aleaciones alfa, casi alfa, alfa-beta, beta y casi beta.
Cuando el metal líquido se solidifica, las partículas sólidas de la fase termodinámicamente preferida precipitarán donde la presión, la temperatura y la composición química lo permitan. Esto suele suceder en las interfaces, como los cristales de hielo en la superficie de un estanque cálido en un día frío. Cuando los granos se nuclean, la estructura cristalina crece en una dirección hasta que se encuentra con otro grano. Los límites de los granos se forman en las intersecciones de redes no coincidentes debido a las diferentes orientaciones de las estructuras cristalinas. Imagine poner un montón de cubos de Rubik de diferentes tamaños en una caja. Cada cubo tiene una disposición de cuadrícula cuadrada, pero todos estarán dispuestos en diferentes direcciones aleatorias. Una pieza de trabajo de metal completamente solidificada consta de una serie de granos orientados aparentemente al azar.
Cada vez que se forma un grano, existe la posibilidad de que aparezcan defectos en la línea. Estos defectos son partes faltantes de la estructura cristalina llamadas dislocaciones. Estas dislocaciones y su posterior movimiento a lo largo del grano y a través de los límites del grano son fundamentales para la ductilidad del metal.
Se monta, se rectifica, se pule y se graba una sección transversal de la pieza de trabajo para ver la estructura del grano. Cuando son uniformes y equiaxiales, las microestructuras observadas en un microscopio óptico se parecen un poco a un rompecabezas. En realidad, los granos son tridimensionales y la sección transversal de cada grano variará dependiendo de la orientación de la sección transversal de la pieza de trabajo.
Cuando una estructura cristalina está llena con todos sus átomos, no hay espacio para ningún movimiento más que el estiramiento de los enlaces atómicos.
Cuando se elimina la mitad de una fila de átomos, se crea una oportunidad para que otra fila de átomos se deslice a esa posición, moviendo efectivamente la dislocación. Cuando se aplica una fuerza a la pieza de trabajo, el movimiento agregado de dislocaciones en la microestructura le permite doblarse, estirarse o comprimirse sin romperse ni romperse.
Cuando una fuerza actúa sobre una aleación de metal, el sistema aumenta su energía. Si se agrega suficiente energía para causar una deformación plástica, la red se deforma y se forman nuevas dislocaciones. Parece lógico que esto aumente la ductilidad, ya que libera más espacio y, por lo tanto, crea el potencial para un mayor movimiento de dislocación. Sin embargo, cuando las dislocaciones chocan, pueden fijarse entre sí.
A medida que aumenta el número y la concentración de dislocaciones, cada vez más dislocaciones se unen entre sí, lo que reduce la ductilidad. Eventualmente, aparecen tantas dislocaciones que el conformado en frío ya no es posible. Dado que las dislocaciones de fijación existentes ya no se pueden mover, los enlaces atómicos en la red se estiran hasta que se rompen o se rompen. Esta es la razón por la que las aleaciones metálicas se endurecen y por la que existe un límite en la cantidad de deformación plástica que un metal puede soportar antes de romperse.
El grano también juega un papel importante en el recocido. El recocido de un material endurecido por trabajo restablece esencialmente la microestructura y, por lo tanto, restaura la ductilidad. Durante el proceso de recocido, los granos se transforman en tres pasos:
Imagine a una persona caminando por un vagón de tren lleno de gente. Las multitudes solo se pueden apretar dejando espacios entre las filas, como dislocaciones en un enrejado. A medida que avanzaban, las personas detrás de ellos llenaban el vacío que dejaban, mientras creaban un nuevo espacio en frente. Una vez que llegan al otro extremo del vagón, la disposición de los pasajeros cambia. Si demasiadas personas intentan pasar al mismo tiempo, los pasajeros que intentan hacer espacio para su movimiento chocarán entre sí y golpearán las paredes de los vagones del tren, inmovilizando a todos en su lugar. Cuantos más dislocaciones aparezcan, más difícil será para ellos moverse al mismo tiempo.
Es importante comprender el nivel mínimo de deformación necesario para provocar la recristalización. Sin embargo, si el metal no tiene suficiente energía de deformación antes de calentarse, la recristalización no ocurrirá y los granos simplemente continuarán creciendo más allá de su tamaño original.
Las propiedades mecánicas se pueden ajustar controlando el crecimiento del grano. Un límite de grano es esencialmente una pared de dislocaciones que obstaculizan el movimiento.
Si se restringe el crecimiento del grano, se producirá una mayor cantidad de granos pequeños. Estos granos más pequeños se consideran más finos en términos de estructura de grano. Más límites de grano significan menos movimiento de dislocación y mayor resistencia.
Si no se restringe el crecimiento del grano, la estructura del grano se vuelve más gruesa, los granos son más grandes, los límites son menores y la resistencia es menor.
El tamaño del grano a menudo se denomina un número sin unidades, comprendido entre 5 y 15. Se trata de una relación relativa y está relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el número, más fina será la granularidad.
ASTM E112 describe métodos para medir y evaluar el tamaño del grano. Implica contar la cantidad de grano en un área determinada. Esto generalmente se hace cortando una sección transversal de la materia prima, moliéndola y puliéndola, y luego grabándola con ácido para exponer las partículas. El conteo se realiza bajo un microscopio y la ampliación permite un muestreo adecuado de los granos. La asignación de números de tamaño de grano ASTM indica un nivel razonable de uniformidad en la forma y el diámetro del grano. Incluso puede ser ventajoso limitar la variación en el tamaño del grano a dos o tres puntos para garantizar un rendimiento constante en toda la pieza de trabajo.
En el caso del endurecimiento por trabajo, la resistencia y la ductilidad tienen una relación inversa. La relación entre el tamaño de grano ASTM y la resistencia tiende a ser positiva y fuerte; generalmente, el alargamiento está inversamente relacionado con el tamaño de grano ASTM. Sin embargo, el crecimiento excesivo del grano puede provocar que los materiales “muy blandos” ya no se endurezcan de manera efectiva.
El tamaño del grano a menudo se denomina un número sin unidades, entre 5 y 15. Se trata de una relación relativa y está relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el valor del tamaño de grano ASTM, más granos habrá por unidad de área.
El tamaño de grano del material recocido varía con el tiempo, la temperatura y la velocidad de enfriamiento. El recocido generalmente se realiza entre la temperatura de recristalización y el punto de fusión de la aleación. El rango de temperatura de recocido recomendado para la aleación de acero inoxidable austenítico 301 es entre 1900 y 2050 grados Fahrenheit. Comenzará a derretirse alrededor de los 2550 grados Fahrenheit. Por el contrario, el titanio de grado 1 comercialmente puro debe recocerse a 1292 grados Fahrenheit y fundirse alrededor de 3000 grados Fahrenheit.
Durante el recocido, los procesos de recuperación y recristalización compiten entre sí hasta que los granos recristalizados consumen todos los granos deformados. La tasa de recristalización varía con la temperatura. Una vez que se completa la recristalización, el crecimiento del grano toma el control. Una pieza de trabajo de acero inoxidable 301 recocida a 1900 °F durante una hora tendrá una estructura de grano más fina que la misma pieza de trabajo recocida a 2000 °F durante el mismo tiempo.
Si el material no se mantiene en el rango de recocido adecuado durante el tiempo suficiente, la estructura resultante puede ser una combinación de granos viejos y nuevos. Si se desean propiedades uniformes en todo el metal, el proceso de recocido debe apuntar a lograr una estructura de grano equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos los granos tienen aproximadamente el mismo tamaño y equiaxial significa que tienen aproximadamente la misma forma.
Para obtener una microestructura uniforme y equiaxial, cada pieza de trabajo debe estar expuesta a la misma cantidad de calor durante la misma cantidad de tiempo y debe enfriarse a la misma velocidad. Esto no siempre es fácil o posible con el recocido por lotes, por lo que es importante al menos esperar hasta que toda la pieza de trabajo esté saturada a la temperatura adecuada antes de calcular el tiempo de remojo. Los tiempos de remojo más largos y las temperaturas más altas darán como resultado una estructura de grano más grueso/material más blando y viceversa.
Si el tamaño del grano y la resistencia están relacionados, y se conoce la resistencia, ¿por qué calcular los granos, verdad? Todas las pruebas destructivas tienen variabilidad. Las pruebas de tracción, especialmente en espesores más bajos, dependen en gran medida de la preparación de la muestra. Los resultados de resistencia a la tracción que no representan las propiedades reales del material pueden experimentar fallas prematuras.
Si las propiedades no son uniformes en toda la pieza de trabajo, tomar una muestra o probeta de tracción de un borde puede no revelar toda la historia. La preparación y prueba de la muestra también pueden llevar mucho tiempo. ¿Cuántas pruebas son posibles para un metal determinado y en cuántas direcciones es factible? Evaluar la estructura del grano es un seguro adicional contra sorpresas.
Anisotrópico, isótropo.La anisotropía se refiere a la direccionalidad de las propiedades mecánicas.Además de la resistencia, la anisotropía se puede comprender mejor examinando la estructura del grano.
Una estructura de grano uniforme y equiaxial debe ser isótropa, lo que significa que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía es especialmente importante en los procesos de embutición profunda donde la concentricidad es fundamental. Cuando se introduce la pieza en bruto en el molde, el material anisotrópico no fluye de manera uniforme, lo que puede provocar un defecto llamado encorvamiento. El encorvamiento se produce cuando la parte superior de la copa forma una silueta ondulada. El examen de la estructura del grano puede revelar la ubicación de las inhomogeneidades en la pieza de trabajo y ayudar a diagnosticar la causa raíz.
El recocido adecuado es fundamental para lograr la isotropía, pero también es importante comprender el grado de deformación antes del recocido. A medida que el material se deforma plásticamente, los granos comienzan a deformarse. En el caso del laminado en frío, al convertir el espesor en longitud, los granos se alargarán en la dirección de laminado. A medida que cambia la relación de aspecto del grano, también lo hace la isotropía y las propiedades mecánicas generales. En el caso de piezas de trabajo muy deformadas, es posible que se conserve cierta orientación incluso después del recocido. Esto da como resultado anisotropía. Para materiales embutidos, a veces es necesario limitar la cantidad de deformación antes del recocido final para evitar el desgaste.
cáscara de naranja. El picado no es el único defecto de embutición profunda asociado con la matriz. La cáscara de naranja se produce cuando se embuten materias primas con partículas demasiado gruesas. Cada grano se deforma independientemente y en función de la orientación de su cristal. La diferencia en la deformación entre granos adyacentes da como resultado una apariencia texturizada similar a la cáscara de naranja. La textura es la estructura granular que se revela en la superficie de la pared de la copa.
Al igual que los píxeles en una pantalla de TV, con una estructura de grano fino, la diferencia entre cada grano será menos notoria, lo que aumenta efectivamente la resolución. La especificación de las propiedades mecánicas por sí sola puede no ser suficiente para garantizar un tamaño de grano suficientemente fino para evitar el efecto de piel de naranja. Cuando la variación dimensional de la pieza de trabajo es menor a 10 veces el diámetro del grano, las propiedades de los granos individuales impulsarán el comportamiento de conformado. No se deforma por igual en muchos granos, sino que refleja el tamaño y la orientación específicos de cada grano. Esto se puede ver en el efecto de piel de naranja en las paredes de las copas embutidas.
Para un tamaño de grano ASTM de 8, el diámetro promedio del grano es 885 µin. Esto significa que cualquier reducción de espesor de 0,00885 pulgadas o menos puede verse afectada por este efecto de microformado.
Aunque los granos gruesos pueden causar problemas de embutición profunda, a veces se recomiendan para la impresión. El estampado es un proceso de deformación en el que se comprime una pieza en bruto para impartir una topografía de superficie deseada, como un cuarto de los contornos faciales de George Washington. A diferencia del trefilado, el estampado por lo general no implica un gran flujo de material a granel, pero sí requiere mucha fuerza, que puede deformar la superficie de la pieza en bruto.
Por este motivo, minimizar el estrés del flujo superficial mediante el uso de una estructura de grano más grueso puede ayudar a aliviar las fuerzas necesarias para un llenado adecuado del molde. Esto es especialmente cierto para la impresión con matriz libre, donde las dislocaciones en los granos de la superficie pueden fluir libremente, en lugar de acumularse en los límites de los granos.
Las tendencias analizadas aquí son generalizaciones que pueden no aplicarse a secciones específicas. Sin embargo, resaltaron los beneficios de medir y estandarizar el tamaño del grano de la materia prima al diseñar nuevas piezas para evitar defectos comunes y optimizar los parámetros de moldeo.
Los fabricantes de máquinas de estampado de metal de precisión y operaciones de embutición profunda en metal para formar sus piezas trabajarán bien con metalúrgicos en relaminadores de precisión técnicamente calificados que pueden ayudarlos a optimizar los materiales hasta el nivel de grano. Cuando los expertos en metalurgia e ingeniería de ambos lados de la relación se integran en un solo equipo, puede tener un impacto transformador y producir resultados más positivos.
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