Roostevaba terase mehaanilist käitumist kontrolliva terastruktuuri ühe kihi mõistmisest on võimalik saada kasu. Getty Images
Roostevaba terase ja alumiiniumisulamite valik keskendub üldiselt tugevusele, venivusele, venivusele ja kõvadusele. Need omadused näitavad, kuidas metalli ehitusplokid reageerivad rakendatavatele koormustele. Need on tõhus näitaja tooraine piirangute haldamisel; see tähendab, kui palju see enne purunemist paindub. Toormaterjal peab suutma vormimisprotsessile purunemata vastu pidada.
Purustav tõmbe- ja kõvaduskatse on usaldusväärne ja kulutõhus meetod mehaaniliste omaduste määramiseks. Need katsed ei ole aga alati nii usaldusväärsed, kui toormaterjali paksus hakkab katseproovi suurust piirama. Tasapinnaliste metalltoodete tõmbekatsed on muidugi endiselt kasulikud, kuid eeliseid saab saavutada, kui uurida põhjalikumalt ühte terastruktuuri kihti, mis kontrollib selle mehaanilist käitumist.
Metallid koosnevad mikroskoopiliste kristallide seeriast, mida nimetatakse teradeks. Need on metallis juhuslikult jaotunud. Legeerivate elementide, näiteks raua, kroomi, nikli, mangaani, räni, süsiniku, lämmastiku, fosfori ja väävli aatomid austeniitses roostevabas terases on osa ühest teradest. Need aatomid moodustavad metalliioonide tahke lahuse, mis on kristallvõresse seotud oma ühiste elektronide kaudu.
Sulami keemiline koostis määrab aatomite termodünaamiliselt eelistatud paigutuse terades, mida tuntakse kristallstruktuurina. Korduva kristallstruktuuriga metalli homogeensed osad moodustavad ühe või mitu tera, mida nimetatakse faasideks. Sulami mehaanilised omadused sõltuvad sulami kristallstruktuurist. Sama kehtib iga faasi terade suuruse ja paigutuse kohta.
Enamik inimesi tunneb vee olekuid. Kui vedel vesi külmub, muutub see tahkeks jääks. Metallide puhul aga pole ainult ühte tahket faasi. Teatud sulamite perekonnad on nimetatud oma faaside järgi. Roostevabade teraste hulgas koosnevad austeniitsed 300-seeria sulamid lõõmutamisel peamiselt austeniidist. 400-seeria sulamid koosnevad aga ferriidist 430 roostevabast terasest või martensiidist 410 ja 420 roostevabast terasest.
Sama kehtib ka titaanisulamite kohta. Iga sulamirühma nimetus näitab selle domineerivat faasi toatemperatuuril – alfa, beeta või mõlema segu. On olemas alfa-, lähialfa-, alfa-beeta-, beeta- ja lähibeeta-sulamid.
Kui vedel metall tahkub, sadestuvad termodünaamiliselt eelistatud faasi tahked osakesed kohtades, kus rõhk, temperatuur ja keemiline koostis seda võimaldavad. Tavaliselt juhtub see piirpindadel, nagu jääkristallid külmal päeval sooja tiigi pinnal. Kui terad tuumastuvad, kasvab kristallstruktuur ühes suunas, kuni kohatakse järgmist tera. Terade piirid tekivad mittesobivate võrede ristumiskohtades kristallstruktuuride erineva orientatsiooni tõttu. Kujutage ette, et panete karpi hunniku erineva suurusega Rubiku kuubikuid. Igal kuubikul on ruudukujuline ruudustik, kuid need kõik on paigutatud erinevatesse juhuslikesse suundadesse. Täielikult tahkunud metalldetail koosneb pealtnäha juhuslikult orienteeritud terade seeriast.
Tera moodustumisel on alati võimalik joondefektide teke. Need defektid on kristallstruktuuri puuduvad osad, mida nimetatakse dislokatsioonideks. Need dislokatsioonid ja nende hilisem liikumine läbi tera ja üle terade piiride on metalli plastilisuse aluseks.
Töödeldava detaili ristlõige paigaldatakse, lihvitakse, poleeritakse ja söövitatakse, et näha terade struktuuri. Ühtlase ja võrdteljelise struktuuri korral näevad optilisel mikroskoobil vaadeldavad mikrostruktuurid välja nagu pusle. Tegelikkuses on terad kolmemõõtmelised ja iga tera ristlõige varieerub sõltuvalt töödeldava detaili ristlõike orientatsioonist.
Kui kristallstruktuur on täidetud kõigi oma aatomitega, pole liikumiseks ruumi peale aatomite sidemete venimise.
Kui eemaldate poole aatomireast, lood võimaluse teisele aatomireale sellesse asendisse libiseda, liigutades dislokatsiooni sisuliselt. Kui toorikule rakendatakse jõudu, võimaldab dislokatsioonide koondliikumine mikrostruktuuris sellel painutada, venitada või kokku suruda ilma purunemata või purunemata.
Kui metallisulamile mõjub jõud, suurendab süsteem energiat. Kui plastilise deformatsiooni tekitamiseks lisandub piisavalt energiat, deformeerub võre ja tekivad uued dislokatsioonid. Tundub loogiline, et see peaks suurendama venivust, kuna see vabastab rohkem ruumi ja loob seega potentsiaali suuremaks dislokatsioonide liikumiseks. Kui dislokatsioonid aga põrkuvad, saavad nad üksteist paigal hoida.
Dislokatsioonide arvu ja kontsentratsiooni suurenedes kinnistub üha rohkem dislokatsioone kokku, vähendades venivust. Lõpuks tekib nii palju dislokatsioone, et külmvormimine pole enam võimalik. Kuna olemasolevad kinnitusdislokatsioonid ei saa enam liikuda, venivad võre aatomsidemed kuni purunemiseni või rebenemiseni. Seetõttu metallisulamid töötlemiskõvenevad ja on olemas piir, kui palju plastset deformatsiooni metall enne purunemist talub.
Teral on lõõmutamisel samuti oluline roll. Töötlemisel karastatud materjali lõõmutamine lähtestab sisuliselt mikrostruktuuri ja taastab seega elastsuse. Lõõmutamise käigus muutuvad terad kolmes etapis:
Kujutage ette inimest, kes kõnnib läbi rahvarohke rongivaguni. Rahvast saab kokku pigistada ainult ridade vahele tühimikke jättes, nagu nihked võres. Edasi liikudes täitsid nende taga olevad inimesed jäetud tühimiku, samal ajal kui nad lõid ette uue ruumi. Kui nad jõuavad vaguni teise otsa, muutub reisijate paigutus. Kui liiga palju inimesi üritab korraga mööduda, põrkavad neile ruumi teha püüdvad reisijad üksteisega kokku ja põrkavad vastu vaguni seinu, surudes kõik oma kohale. Mida rohkem nihkeid tekib, seda raskem on neil korraga liikuda.
Oluline on mõista rekristalliseerumise käivitamiseks vajalikku minimaalset deformatsioonitaset. Kui metallil aga enne kuumutamist pole piisavalt deformatsioonienergiat, siis rekristalliseerumist ei toimu ja terad lihtsalt kasvavad edasi üle oma algse suuruse.
Mehaanilisi omadusi saab reguleerida terade kasvu kontrollimise teel. Terade piir on sisuliselt dislokatsioonide sein. Need takistavad liikumist.
Kui terade kasv on piiratud, tekib suurem arv väikeseid teri. Neid väiksemaid teri peetakse terastruktuuri poolest peenemaks. Rohkem terade piire tähendab väiksemat dislokatsiooniliikumist ja suuremat tugevust.
Kui terade kasvu ei piirata, muutub tera struktuur jämedamaks, terad on suuremad, piirid on väiksemad ja tugevus on madalam.
Terasuurust nimetatakse sageli ühikuta arvuks, mis jääb vahemikku 5–15. See on suhteline suhe ja on seotud tera keskmise läbimõõduga. Mida suurem arv, seda peenem on teralisus.
ASTM E112 kirjeldab meetodeid terasuuruse mõõtmiseks ja hindamiseks. See hõlmab terade hulga loendamist antud piirkonnas. Tavaliselt tehakse seda toormaterjali ristlõike lõikamise, selle lihvimise ja poleerimise ning seejärel happega söövitamise teel, et osakesed paljastada. Loendamine toimub mikroskoobi all ja suurendus võimaldab teradest piisavat proovivõttu. ASTM-i terasuuruse numbrite määramine näitab tera kuju ja läbimõõdu mõistlikku ühtlust. Võib isegi olla kasulik piirata terasuuruse varieerumist kahe või kolme punktiga, et tagada ühtlane jõudlus kogu toorikul.
Töötlemiskõvenemise puhul on tugevusel ja venivsusel pöördvõrdeline seos. ASTM-i terasuuruse ja tugevuse vaheline seos on tavaliselt positiivne ja tugev, üldiselt on venivus pöördvõrdeline ASTM-i terasuurusega. Liigne terakasv võib aga põhjustada seda, et „surnud pehmed” materjalid ei kõvene enam tõhusalt.
Terasuurust nimetatakse sageli ühikuta arvuks, mis jääb vahemikku 5–15. See on suhteline suhe ja on seotud tera keskmise läbimõõduga. Mida suurem on ASTM-i terasuuruse väärtus, seda rohkem teri on pindalaühiku kohta.
Lõõmutatud materjali tera suurus varieerub aja, temperatuuri ja jahutuskiiruse järgi. Lõõmutamine toimub tavaliselt sulami rekristallisatsioonitemperatuuri ja sulamistemperatuuri vahel. Austeniitse roostevaba terase sulami 301 soovitatav lõõmutustemperatuuri vahemik on 1900–2050 kraadi Fahrenheiti järgi. See hakkab sulama umbes 2550 kraadi Fahrenheiti järgi. Seevastu kaubanduslikult puhast 1. klassi titaani tuleks lõõmutada temperatuuril 1292 kraadi Fahrenheiti järgi ja sulatada umbes 3000 kraadi Fahrenheiti järgi.
Lõõmutamise ajal võistlevad taastumis- ja rekristalliseerumisprotsessid omavahel, kuni rekristalliseerunud terad on kõik deformeerunud terad ära tarbinud. Rekristalliseerumiskiirus varieerub temperatuurist olenevalt. Kui rekristalliseerumine on lõppenud, võtab võimust terade kasv. 301 roostevabast terasest toorikul, mida on ühe tunni jooksul 1900 °F juures lõõmutatud, on peenem terastruktuur kui samal toorikul, mida on sama aja jooksul 2000 °F juures lõõmutatud.
Kui materjali ei hoita piisavalt kaua õiges kuumutusvahemikus, võib tulemuseks olla vanade ja uute terade kombinatsioon. Kui kogu metallis on soovitav ühtlane omadus, peaks kuumutusprotsessi eesmärk olema ühtlase võrdteljelise terastruktuuri saavutamine. Ühtlane tähendab, et kõik terad on ligikaudu sama suured ja võrdteljeline tähendab, et nad on ligikaudu sama kujuga.
Ühtlase ja võrdteljelise mikrostruktuuri saamiseks peaks iga toorik olema sama palju kuumust sama aja jooksul kuumutatud ja sama kiirusega jahtunud. Partii lõõmutamise korral pole see alati lihtne või võimalik, seega on oluline enne leotusaja arvutamist vähemalt oodata, kuni kogu toorik on sobiva temperatuurini küllastunud. Pikem leotusaeg ja kõrgemad temperatuurid põhjustavad jämedamat terastruktuuri/pehmemat materjali ja vastupidi.
Kui tera suurus ja tugevus on seotud ning tugevus on teada, miks siis terasid arvutada, eks? Kõigil purustavatel katsetel on varieeruvus. Tõmbekatsed, eriti väiksemate paksuste korral, sõltuvad suuresti proovi ettevalmistusest. Tõmbetugevuse tulemused, mis ei kajasta materjali tegelikke omadusi, võivad enneaegselt puruneda.
Kui omadused ei ole kogu töödeldava detaili ulatuses ühtlased, ei pruugi tõmbekatseproovi või proovi võtmine ühest servast kogu lugu öelda. Proovi ettevalmistamine ja katsetamine võib samuti olla aeganõudev. Mitu katset on antud metalli puhul võimalik teha ja mitmes suunas on see teostatav? Terastruktuuri hindamine on lisakindlustus üllatuste vastu.
Anisotroopne, isotroopne. Anisotroopia viitab mehaaniliste omaduste suunatusele. Lisaks tugevusele saab anisotroopiat paremini mõista tera struktuuri uurides.
Ühtlane ja võrdteljeline terastruktuur peaks olema isotroopne, mis tähendab, et sellel on igas suunas samad omadused. Isotroopia on eriti oluline sügavtõmbamisprotsessides, kus kontsentrilisus on kriitilise tähtsusega. Kui toorik vormi tõmmatakse, ei voola anisotroopne materjal ühtlaselt, mis võib viia defektini, mida nimetatakse kõrvastumiseks. Kõrvastumise tekib kohas, kus topsi ülemine osa moodustab lainelise silueti. Terastruktuuri uurimine võib paljastada tooriku ebaühtluste asukoha ja aidata diagnoosida algpõhjust.
Nõuetekohane lõõmutamine on isotroopia saavutamiseks kriitilise tähtsusega, kuid samuti on oluline mõista deformatsiooni ulatust enne lõõmutamist. Materjali plastilise deformeerumise korral hakkavad terad deformeeruma. Külmvaltsimise korral, paksuse pikkuseks teisendamisel, pikenevad terad valtsimissuunas. Terade kuvasuhte muutudes muutuvad ka isotroopia ja üldised mehaanilised omadused. Tugevalt deformeerunud toorikute puhul võib teatav orientatsioon säilida ka pärast lõõmutamist. See põhjustab anisotroopiat. Sügavtõmmatud materjalide puhul on mõnikord vaja enne lõplikku lõõmutamist deformatsiooni hulka piirata, et vältida kulumist.
Apelsinikoor. Tõmbamine pole ainus matriitsiga seotud sügavtõmbamisdefekt. Apelsinikoor tekib siis, kui tõmmatakse liiga jämedate osakestega toormaterjale. Iga tera deformeerub iseseisvalt ja vastavalt oma kristalli orientatsioonile. Kõrvuti asetsevate terade deformatsiooni erinevus annab apelsinikoorele sarnase tekstuurilise välimuse. Tekstuur on tassi seina pinnal ilmnev granuleeritud struktuur.
Nii nagu teleriekraani pikslite puhul, on peeneteralise struktuuri korral terade vahe vähem märgatav, mis suurendab eraldusvõimet. Ainult mehaaniliste omaduste täpsustamisest ei pruugi piisata, et tagada piisavalt peen terasuurus, mis hoiab ära apelsinikoore efekti. Kui tooriku suuruse muutus on väiksem kui 10 korda tera läbimõõdust, määravad üksikute terade omadused vormimiskäitumise. See ei deformeeru võrdselt paljude terade lõikes, vaid peegeldab iga tera spetsiifilist suurust ja orientatsiooni. Seda on näha apelsinikoore efektist tõmmatud tasside seintel.
ASTM-i terasuuruse 8 korral on keskmine tera läbimõõt 885 µin. See tähendab, et mikroformeerumisefekt võib mõjutada iga paksuse vähenemist 0,00885 tolli või vähem.
Kuigi jämedad terad võivad põhjustada sügavtõmbamise probleeme, soovitatakse neid mõnikord trükkimiseks. Tembeldamine on deformatsiooniprotsess, mille käigus toorikut surutakse kokku, et anda soovitud pinnatopograafia, näiteks veerand George Washingtoni näokontuuridest. Erinevalt traadi tõmbamisest ei kaasne tembeldamisega tavaliselt palju materjalivoogu, kuid see nõuab palju jõudu, mis võib tooriku pinda lihtsalt deformeerida.
Sel põhjusel võib pinna voolavuspiiri minimeerimine jämedama terastruktuuri abil aidata leevendada vormi nõuetekohaseks täitmiseks vajalikke jõude. See kehtib eriti vabapressimise puhul, kus pinnaterade dislokatsioonid saavad vabalt voolata, mitte koguneda terade piiridele.
Siin käsitletud trendid on üldistused, mis ei pruugi kehtida konkreetsete sektsioonide kohta. Siiski tõid need esile tooraine osakeste suuruse mõõtmise ja standardiseerimise eelised uute osade projekteerimisel, et vältida levinud lõkse ja optimeerida vormimisparameetreid.
Täppismetalli stantsimismasinate ja metalli sügavtõmbamismasinate tootjad teevad head koostööd tehniliselt kvalifitseeritud täppisvaltsijate metallurgidega, kes aitavad materjale kuni terade tasemeni optimeerida. Kui mõlema poole metallurgia- ja insenerieksperdid on integreeritud ühte meeskonda, võib see avaldada transformatiivset mõju ja anda positiivsemaid tulemusi.
STAMPING Journal on ainus tööstusajakiri, mis on pühendatud metallistantsimise turu vajaduste rahuldamisele. Alates 1989. aastast on väljaanne kajastanud tipptehnoloogiaid, valdkonna trende, parimaid tavasid ja uudiseid, et aidata stantsimise spetsialistidel oma äri tõhusamalt juhtida.
Nüüd täielik juurdepääs The FABRICATORi digitaalsele väljaandele ja lihtne juurdepääs väärtuslikele valdkonna ressurssidele.
The Tube & Pipe Journal digitaalne väljaanne on nüüd täielikult ligipääsetav, pakkudes hõlpsat juurdepääsu väärtuslikele valdkonna ressurssidele.
Nautige täielikku juurdepääsu STAMPING Journali digitaalsele väljaandele, mis pakub uusimaid tehnoloogilisi edusamme, parimaid tavasid ja valdkonna uudiseid metallistantsimise turul.
Nüüd täielik juurdepääs ajakirja The Fabricator en Español digitaalsele väljaandele ja lihtne juurdepääs väärtuslikele valdkonna ressurssidele.