با کسب بینش در مورد یک لایه از ساختار دانه که رفتار مکانیکی فولاد ضد زنگ را کنترل می‌کند، می‌توان به مزایایی دست یافت. گتی ایمیجز
انتخاب فولاد ضد زنگ و آلیاژهای آلومینیوم عموماً حول محور استحکام، شکل‌پذیری، افزایش طول و سختی انجام می‌شود. این خواص نشان می‌دهند که بلوک‌های سازنده فلز چگونه به بارهای اعمال شده پاسخ می‌دهند. آن‌ها شاخص مؤثری برای مدیریت محدودیت‌های مواد اولیه هستند؛ یعنی اینکه قبل از شکستن چقدر خم می‌شوند. مواد اولیه باید بتوانند فرآیند قالب‌گیری را بدون شکستن تحمل کنند.
آزمایش مخرب کشش و سختی، روشی قابل اعتماد و مقرون به صرفه برای تعیین خواص مکانیکی است. با این حال، این آزمایش‌ها همیشه به اندازه کافی قابل اعتماد نیستند، به خصوص زمانی که ضخامت ماده اولیه شروع به محدود کردن اندازه نمونه آزمایشی می‌کند. آزمایش کشش محصولات فلزی مسطح البته هنوز مفید است، اما با نگاه عمیق‌تر به یک لایه از ساختار دانه‌ای که رفتار مکانیکی آن را کنترل می‌کند، می‌توان مزایایی به دست آورد.
فلزات از مجموعه‌ای از بلورهای میکروسکوپی به نام دانه‌ها تشکیل شده‌اند. آن‌ها به طور تصادفی در سراسر فلز توزیع شده‌اند. اتم‌های عناصر آلیاژی، مانند آهن، کروم، نیکل، منگنز، سیلیکون، کربن، نیتروژن، فسفر و گوگرد در فولادهای ضد زنگ آستنیتی، بخشی از یک دانه واحد هستند. این اتم‌ها محلول جامدی از یون‌های فلزی را تشکیل می‌دهند که از طریق الکترون‌های مشترک خود به شبکه بلوری متصل شده‌اند.
ترکیب شیمیایی آلیاژ، آرایش ترجیحی ترمودینامیکی اتم‌ها در دانه‌ها را که به عنوان ساختار بلوری شناخته می‌شود، تعیین می‌کند. بخش‌های همگن یک فلز حاوی ساختار بلوری تکرارشونده، یک یا چند دانه به نام فاز را تشکیل می‌دهند. خواص مکانیکی یک آلیاژ تابعی از ساختار بلوری در آلیاژ است. همین امر در مورد اندازه و آرایش دانه‌های هر فاز نیز صدق می‌کند.
بیشتر مردم با مراحل آب آشنا هستند. وقتی آب مایع یخ می‌زند، به یخ جامد تبدیل می‌شود. با این حال، وقتی صحبت از فلزات می‌شود، فقط یک فاز جامد وجود ندارد. برخی از خانواده‌های آلیاژی بر اساس فازهایشان نامگذاری می‌شوند. در میان فولادهای ضد زنگ، آلیاژهای آستنیتی سری ۳۰۰ عمدتاً از آستنیت در حالت آنیل شده تشکیل شده‌اند. با این حال، آلیاژهای سری ۴۰۰ از فریت در فولاد ضد زنگ ۴۳۰ یا مارتنزیت در آلیاژهای فولاد ضد زنگ ۴۱۰ و ۴۲۰ تشکیل شده‌اند.
همین امر در مورد آلیاژهای تیتانیوم نیز صدق می‌کند. نام هر گروه آلیاژی، فاز غالب آنها را در دمای اتاق نشان می‌دهد - آلفا، بتا یا ترکیبی از هر دو. آلیاژهای آلفا، نزدیک به آلفا، آلفا-بتا، بتا و نزدیک به بتا وجود دارد.
وقتی فلز مایع منجمد می‌شود، ذرات جامد فاز ترجیحی ترمودینامیکی در جایی که فشار، دما و ترکیب شیمیایی اجازه می‌دهند، رسوب می‌کنند. این معمولاً در سطوح مشترک، مانند بلورهای یخ روی سطح یک برکه گرم در یک روز سرد، اتفاق می‌افتد. وقتی دانه‌ها هسته‌زایی می‌کنند، ساختار بلوری در یک جهت رشد می‌کند تا زمانی که با دانه دیگری مواجه شود. مرزهای دانه در تقاطع شبکه‌های ناهماهنگ به دلیل جهت‌گیری‌های مختلف ساختارهای بلوری تشکیل می‌شوند. تصور کنید که دسته‌ای از مکعب‌های روبیک با اندازه‌های مختلف را در یک جعبه قرار می‌دهید. هر مکعب دارای یک چیدمان شبکه مربعی است، اما همه آنها در جهات تصادفی مختلف چیده می‌شوند. یک قطعه فلزی کاملاً منجمد شده از مجموعه‌ای از دانه‌های به ظاهر تصادفی تشکیل شده است.
هر زمان که دانه‌ای تشکیل می‌شود، احتمال وجود نقص‌های خطی وجود دارد. این نقص‌ها بخش‌هایی از ساختار بلوری هستند که به آنها نابجایی گفته می‌شود. این نابجایی‌ها و حرکت بعدی آنها در سراسر دانه و در سراسر مرزهای دانه، برای شکل‌پذیری فلز اساسی هستند.
یک مقطع عرضی از قطعه کار نصب، سنگ‌زنی، صیقل داده شده و برای مشاهده ساختار دانه‌ها، حکاکی می‌شود. وقتی دانه‌ها یکنواخت و هم‌محور باشند، ریزساختارهای مشاهده شده در میکروسکوپ نوری کمی شبیه یک پازل به نظر می‌رسند. در واقعیت، دانه‌ها سه‌بعدی هستند و سطح مقطع هر دانه بسته به جهت‌گیری سطح مقطع قطعه کار متفاوت خواهد بود.
وقتی یک ساختار بلوری با تمام اتم‌هایش پر شده باشد، هیچ جایی برای حرکت به جز کشش پیوندهای اتمی وجود ندارد.
وقتی نیمی از یک ردیف اتم را حذف می‌کنید، فرصتی برای ردیف دیگری از اتم‌ها ایجاد می‌کنید تا به آن موقعیت بلغزند و به طور مؤثر نابجایی را جابجا کنند. وقتی نیرویی به قطعه کار اعمال می‌شود، حرکت تجمعی نابجایی‌ها در ریزساختار، آن را قادر می‌سازد بدون شکستن یا خرد شدن، خم شود، کشیده شود یا فشرده شود.
وقتی نیرویی بر یک آلیاژ فلزی وارد می‌شود، سیستم انرژی را افزایش می‌دهد. اگر انرژی کافی برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک اضافه شود، شبکه تغییر شکل می‌دهد و نابجایی‌های جدیدی تشکیل می‌شوند. منطقی به نظر می‌رسد که این امر باید شکل‌پذیری را افزایش دهد، زیرا فضای بیشتری را آزاد می‌کند و در نتیجه پتانسیل حرکت بیشتر نابجایی‌ها را ایجاد می‌کند. با این حال، وقتی نابجایی‌ها با هم برخورد می‌کنند، می‌توانند یکدیگر را ثابت کنند.
با افزایش تعداد و غلظت نابجایی‌ها، نابجایی‌های بیشتر و بیشتری به هم متصل می‌شوند و شکل‌پذیری را کاهش می‌دهند. در نهایت، نابجایی‌های زیادی ظاهر می‌شوند که دیگر شکل‌دهی سرد امکان‌پذیر نیست. از آنجایی که نابجایی‌های پینینگ موجود دیگر نمی‌توانند حرکت کنند، پیوندهای اتمی در شبکه تا زمانی که شکسته یا قطع شوند، کشیده می‌شوند. به همین دلیل است که آلیاژهای فلزی سخت می‌شوند و به همین دلیل است که محدودیتی در میزان تغییر شکل پلاستیکی که یک فلز می‌تواند قبل از شکستن تحمل کند، وجود دارد.
دانه همچنین نقش مهمی در عملیات حرارتی (آنیل) ایفا می‌کند. عملیات حرارتی یک ماده سخت‌کاری‌شده اساساً ریزساختار را مجدداً تنظیم می‌کند و در نتیجه شکل‌پذیری را بازیابی می‌کند. در طول فرآیند حرارتی، دانه‌ها در سه مرحله تغییر شکل می‌دهند:
تصور کنید شخصی در حال عبور از یک واگن قطار شلوغ است. جمعیت را فقط می‌توان با ایجاد فاصله بین ردیف‌ها، مانند جابجایی‌ها در یک شبکه، فشرده کرد. با پیشروی، افراد پشت سرشان جای خالی ایجاد شده توسط آنها را پر می‌کنند، در حالی که فضای جدیدی در جلو ایجاد می‌کنند. به محض رسیدن به انتهای دیگر واگن، چیدمان مسافران تغییر می‌کند. اگر افراد زیادی سعی کنند همزمان عبور کنند، مسافرانی که سعی می‌کنند برای حرکت آنها جا باز کنند، با یکدیگر برخورد کرده و به دیواره‌های واگن‌های قطار برخورد می‌کنند و همه را در جای خود میخکوب می‌کنند. هرچه جابجایی‌های بیشتری ظاهر شود، حرکت همزمان برای آنها دشوارتر می‌شود.
درک حداقل سطح تغییر شکل مورد نیاز برای شروع تبلور مجدد مهم است. با این حال، اگر فلز قبل از گرم شدن انرژی تغییر شکل کافی نداشته باشد، تبلور مجدد رخ نخواهد داد و دانه‌ها به سادگی به رشد فراتر از اندازه اصلی خود ادامه می‌دهند.
خواص مکانیکی را می‌توان با کنترل رشد دانه تنظیم کرد. مرز دانه اساساً دیواری از نابجایی‌ها است. آنها مانع حرکت می‌شوند.
اگر رشد دانه محدود شود، تعداد بیشتری دانه کوچک تولید خواهد شد. این دانه‌های کوچک‌تر از نظر ساختار دانه، ریزتر در نظر گرفته می‌شوند. مرزدانه‌های بیشتر به معنای حرکت نابجایی کمتر و استحکام بالاتر است.
اگر رشد دانه محدود نشود، ساختار دانه درشت‌تر، دانه‌ها بزرگتر، مرزها کوچکتر و استحکام کمتر می‌شود.
اندازه دانه اغلب به عنوان یک عدد بدون واحد، جایی بین 5 تا 15، نامیده می‌شود. این یک نسبت نسبی است و به قطر متوسط ​​دانه مربوط می‌شود. هرچه این عدد بزرگتر باشد، دانه‌بندی ریزتر است.
استاندارد ASTM E112 روش‌هایی را برای اندازه‌گیری و ارزیابی اندازه دانه تشریح می‌کند. این روش شامل شمارش مقدار دانه در یک ناحیه مشخص است. این کار معمولاً با برش مقطعی از ماده اولیه، سنگ‌زنی و صیقل دادن آن و سپس حکاکی آن با اسید برای آشکارسازی ذرات انجام می‌شود. شمارش زیر میکروسکوپ انجام می‌شود و بزرگنمایی امکان نمونه‌برداری کافی از دانه‌ها را فراهم می‌کند. تعیین اعداد اندازه دانه ASTM نشان دهنده سطح معقولی از یکنواختی در شکل و قطر دانه است. حتی ممکن است محدود کردن تغییرات اندازه دانه به دو یا سه نقطه برای اطمینان از عملکرد ثابت در سراسر قطعه کار مفید باشد.
در مورد سخت‌کاری، استحکام و شکل‌پذیری رابطه معکوس دارند. رابطه بین اندازه دانه ASTM و استحکام معمولاً مثبت و قوی است، به‌طورکلی ازدیاد طول با اندازه دانه ASTM رابطه معکوس دارد. با این حال، رشد بیش از حد دانه می‌تواند باعث شود مواد «نرم و بی‌روح» دیگر به‌طور مؤثر کارسخت نشوند.
اندازه دانه اغلب به عنوان یک عدد بدون واحد، جایی بین ۵ تا ۱۵، شناخته می‌شود. این یک نسبت نسبی است و به قطر متوسط ​​دانه مربوط می‌شود. هرچه مقدار اندازه دانه ASTM بالاتر باشد، تعداد دانه‌ها در واحد سطح بیشتر است.
اندازه دانه ماده آنیل شده با زمان، دما و سرعت خنک شدن تغییر می‌کند. آنیل کردن معمولاً بین دمای تبلور مجدد و نقطه ذوب آلیاژ انجام می‌شود. محدوده دمای آنیل توصیه شده برای آلیاژ فولاد ضد زنگ آستنیتی 301 بین 1900 تا 2050 درجه فارنهایت است. در حدود 2550 درجه فارنهایت شروع به ذوب شدن می‌کند. در مقابل، تیتانیوم خالص تجاری درجه 1 باید در دمای 1292 درجه فارنهایت آنیل شود و در حدود 3000 درجه فارنهایت ذوب شود.
در طول عملیات حرارتی، فرآیندهای بازیابی و تبلور مجدد با یکدیگر رقابت می‌کنند تا زمانی که دانه‌های تبلور مجدد، تمام دانه‌های تغییر شکل یافته را مصرف کنند. سرعت تبلور مجدد با دما تغییر می‌کند. پس از اتمام تبلور مجدد، رشد دانه‌ها آغاز می‌شود. قطعه‌ای از جنس فولاد ضد زنگ 301 که به مدت یک ساعت در دمای 1900 درجه فارنهایت آنیل شده است، ساختار دانه‌ای ریزتری نسبت به همان قطعه‌ای که به مدت مشابه در دمای 2000 درجه فارنهایت آنیل شده است، خواهد داشت.
اگر ماده به مدت کافی در محدوده مناسب آنیل نگه داشته نشود، ساختار حاصل ممکن است ترکیبی از دانه‌های قدیمی و جدید باشد. اگر خواص یکنواخت در سراسر فلز مورد نظر باشد، فرآیند آنیل باید با هدف دستیابی به ساختار دانه‌ای هم‌محور یکنواخت انجام شود. یکنواخت به این معنی است که همه دانه‌ها تقریباً هم اندازه هستند و هم‌محور به این معنی است که تقریباً هم شکل هستند.
برای به دست آوردن ریزساختار یکنواخت و هم محور، هر قطعه کار باید در مدت زمان یکسان در معرض مقدار گرمای یکسانی قرار گیرد و با سرعت یکسانی خنک شود. این کار با آنیل دسته‌ای همیشه آسان یا ممکن نیست، بنابراین مهم است که حداقل قبل از محاسبه زمان خیساندن، صبر کنید تا کل قطعه کار در دمای مناسب اشباع شود. زمان خیساندن طولانی‌تر و دماهای بالاتر منجر به ساختار دانه درشت‌تر/ماده نرم‌تر می‌شود و برعکس.
اگر اندازه دانه و استحکام به هم مرتبط هستند و استحکام مشخص است، چرا باید دانه‌ها را محاسبه کرد، درست است؟ همه آزمایش‌های مخرب دارای تغییرپذیری هستند. آزمایش کشش، به ویژه در ضخامت‌های پایین‌تر، تا حد زیادی به آماده‌سازی نمونه وابسته است. نتایج استحکام کششی که نشان‌دهنده خواص واقعی ماده نیستند، ممکن است منجر به شکست زودرس شوند.
اگر خواص در سراسر قطعه کار یکنواخت نباشد، گرفتن یک نمونه آزمایش کشش یا نمونه از یک لبه ممکن است کل داستان را بیان نکند. آماده‌سازی و آزمایش نمونه نیز می‌تواند زمان‌بر باشد. چند آزمایش برای یک فلز معین امکان‌پذیر است و در چند جهت امکان‌پذیر است؟ ارزیابی ساختار دانه‌بندی، یک تضمین اضافی در برابر غافلگیری‌ها است.
ناهمسانگرد، ایزوتروپیک. ناهمسانگردی به جهت‌گیری خواص مکانیکی اشاره دارد. علاوه بر استحکام، ناهمسانگردی را می‌توان با بررسی ساختار دانه بهتر درک کرد.
یک ساختار دانه‌ای یکنواخت و هم‌محور باید ایزوتروپیک باشد، به این معنی که در تمام جهات خواص یکسانی داشته باشد. ایزوتروپی به ویژه در فرآیندهای کشش عمیق که در آن‌ها تمرکز بسیار مهم است، اهمیت دارد. هنگامی که قطعه خام به داخل قالب کشیده می‌شود، ماده ناهمسانگرد به طور یکنواخت جریان نمی‌یابد، که می‌تواند منجر به نقصی به نام گوشواره‌ای شدن شود. گوشواره‌ای شدن در جایی رخ می‌دهد که قسمت بالایی فنجان، یک سیلوئت موج‌دار تشکیل می‌دهد. بررسی ساختار دانه‌ای می‌تواند محل ناهمگنی‌ها را در قطعه کار آشکار کند و به تشخیص علت اصلی کمک کند.
آنیل مناسب برای دستیابی به ایزوتروپی بسیار مهم است، اما درک میزان تغییر شکل قبل از آنیل نیز مهم است. با تغییر شکل پلاستیک ماده، دانه‌ها شروع به تغییر شکل می‌کنند. در مورد نورد سرد، با تبدیل ضخامت به طول، دانه‌ها در جهت نورد کشیده می‌شوند. با تغییر نسبت ابعاد دانه، ایزوتروپی و خواص مکانیکی کلی نیز تغییر می‌کند. در مورد قطعات کار با تغییر شکل شدید، ممکن است مقداری از جهت‌گیری حتی پس از آنیل حفظ شود. این امر منجر به ناهمسانگردی می‌شود. برای مواد با کشش عمیق، گاهی اوقات لازم است قبل از آنیل نهایی، میزان تغییر شکل را محدود کنید تا از سایش جلوگیری شود.
پوست پرتقالی شدن. بریدگی تنها عیب کشش عمیق مرتبط با قالب نیست. پوست پرتقالی شدن زمانی رخ می‌دهد که مواد اولیه با ذرات خیلی درشت کشیده شوند. هر دانه به طور مستقل و به عنوان تابعی از جهت‌گیری کریستالی خود تغییر شکل می‌دهد. تفاوت در تغییر شکل بین دانه‌های مجاور منجر به ظاهری بافت‌دار شبیه به پوست پرتقال می‌شود. بافت، ساختار دانه‌ای است که روی سطح دیواره فنجان آشکار می‌شود.
درست مانند پیکسل‌های روی صفحه تلویزیون، با ساختار ریزدانه، تفاوت بین هر دانه کمتر قابل توجه خواهد بود و به طور موثر وضوح را افزایش می‌دهد. تعیین خواص مکانیکی به تنهایی ممکن است برای اطمینان از اندازه دانه به اندازه کافی ریز برای جلوگیری از اثر پوست پرتقالی کافی نباشد. هنگامی که تغییر ابعادی قطعه کار کمتر از 10 برابر قطر دانه باشد، خواص دانه‌های منفرد، رفتار شکل‌دهی را هدایت می‌کنند. این رفتار به طور مساوی روی بسیاری از دانه‌ها تغییر شکل نمی‌دهد، اما اندازه و جهت خاص هر دانه را منعکس می‌کند. این را می‌توان از اثر پوست پرتقالی روی دیواره‌های فنجان‌های کشیده شده مشاهده کرد.
برای اندازه دانه ASTM برابر با ۸، قطر متوسط ​​دانه ۸۸۵ میکرواینچ است. این بدان معناست که هرگونه کاهش ضخامت ۰.۰۰۸۸۵ اینچ یا کمتر می‌تواند تحت تأثیر این اثر ریزشکل‌دهی قرار گیرد.
اگرچه دانه‌های درشت می‌توانند باعث مشکلات کشش عمیق شوند، اما گاهی اوقات برای قالب‌گیری توصیه می‌شوند. مهرزنی یک فرآیند تغییر شکل است که در آن یک قطعه خام فشرده می‌شود تا توپوگرافی سطح مورد نظر، مانند یک چهارم خطوط صورت جورج واشنگتن، ایجاد شود. برخلاف کشش سیمی، مهرزنی معمولاً شامل جریان زیاد مواد فله‌ای نیست، اما به نیروی زیادی نیاز دارد که ممکن است فقط سطح قطعه خام را تغییر شکل دهد.
به همین دلیل، به حداقل رساندن تنش جریان سطحی با استفاده از ساختار دانه درشت‌تر می‌تواند به کاهش نیروهای مورد نیاز برای پر شدن مناسب قالب کمک کند. این امر به ویژه در مورد قالب‌گیری آزاد صادق است، جایی که نابجایی‌های روی دانه‌های سطحی می‌توانند آزادانه جریان یابند، به جای اینکه در مرزهای دانه جمع شوند.
روندهای مورد بحث در اینجا کلیاتی هستند که ممکن است برای بخش‌های خاص صدق نکنند. با این حال، آنها مزایای اندازه‌گیری و استانداردسازی اندازه دانه مواد اولیه را هنگام طراحی قطعات جدید برای جلوگیری از عیوب رایج و بهینه‌سازی پارامترهای قالب‌گیری برجسته کردند.
تولیدکنندگان دستگاه‌های پرس‌کاری دقیق فلزات و عملیات کشش عمیق روی فلز برای شکل‌دهی قطعات خود، به خوبی با متالورژیست‌های دارای صلاحیت فنی در زمینه غلتک‌های دقیق کار خواهند کرد که می‌توانند به آنها در بهینه‌سازی مواد تا سطح دانه کمک کنند. وقتی متخصصان متالورژی و مهندسی در هر دو طرف این رابطه در یک تیم ادغام شوند، می‌تواند تأثیر دگرگون‌کننده‌ای داشته باشد و نتایج مثبت‌تری به بار آورد.
مجله STAMPING تنها مجله صنعتی است که به نیازهای بازار مهرسازی فلزات اختصاص داده شده است. از سال ۱۹۸۹، این نشریه فناوری‌های پیشرفته، روندهای صنعت، بهترین شیوه‌ها و اخبار را پوشش می‌دهد تا به متخصصان مهرسازی کمک کند تا کسب و کار خود را با کارایی بیشتری اداره کنند.
اکنون با دسترسی کامل به نسخه دیجیتال The FABRICATOR، دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت.
نسخه دیجیتالی مجله لوله و لوله اکنون به طور کامل در دسترس است و دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت را فراهم می‌کند.
از دسترسی کامل به نسخه دیجیتال STAMPING Journal لذت ببرید، که آخرین پیشرفت‌های تکنولوژیکی، بهترین شیوه‌ها و اخبار صنعت را برای بازار مهرزنی فلزات ارائه می‌دهد.
اکنون با دسترسی کامل به نسخه دیجیتال The Fabricator به زبان اسپانیایی، دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت.