Hyötyjä voidaan saada hankkimalla tietoa ruostumattoman teräksen mekaanista käyttäytymistä säätelevästä raerakenteen kerroksesta. Getty Images
Ruostumattoman teräksen ja alumiiniseosten valinta keskittyy yleensä lujuuteen, sitkeyteen, venymään ja kovuuteen. Nämä ominaisuudet osoittavat, miten metallin rakennuspalikat reagoivat kuormiin. Ne ovat tehokas indikaattori raaka-ainerajoitusten hallinnasta eli siitä, kuinka paljon se taipuu ennen murtumista. Raaka-aineen on kestettävä muovausprosessi murtumatta.
Rikkova vetolujuus- ja kovuuskoe on luotettava ja kustannustehokas menetelmä mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen. Nämä kokeet eivät kuitenkaan ole aina yhtä luotettavia, kun raaka-aineen paksuus alkaa rajoittaa testinäytteen kokoa. Litteiden metallituotteiden vetolujuustestaus on tietysti edelleen hyödyllistä, mutta etuja voidaan saada tarkastelemalla tarkemmin yhtä raerakenteen kerrosta, joka hallitsee sen mekaanista käyttäytymistä.
Metallit koostuvat sarjasta mikroskooppisia kiteitä, joita kutsutaan rakeiksi. Ne ovat jakautuneet satunnaisesti metalliin. Austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä seosaineiden, kuten raudan, kromin, nikkelin, mangaanin, piin, hiilen, typen, fosforin ja rikin, atomit ovat osa yhtä rakeita. Nämä atomit muodostavat kiinteän liuoksen metalli-ioneista, jotka ovat sitoutuneet kidehilaan yhteisten elektroniensa kautta.
Seoksen kemiallinen koostumus määrää termodynaamisesti edullisen atomien järjestyksen rakeissa, joka tunnetaan kiderakenteena. Metallin homogeeniset osat, jotka sisältävät toistuvan kiderakenteen, muodostavat yhden tai useamman rakeen, joita kutsutaan faaseiksi. Seoksen mekaaniset ominaisuudet riippuvat seoksen kiderakenteesta. Sama pätee kunkin faasin rakeiden kokoon ja järjestykseen.
Useimmat ihmiset tuntevat veden olomuodot. Kun nestemäinen vesi jäätyy, siitä tulee kiinteää jäätä. Metallien kohdalla ei kuitenkaan ole vain yhtä kiinteää faasia. Tietyt seosryhmät on nimetty faasiensa mukaan. Ruostumattomista teräksistä austeniittiset 300-sarjan seokset koostuvat hehkutettuna pääasiassa austeniitista. 400-sarjan seokset koostuvat kuitenkin ferriitistä 430-ruostumattomassa teräksessä tai martensiitista 410- ja 420-ruostumattomassa teräksessä.
Sama pätee titaaniseoksiin. Kunkin seosryhmän nimi ilmaisee sen vallitsevan faasin huoneenlämmössä – alfa, beeta tai näiden seos. On olemassa alfa-, lähes alfa-, alfa-beeta-, beeta- ja lähes beeta-seoksia.
Kun nestemäinen metalli jähmettyy, termodynaamisesti edullisen faasin kiinteät hiukkaset saostuvat paineen, lämpötilan ja kemiallisen koostumuksen sallimissa kohdissa. Tämä tapahtuu yleensä rajapinnoilla, kuten jääkiteet lämpimän lammen pinnalla kylmänä päivänä. Kun jyvät muodostavat ydintä, kiderakenne kasvaa yhteen suuntaan, kunnes kohtaa toisen rae. Rakerajat muodostuvat epäsopivien hilojen leikkauspisteisiin kiderakenteiden erilaisten orientaatioiden vuoksi. Kuvittele, että laitat laatikkoon joukon erikokoisia Rubikin kuutioita. Jokaisella kuutiolla on neliömäinen ruudukkoasetelma, mutta ne kaikki on järjestetty eri satunnaisiin suuntiin. Täysin jähmettynyt metallikappale koostuu sarjasta näennäisesti satunnaisesti suuntautuneita jyviä.
Aina kun rakeita muodostuu, on mahdollista, että viivavirheitä esiintyy. Nämä virheet ovat kiderakenteesta puuttuvia osia, joita kutsutaan dislokaatioiksi. Nämä dislokaatiot ja niiden myöhempi liike rakeiden läpi ja rakeiden rajojen yli ovat olennaisia ​​metallin sitkeydelle.
Työkappaleen poikkileikkaus kiinnitetään, hiotaan, kiillotetaan ja syövytetään raerakenteen tarkastelemiseksi. Kun mikrorakenteet ovat tasaisia ​​ja tasa-akselisia, ne näyttävät optisella mikroskoopilla hieman palapeliltä. Todellisuudessa rakeet ovat kolmiulotteisia, ja kunkin raekoko vaihtelee työkappaleen poikkileikkauksen suunnan mukaan.
Kun kiderakenne on täynnä kaikkia atomejaan, liikkumiselle ei ole tilaa muuten kuin atomien sidosten venymiselle.
Kun poistat puolet atomirivistä, luot mahdollisuuden toiselle atomiriville liukua samaan paikkaan, mikä tehokkaasti siirtää dislokaatiota. Kun työkappaleeseen kohdistetaan voima, dislokaatioiden yhteenlaskettu liike mikrorakenteessa mahdollistaa sen taipumisen, venymisen tai puristumisen rikkoutumatta tai hajoamatta.
Kun metalliseokseen vaikuttaa voima, järjestelmän energia kasvaa. Jos energiaa lisätään riittävästi plastisen muodonmuutoksen aiheuttamiseksi, hila muuttaa muotoaan ja uusia dislokaatioita muodostuu. Vaikuttaa loogiselta, että tämän pitäisi lisätä venyvyyttä, koska se vapauttaa enemmän tilaa ja luo siten mahdollisuuden suurempaan dislokaatioliikkeeseen. Dislokaatiot voivat kuitenkin kiinnittää toisensa törmätessään.
Kun dislokaatioiden määrä ja pitoisuus kasvavat, yhä useammat dislokaatiot tarttuvat toisiinsa, mikä heikentää venyvyyttä. Lopulta dislokaatioita syntyy niin paljon, että kylmämuovaus ei ole enää mahdollista. Koska olemassa olevat tarttuvat dislokaatiot eivät enää voi liikkua, hilan atomisidokset venyvät, kunnes ne katkeavat tai hajoavat. Tästä syystä metalliseokset lujittuvat ja miksi metallin kestämälle plastiselle muodonmuutokselle ennen murtumista on raja.
Myös rakeella on tärkeä rooli hehkutuksessa. Työstökarkaistun materiaalin hehkutus nollaa olennaisesti mikrorakenteen ja palauttaa siten venyvyyden. Hehkutusprosessin aikana rakeet muuttuvat kolmessa vaiheessa:
Kuvittele henkilö kävelemässä täpötäydessä junavaunussa. Väkijoukkoja voi puristaa vain jättämällä rivien väliin rakoja, kuin ristikkorakenteisia sijoiltaanmenoja. Matkustajien edetessä heidän takanaan olevat ihmiset täyttivät jättämänsä aukon ja loivat uutta tilaa eteen. Kun he saapuvat vaunun toiseen päähän, matkustajien järjestys muuttuu. Jos liian monta ihmistä yrittää ohittaa samanaikaisesti, tilaa liikkumiselle tekevät matkustajat törmäävät toisiinsa ja osuvat vaunujen seiniin, jolloin kaikki jäävät paikoilleen. Mitä enemmän sijoiltaanmenoja ilmenee, sitä vaikeampaa heidän on liikkua samanaikaisesti.
On tärkeää ymmärtää uudelleenkiteytymisen käynnistämiseen tarvittava vähimmäismuodonmuutostaso. Jos metallilla ei kuitenkaan ole riittävästi muodonmuutosenergiaa ennen kuumentamista, uudelleenkiteytymistä ei tapahdu ja rakeet yksinkertaisesti jatkavat kasvuaan alkuperäistä kokoaan suuremmaksi.
Mekaanisia ominaisuuksia voidaan säätää kontrolloimalla raekasvua. Rakeraja on pohjimmiltaan dislokaatioiden muodostama seinä. Ne estävät liikettä.
Jos rakeiden kasvua rajoitetaan, syntyy enemmän pieniä rakeita. Näitä pienempiä rakeita pidetään hienompina raerakenteen suhteen. Useammat raerajat tarkoittavat vähemmän dislokaatioliikettä ja suurempaa lujuutta.
Jos jyvän kasvua ei rajoiteta, jyvän rakenne karkeammaksi muuttuu, jyvät ovat suurempia, raerajat kapenevat ja lujuus heikkenee.
Rakekokoa kutsutaan usein yksiköttömäksi luvuksi, joka on jossain 5 ja 15 välillä. Tämä on suhteellinen suhde ja liittyy keskimääräiseen rakeen halkaisijaan. Mitä suurempi luku, sitä hienompi rakeisuus.
ASTM E112 -standardissa esitetään menetelmät raekoon mittaamiseksi ja arvioimiseksi. Se käsittää raemäärän laskemisen tietyllä alueella. Tämä tehdään yleensä leikkaamalla raaka-aineesta poikkileikkaus, jauhamalla ja kiillottamalla se ja syövyttämällä se sitten hapolla hiukkasten paljastamiseksi. Laskenta suoritetaan mikroskoopilla, ja suurennus mahdollistaa riittävän näytteenoton rakeista. ASTM-raekokonumeroiden antaminen osoittaa kohtuullisen tasaisuuden tason raemuodon ja halkaisijan suhteen. Voi olla jopa edullista rajoittaa raekoon vaihtelu kahteen tai kolmeen pisteeseen, jotta varmistetaan tasainen suorituskyky koko työkappaleessa.
Muokkauslujittumisessa lujuudella ja venyvyydellä on käänteinen suhde. ASTM-raekoon ja lujuuden välinen suhde on yleensä positiivinen ja vahva, yleensä venymä on käänteisesti verrannollinen ASTM-raekokoon. Liiallinen raekasvu voi kuitenkin estää "kuolleen pehmeän" materiaalin tehokkaan muokkauslujittumisen.
Rakekokoa kutsutaan usein yksiköttömäksi luvuksi, joka on jossain 5 ja 15 välillä. Tämä on suhteellinen suhde ja liittyy keskimääräiseen rakeen halkaisijaan. Mitä suurempi ASTM-rakeen kokoarvo on, sitä enemmän rakeita pinta-alayksikköä kohti.
Hehkutetun materiaalin raekoko vaihtelee ajan, lämpötilan ja jäähdytysnopeuden mukaan. Hehkutus suoritetaan yleensä seoksen uudelleenkiteytymislämpötilan ja sulamispisteen välillä. Austeniittisen ruostumattoman teräksen 301-seoksen suositeltu hehkutuslämpötila-alue on 1 900–2 050 Fahrenheit-astetta. Se alkaa sulaa noin 2 550 Fahrenheit-asteessa. Sitä vastoin kaupallisesti puhdas luokan 1 titaani tulisi hehkuttaa 1 292 Fahrenheit-asteessa ja sulaa noin 3 000 Fahrenheit-asteessa.
Hehkutuksen aikana palautumis- ja uudelleenkiteytymisprosessit kilpailevat keskenään, kunnes uudelleenkiteytyneet rakeet kuluttavat kaikki epämuodostuneet rakeet. Uudelleenkiteytymisnopeus vaihtelee lämpötilan mukaan. Kun uudelleenkiteytyminen on valmis, rakeisuuden kasvu ottaa vallan. Tunnin ajan 1 900 °F:ssa hehkutetulla 301-ruostumattomasta teräksestä valmistetulla työkappaleella on hienompi raerakenne kuin samalla työkappaleella, joka on hehkutettu 2 000 °F:ssa saman ajan.
Jos materiaalia ei pidetä oikealla hehkutusalueella riittävän kauan, tuloksena oleva rakenne voi olla vanhojen ja uusien rakeiden yhdistelmä. Jos halutaan yhdenmukaisia ​​ominaisuuksia koko metallissa, hehkutusprosessin tulisi pyrkiä saavuttamaan yhtenäinen tasa-aksiaalinen raerakenne. Tasainen tarkoittaa, että kaikki rakeet ovat suunnilleen saman kokoisia, ja tasa-aksiaalinen tarkoittaa, että ne ovat suunnilleen samanmuotoisia.
Yhtenäisen ja tasa-akselisen mikrorakenteen saavuttamiseksi jokainen työkappale tulisi altistaa samalle lämpömäärälle saman ajan ja jäähtyä samaan tahtiin. Tämä ei ole aina helppoa tai mahdollista erähehkutuksessa, joten on tärkeää odottaa ainakin, kunnes koko työkappale on kyllästynyt oikeaan lämpötilaan ennen liotusajan laskemista. Pidemmät liotusajat ja korkeammat lämpötilat johtavat karkeampaan raekokoon/pehmeämpään materiaaliin ja päinvastoin.
Jos raekoko ja lujuus liittyvät toisiinsa ja lujuus tunnetaan, miksi raekokoa pitäisi laskea? Kaikissa rikkovissa testeissä on vaihtelua. Vetolujuuskokeet, erityisesti ohuemmilla materiaaleilla, riippuvat pitkälti näytteen valmistelusta. Vetolujuustulokset, jotka eivät vastaa materiaalin todellisia ominaisuuksia, voivat pettää ennenaikaisesti.
Jos ominaisuudet eivät ole yhdenmukaisia ​​koko työkappaleessa, vetolujuuskoenäytteen tai näytteen ottaminen yhdestä reunasta ei välttämättä kerro koko totuutta. Näytteen valmistelu ja testaus voivat myös olla aikaa vievää. Kuinka monta testiä tietylle metallille on mahdollista tehdä ja kuinka moneen suuntaan se on mahdollista? Rakerakenteen arviointi on lisäturva yllätyksiä vastaan.
Anisotrooppinen, isotrooppinen. Anisotropia viittaa mekaanisten ominaisuuksien suuntaavuuteen. Lujuuden lisäksi anisotropiaa voidaan ymmärtää paremmin tutkimalla raerakennetta.
Yhtenäisen ja tasa-akselisen raerakenteen tulisi olla isotrooppinen, mikä tarkoittaa, että sillä on samat ominaisuudet kaikkiin suuntiin. Isotropia on erityisen tärkeää syvävetoprosesseissa, joissa samankeskisyys on kriittistä. Kun aihio vedetään muottiin, anisotrooppinen materiaali ei virtaa tasaisesti, mikä voi johtaa korvautumisvirheeseen. Korvautuminen tapahtuu, kun kupin yläosa muodostaa aaltoilevan siluetin. Raerakenteen tutkiminen voi paljastaa epähomogeenisuuksien sijainnin työkappaleessa ja auttaa diagnosoimaan niiden perimmäisen syyn.
Oikea hehkutus on ratkaisevan tärkeää isotropian saavuttamiseksi, mutta on myös tärkeää ymmärtää muodonmuutoksen laajuus ennen hehkutusta. Kun materiaali muuttaa muotoaan plastisesti, rakeet alkavat muuttaa muotoaan. Kylmävalssauksessa paksuus muunnetaan pituudeksi, jolloin rakeet pidentyvät valssaussuunnassa. Kun raekokosuhde muuttuu, myös isotropia ja mekaaniset ominaisuudet muuttuvat. Voimakkaasti muodonmuutosten omaavien työkappaleiden tapauksessa osa orientaatiosta voi säilyä jopa hehkutuksen jälkeen. Tämä johtaa anisotropiaan. Syvävedetyillä materiaaleilla on joskus tarpeen rajoittaa muodonmuutoksen määrää ennen lopullista hehkutusta kulumisen välttämiseksi.
appelsiininkuori. Syväveto ei ole ainoa muotin syvävetoon liittyvä vika. Appelsiininkuorireaktio tapahtuu, kun vedetään liian karkeita hiukkasia sisältäviä raaka-aineita. Jokainen jyvä muuttaa muotoaan itsenäisesti ja kideorientaationsa funktiona. Vierekkäisten jyvien muodonmuutosero johtaa appelsiininkuorta muistuttavaan tekstuuriin. Tekstuuri on kupin seinämän pinnalla näkyvä rakeinen rakenne.
Aivan kuten TV-ruudun pikselit, hienorakeisessa rakenteessa rakeiden välinen ero on vähemmän havaittavissa, mikä parantaa tehokkaasti resoluutiota. Pelkkä mekaanisten ominaisuuksien määrittäminen ei välttämättä riitä varmistamaan riittävän hienoa raekokoa appelsiininkuoriefektin estämiseksi. Kun työkappaleen mittavaihtelu on alle 10 kertaa rakeiden halkaisija, yksittäisten rakeiden ominaisuudet ohjaavat muovauskäyttäytymistä. Se ei muodonmuutos ole tasainen useiden rakeiden yli, vaan heijastaa kunkin rakeen erityistä kokoa ja suuntaa. Tämä näkyy vedettyjen kuppien seinämien appelsiininkuoriefektistä.
ASTM-standardin mukaisen raekoon 8 keskimääräinen raekoko on 885 µin. Tämä tarkoittaa, että mikromuovautumisilmiö voi vaikuttaa kaikkiin 0,00885 tuuman tai pienempiin paksuuden pienenemiin.
Vaikka karkeat rakeet voivat aiheuttaa syväveto-ongelmia, niitä suositellaan joskus painatukseen. Leimaus on muodonmuutosprosessi, jossa aihiota puristetaan halutun pinnan topografian aikaansaamiseksi, kuten neljännes George Washingtonin kasvonpiirteistä. Toisin kuin langanveto, leimaus ei yleensä sisällä paljon irtomateriaalin virtausta, mutta vaatii paljon voimaa, joka voi vain muuttaa aihion pinnan muotoa.
Tästä syystä pintavirtausjännityksen minimointi karkeamman raerakenteen avulla voi auttaa lieventämään muotin asianmukaiseen täyttämiseen tarvittavia voimia. Tämä pätee erityisesti vapaasti muottipainoon, jossa pintarakeiden dislokaatiot voivat virrata vapaasti sen sijaan, että ne kerääntyisivät raerajoille.
Tässä käsitellyt trendit ovat yleistyksiä, jotka eivät välttämättä päde tiettyihin osiin. Ne kuitenkin korostivat raaka-aineen raekoon mittaamisen ja standardoinnin etuja uusien osien suunnittelussa yleisten vikojen välttämiseksi ja muovausparametrien optimoimiseksi.
Tarkkuusmetallin leimauskoneiden ja metallin syvävetolaitteiden valmistajat tekevät hyvää yhteistyötä teknisesti pätevien tarkkuusvalssaamojen metallurgien kanssa, jotka voivat auttaa heitä optimoimaan materiaaleja raekokoon asti. Kun molemmilla puolilla olevat metallurgian ja tekniikan asiantuntijat integroidaan yhdeksi tiimiksi, sillä voi olla mullistava vaikutus ja positiivisempia tuloksia.
STAMPING Journal on ainoa metallileimausalan lehti, joka on omistautunut metallileimausmarkkinoiden tarpeisiin. Vuodesta 1989 lähtien julkaisu on käsitellyt huipputeknologiaa, alan trendejä, parhaita käytäntöjä ja uutisia auttaakseen leimausalan ammattilaisia ​​tehostamaan liiketoimintaansa.
Nyt täydellä pääsyllä The FABRICATORin digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.
The Tube & Pipe Journalin digitaalinen versio on nyt täysin saavutettavissa, ja se tarjoaa helpon pääsyn arvokkaisiin alan resursseihin.
Nauti täydestä pääsystä STAMPING Journalin digitaaliseen versioon, joka tarjoaa uusimmat tekniset edistysaskeleet, parhaat käytännöt ja alan uutiset metallinleimausmarkkinoille.
Nyt täydellä pääsyllä The Fabricator en Español -lehden digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.