Koristi se mogu ostvariti uvidom u jedan sloj strukture zrna koji kontrolira mehaničko ponašanje nehrđajućeg čelika. Getty Images
Odabir nehrđajućeg čelika i aluminijskih legura općenito se usredotočuje na čvrstoću, duktilnost, istezanje i tvrdoću. Ta svojstva pokazuju kako građevni blokovi metala reagiraju na primijenjena opterećenja. Učinkovit su pokazatelj upravljanja ograničenjima sirovine, odnosno koliko će se saviti prije loma. Sirovina mora biti u stanju izdržati proces oblikovanja bez loma.
Destruktivno ispitivanje vlačne čvrstoće i tvrdoće pouzdana je i isplativa metoda za određivanje mehaničkih svojstava. Međutim, ova ispitivanja nisu uvijek toliko pouzdana kada debljina sirovine počne ograničavati veličinu ispitivanog uzorka. Ispitivanje vlačne čvrstoće ravnih metalnih proizvoda je, naravno, i dalje korisno, ali prednosti se mogu postići dubljim proučavanjem jednog sloja strukture zrna koji kontrolira njegovo mehaničko ponašanje.
Metali se sastoje od niza mikroskopskih kristala koji se nazivaju zrna. Nasumično su raspoređeni po metalu. Atomi legirajućih elemenata, poput željeza, kroma, nikla, mangana, silicija, ugljika, dušika, fosfora i sumpora u austenitnim nehrđajućim čelicima, dio su jednog zrna. Ti atomi tvore čvrstu otopinu metalnih iona koji su vezani u kristalnu rešetku putem svojih zajedničkih elektrona.
Kemijski sastav legure određuje termodinamički preferirani raspored atoma u zrnima, poznat kao kristalna struktura. Homogeni dijelovi metala koji sadrže ponavljajuću kristalnu strukturu tvore jedno ili više zrna koja se nazivaju faze. Mehanička svojstva legure ovise o kristalnoj strukturi u leguri. Isto vrijedi i za veličinu i raspored zrna svake faze.
Većina ljudi upoznata je s fazama vode. Kada se tekuća voda smrzne, postaje čvrsti led. Međutim, kada su u pitanju metali, ne postoji samo jedna čvrsta faza. Određene obitelji legura nazvane su po svojim fazama. Među nehrđajućim čelicima, austenitne legure serije 300 sastoje se prvenstveno od austenita kada se žare. Međutim, legure serije 400 sastoje se od ferita u nehrđajućem čeliku 430 ili martenzita u legurama nehrđajućeg čelika 410 i 420.
Isto vrijedi i za legure titana. Naziv svake skupine legura označava njihovu predominantnu fazu na sobnoj temperaturi - alfa, beta ili mješavinu oboje. Postoje alfa, gotovo alfa, alfa-beta, beta i gotovo beta legure.
Kada se tekući metal skrutne, čvrste čestice termodinamički preferirane faze će se taložiti tamo gdje to dopuštaju tlak, temperatura i kemijski sastav. To se obično događa na granicama granica, poput kristala leda na površini toplog ribnjaka u hladnom danu. Kada se zrna nukleiraju, kristalna struktura raste u jednom smjeru dok se ne naiđe na drugo zrno. Granice zrna formiraju se na sjecištima neusklađenih rešetki zbog različitih orijentacija kristalnih struktura. Zamislite da u kutiju stavite hrpu Rubikovih kocki različitih veličina. Svaka kocka ima kvadratni raspored mreže, ali sve će biti raspoređene u različitim nasumičnim smjerovima. Potpuno skrutnuti metalni radni komad sastoji se od niza naizgled nasumično orijentiranih zrna.
Kad god se formira zrno, postoji mogućnost linijskih defekata. Ti defekti su nedostajući dijelovi kristalne strukture koji se nazivaju dislokacije. Ove dislokacije i njihovo naknadno kretanje kroz zrno i preko granica zrna temeljni su za duktilnost metala.
Presjek obratka se montira, brusi, polira i jetka kako bi se vidjela struktura zrna. Kada su ujednačene i jednakoosne, mikrostrukture promatrane na optičkom mikroskopu izgledaju pomalo poput slagalice. U stvarnosti, zrna su trodimenzionalna, a presjek svakog zrna varirat će ovisno o orijentaciji presjeka obratka.
Kada je kristalna struktura ispunjena svim svojim atomima, nema mjesta za kretanje osim istezanja atomskih veza.
Kada uklonite polovicu reda atoma, stvarate priliku da drugi red atoma uklizne u taj položaj, učinkovito pomičući dislokaciju. Kada se na obradak primijeni sila, agregirano kretanje dislokacija u mikrostrukturi omogućuje joj savijanje, istezanje ili kompresiju bez lomljenja ili loma.
Kada sila djeluje na metalnu leguru, sustav povećava energiju. Ako se doda dovoljno energije da izazove plastičnu deformaciju, rešetka se deformira i nastaju nove dislokacije. Čini se logičnim da bi to trebalo povećati duktilnost, jer oslobađa više prostora i time stvara potencijal za veće kretanje dislokacija. Međutim, kada se dislokacije sudare, mogu se međusobno fiksirati.
Kako se broj i koncentracija dislokacija povećavaju, sve više dislokacija se spaja, smanjujući duktilnost. Na kraju se pojavi toliko dislokacija da hladno oblikovanje više nije moguće. Budući da se postojeće dislokacije u obliku zapinjanja više ne mogu pomicati, atomske veze u rešetki se istežu dok se ne slome ili puknu. Zato metalne legure otvrdnjavaju radnim postupkom i zato postoji ograničenje količine plastične deformacije koju metal može podnijeti prije loma.
Zrna također igraju važnu ulogu u žarenju. Žarenje materijala očvrslog deformacijom u biti resetira mikrostrukturu i time vraća duktilnost. Tijekom procesa žarenja, zrna se transformiraju u tri koraka:
Zamislite osobu kako hoda kroz prepun vagon. Gužve se mogu stisnuti samo ostavljanjem praznina između redova, poput dislokacija u rešetki. Kako su napredovali, ljudi iza njih ispunjavali su prazninu koju su ostavili, dok su stvarali novi prostor ispred. Nakon što stignu do drugog kraja vagona, raspored putnika se mijenja. Ako previše ljudi pokuša proći istovremeno, putnici koji pokušavaju napraviti mjesta za svoje kretanje sudarat će se jedni s drugima i udarati u stijenke vagona, prikovavši sve na mjesto. Što se više dislokacija pojavi, to im je teže kretati se istovremeno.
Važno je razumjeti minimalnu razinu deformacije potrebnu za pokretanje rekristalizacije. Međutim, ako metal nema dovoljno energije deformacije prije zagrijavanja, rekristalizacija se neće dogoditi i zrna će jednostavno nastaviti rasti izvan svoje izvorne veličine.
Mehanička svojstva mogu se podesiti kontroliranjem rasta zrna. Granica zrna je u biti zid dislokacija. One ometaju kretanje.
Ako je rast zrna ograničen, nastat će veći broj malih zrna. Ta manja zrna smatraju se finijima u smislu strukture zrna. Više granica zrna znači manje dislokacijskog kretanja i veću čvrstoću.
Ako rast zrna nije ograničen, struktura zrna postaje grublja, zrna su veća, granice su manje, a čvrstoća niža.
Veličina zrna se često naziva bezjediničnim brojem, negdje između 5 i 15. To je relativni omjer i povezan je s prosječnim promjerom zrna. Što je broj veći, to je granulacija finija.
ASTM E112 opisuje metode za mjerenje i procjenu veličine zrna. To uključuje brojanje količine zrna u danom području. To se obično radi rezanjem presjeka sirovine, brušenjem i poliranjem, a zatim jetkanjem kiselinom kako bi se otkrile čestice. Brojanje se provodi pod mikroskopom, a povećanje omogućuje adekvatno uzorkovanje zrna. Dodjeljivanje ASTM brojeva veličine zrna ukazuje na razumnu razinu ujednačenosti oblika i promjera zrna. Može biti čak i korisno ograničiti varijacije u veličini zrna na dvije ili tri točke kako bi se osigurale dosljedne performanse na cijelom obratku.
U slučaju očvršćavanja, čvrstoća i duktilnost imaju obrnutu proporcionalnost. Odnos između veličine zrna prema ASTM standardima i čvrstoće obično je pozitivan i jak, općenito je istezanje obrnuto proporcionalno veličini zrna prema ASTM standardima. Međutim, prekomjerni rast zrna može uzrokovati da "mrtvo meki" materijali više ne očvršćavaju učinkovito.
Veličina zrna se često naziva bezjediničnim brojem, negdje između 5 i 15. To je relativni omjer i povezan je s prosječnim promjerom zrna. Što je veća ASTM vrijednost veličine zrna, to je više zrna po jedinici površine.
Veličina zrna žarenog materijala varira s vremenom, temperaturom i brzinom hlađenja. Žarenje se obično provodi između temperature rekristalizacije i tališta legure. Preporučeni raspon temperature žarenja za austenitni nehrđajući čelik 301 je između 1900 i 2050 stupnjeva Fahrenheita. Počet će se taliti oko 2550 stupnjeva Fahrenheita. Nasuprot tome, komercijalno čisti titan 1. stupnja trebao bi se žariti na 1292 stupnja Fahrenheita i taliti oko 3000 stupnjeva Fahrenheita.
Tijekom žarenja, procesi oporavka i rekristalizacije međusobno se natječu sve dok rekristalizirana zrna ne potroše sva deformirana zrna. Brzina rekristalizacije varira s temperaturom. Nakon što je rekristalizacija završena, preuzima se rast zrna. Obradak od nehrđajućeg čelika 301 žaren na 1900°F tijekom jednog sata imat će finiju strukturu zrna od istog obratka žarenog na 2000°F tijekom istog vremena.
Ako se materijal ne drži dovoljno dugo u odgovarajućem rasponu žarenja, rezultirajuća struktura može biti kombinacija starih i novih zrna. Ako se žele postići ujednačena svojstva u cijelom metalu, proces žarenja trebao bi težiti postizanju ujednačene strukture zrna s jednakim slijedom osi. Ujednačeno znači da su sva zrna približno iste veličine, a jednakoosno znači da su približno istog oblika.
Da bi se dobila ujednačena i jednakoosna mikrostruktura, svaki obratak treba biti izložen istoj količini topline tijekom istog vremena i treba se hladiti istom brzinom. To nije uvijek lako ili moguće kod šaržnog žarenja, stoga je važno barem pričekati dok se cijeli obratak ne zasiti na odgovarajućoj temperaturi prije izračuna vremena namakanja. Dulja vremena namakanja i više temperature rezultirat će grubljom strukturom zrna/mekšim materijalom i obrnuto.
Ako su veličina zrna i čvrstoća povezani, a čvrstoća je poznata, zašto izračunavati zrna, zar ne? Sva destruktivna ispitivanja imaju varijabilnost. Ispitivanje vlačne čvrstoće, posebno pri manjim debljinama, uvelike ovisi o pripremi uzorka. Rezultati vlačne čvrstoće koji ne predstavljaju stvarna svojstva materijala mogu doživjeti prerani lom.
Ako svojstva nisu ujednačena po cijelom obratku, uzimanje uzorka za ispitivanje vlačne čvrstoće s jednog ruba možda neće reći cijelu priču. Priprema i ispitivanje uzorka također mogu oduzeti puno vremena. Koliko je ispitivanja moguće za određeni metal i u koliko je smjerova to izvedivo? Procjena strukture zrna dodatno je osiguranje od iznenađenja.
Anizotropno, izotropno. Anizotropija se odnosi na usmjerenost mehaničkih svojstava. Osim čvrstoće, anizotropija se može bolje razumjeti ispitivanjem strukture zrna.
Jednolika i jednakoosna struktura zrna trebala bi biti izotropna, što znači da ima ista svojstva u svim smjerovima. Izotropija je posebno važna u procesima dubokog izvlačenja gdje je koncentričnost kritična. Kada se blank uvuče u kalup, anizotropni materijal neće teći jednoliko, što može dovesti do defekta koji se naziva "naušnica". Naušnica se javlja tamo gdje gornji dio šalice tvori valovitu siluetu. Ispitivanje strukture zrna može otkriti mjesto nehomogenosti u obratku i pomoći u dijagnosticiranju uzroka.
Pravilno žarenje je ključno za postizanje izotropije, ali je također važno razumjeti stupanj deformacije prije žarenja. Kako se materijal plastično deformira, zrna se počinju deformirati. U slučaju hladnog valjanja, pretvaranjem debljine u duljinu, zrna će se izduživati ​​u smjeru valjanja. Kako se mijenja omjer stranica zrna, mijenja se i izotropija i ukupna mehanička svojstva. U slučaju jako deformiranih obratka, određena orijentacija može se zadržati čak i nakon žarenja. To rezultira anizotropijom. Za duboko vučene materijale ponekad je potrebno ograničiti količinu deformacije prije završnog žarenja kako bi se izbjeglo trošenje.
kora naranče. Nakupljanje nije jedini nedostatak dubokog izvlačenja povezan s kalupom. Kora naranče nastaje kada se izvlače sirovine s pregrubim česticama. Svako zrno se deformira neovisno i ovisno o svojoj kristalnoj orijentaciji. Razlika u deformaciji između susjednih zrna rezultira teksturiranim izgledom sličnim kori naranče. Tekstura je zrnata struktura koja se otkriva na površini stijenke šalice.
Baš kao i pikseli na TV ekranu, s finozrnatom strukturom, razlika između svakog zrna bit će manje uočljiva, što učinkovito povećava rezoluciju. Samo određivanje mehaničkih svojstava možda neće biti dovoljno da se osigura dovoljno fina veličina zrna kako bi se spriječio efekt narančine kore. Kada je dimenzijska varijacija obratka manja od 10 puta veće od promjera zrna, svojstva pojedinačnih zrna će utjecati na ponašanje oblikovanja. Ne deformira se jednako na mnogim zrnima, već odražava specifičnu veličinu i orijentaciju svakog zrna. To se može vidjeti iz efekta narančine kore na stijenkama izvučenih čašica.
Za ASTM veličinu zrna od 8, prosječni promjer zrna je 885 µin. To znači da na bilo koje smanjenje debljine od 0,00885 inča ili manje može utjecati ovaj učinak mikrooblikovanja.
Iako gruba zrna mogu uzrokovati probleme s dubokim izvlačenjem, ponekad se preporučuju za utiskivanje. Utiskivanje je proces deformacije u kojem se blank komprimira kako bi se dobila željena topografija površine, poput četvrtine kontura lica Georgea Washingtona. Za razliku od izvlačenja žicom, utiskivanje obično ne uključuje veliki protok rasutog materijala, ali zahtijeva veliku silu, što može samo deformirati površinu blanka.
Zbog toga, minimiziranje naprezanja površinskog toka korištenjem grublje strukture zrna može pomoći u ublažavanju sila potrebnih za pravilno punjenje kalupa. To se posebno odnosi na utiskivanje slobodnim kalupom, gdje dislokacije na površinskim zrnima mogu slobodno teći, umjesto da se nakupljaju na granicama zrna.
Trendovi o kojima se ovdje raspravlja su generalizacije koje se možda ne odnose na određene dijelove. Međutim, istaknuli su prednosti mjerenja i standardizacije veličine zrna sirovine pri projektiranju novih dijelova kako bi se izbjegli uobičajeni nedostaci i optimizirali parametri oblikovanja.
Proizvođači preciznih strojeva za štancanje metala i strojeva za duboko izvlačenje metala za oblikovanje njihovih dijelova dobro će surađivati ​​s metalurzima na tehnički kvalificiranim preciznim valjaonicama koje im mogu pomoći u optimizaciji materijala do razine zrna. Kada se metalurški i inženjerski stručnjaci s obje strane odnosa integriraju u jedan tim, to može imati transformativni utjecaj i proizvesti pozitivnije rezultate.
Časopis STAMPING jedini je industrijski časopis posvećen zadovoljavanju potreba tržišta štancanja metala. Od 1989. godine publikacija pokriva najsuvremenije tehnologije, trendove u industriji, najbolje prakse i novosti kako bi pomogla profesionalcima u štancanju da učinkovitije vode svoje poslovanje.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The FABRICATOR, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje časopisa The Tube & Pipe Journal sada je u potpunosti dostupno, omogućujući jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju časopisa STAMPING, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište štancanja metala.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The Fabricator en Español, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.