Si possono ottenere vantaggi acquisendo informazioni su uno strato della struttura granulare che controlla il comportamento meccanico dell'acciaio inossidabile.Getty Images
La selezione di acciaio inossidabile e leghe di alluminio si concentra generalmente su resistenza, duttilità, allungamento e durezza. Queste proprietà indicano come gli elementi costitutivi del metallo rispondono ai carichi applicati. Sono un indicatore efficace per gestire i vincoli della materia prima, ovvero quanto si piegherà prima di rompersi. La materia prima deve essere in grado di resistere al processo di stampaggio senza rompersi.
Le prove di trazione e durezza distruttive rappresentano un metodo affidabile ed economico per determinare le proprietà meccaniche. Tuttavia, queste prove non sono sempre affidabili quando lo spessore della materia prima inizia a limitare le dimensioni del campione di prova. Le prove di trazione su prodotti metallici piani sono ovviamente ancora utili, ma si possono ottenere vantaggi esaminando più a fondo uno strato della struttura granulare che ne controlla il comportamento meccanico.
I metalli sono costituiti da una serie di cristalli microscopici chiamati grani. Essi sono distribuiti casualmente nel metallo. Gli atomi degli elementi di lega, come ferro, cromo, nichel, manganese, silicio, carbonio, azoto, fosforo e zolfo negli acciai inossidabili austenitici, fanno parte di un singolo grano. Questi atomi formano una soluzione solida di ioni metallici, che sono legati nel reticolo cristallino tramite i loro elettroni condivisi.
La composizione chimica della lega determina la disposizione termodinamicamente preferita degli atomi nei grani, nota come struttura cristallina. Le porzioni omogenee di un metallo contenenti una struttura cristallina ripetuta formano uno o più grani chiamati fasi. Le proprietà meccaniche di una lega sono una funzione della struttura cristallina nella lega. Lo stesso vale per le dimensioni e la disposizione dei grani di ciascuna fase.
La maggior parte delle persone ha familiarità con le fasi dell'acqua. Quando l'acqua liquida congela, diventa ghiaccio solido. Tuttavia, quando si tratta di metalli, non esiste una sola fase solida. Alcune famiglie di leghe prendono il nome dalle loro fasi. Tra gli acciai inossidabili, le leghe austenitiche della serie 300 sono costituite principalmente da austenite quando sottoposte a ricottura. Tuttavia, le leghe della serie 400 sono costituite da ferrite nell'acciaio inossidabile 430 o da martensite nelle leghe di acciaio inossidabile 410 e 420.
Lo stesso vale per le leghe di titanio. Il nome di ciascun gruppo di leghe indica la loro fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una miscela di entrambe. Esistono leghe alfa, quasi alfa, alfa-beta, beta e quasi beta.
Quando il metallo liquido si solidifica, le particelle solide della fase termodinamicamente preferita precipiteranno dove pressione, temperatura e composizione chimica lo consentono. Questo solitamente avviene alle interfacce, come cristalli di ghiaccio sulla superficie di uno stagno caldo in una giornata fredda. Quando i grani si nucleano, la struttura cristallina cresce in una direzione finché non incontra un altro grano. I bordi dei grani si formano alle intersezioni di reticoli non corrispondenti a causa dei diversi orientamenti delle strutture cristalline. Immagina di mettere un mucchio di cubi di Rubik di diverse dimensioni in una scatola. Ogni cubo ha una disposizione a griglia quadrata, ma saranno tutti disposti in direzioni casuali diverse. Un pezzo di metallo completamente solidificato è costituito da una serie di grani orientati apparentemente in modo casuale.
Ogni volta che si forma un grano, c'è la possibilità che si presentino difetti di linea. Questi difetti sono parti mancanti della struttura cristallina chiamate dislocazioni. Queste dislocazioni e il loro successivo movimento attraverso il grano e attraverso i bordi dei grani sono fondamentali per la duttilità dei metalli.
Una sezione trasversale del pezzo in lavorazione viene montata, levigata, lucidata e incisa per visualizzare la struttura dei grani. Quando sono uniformi ed equiassiali, le microstrutture osservate al microscopio ottico assomigliano un po' a un puzzle. In realtà, i grani sono tridimensionali e la sezione trasversale di ciascun grano varia a seconda dell'orientamento della sezione trasversale del pezzo in lavorazione.
Quando una struttura cristallina è piena di tutti i suoi atomi, non c'è spazio per alcun movimento, se non quello dello stiramento dei legami atomici.
Quando si rimuove metà di una fila di atomi, si crea l'opportunità affinché un'altra fila di atomi si insinui in quella posizione, spostando di fatto la dislocazione. Quando si applica una forza al pezzo in lavorazione, il movimento aggregato delle dislocazioni nella microstruttura gli consente di piegarsi, allungarsi o comprimersi senza rompersi o rompersi.
Quando una forza agisce su una lega metallica, il sistema aumenta l'energia. Se viene aggiunta abbastanza energia da causare una deformazione plastica, il reticolo si deforma e si formano nuove dislocazioni. Sembra logico che ciò dovrebbe aumentare la duttilità, poiché libera più spazio e quindi crea il potenziale per un maggiore movimento delle dislocazioni. Tuttavia, quando le dislocazioni collidono, possono ripararsi a vicenda.
Con l'aumentare del numero e della concentrazione delle dislocazioni, sempre più dislocazioni vengono tenute insieme, riducendo la duttilità. Alla fine si formano così tante dislocazioni che la formatura a freddo non è più possibile. Poiché le dislocazioni tenute insieme esistenti non possono più muoversi, i legami atomici nel reticolo si allungano fino a rompersi o rompersi. Questo è il motivo per cui le leghe metalliche si induriscono e perché c'è un limite alla quantità di deformazione plastica che un metallo può sopportare prima di rompersi.
Anche la grana svolge un ruolo importante nella ricottura. La ricottura di un materiale incrudito ripristina essenzialmente la microstruttura e quindi ripristina la duttilità. Durante il processo di ricottura, la grana si trasforma in tre fasi:
Immagina una persona che cammina in un vagone affollato. La folla può essere schiacciata solo lasciando degli spazi vuoti tra le file, come dislocazioni in un reticolo. Man mano che avanzano, le persone dietro di loro riempiono il vuoto che lasciano, mentre creano nuovo spazio davanti. Una volta raggiunta l'altra estremità del vagone, la disposizione dei passeggeri cambia. Se troppe persone cercano di passare contemporaneamente, i passeggeri che cercano di far loro spazio si scontreranno tra loro e colpiranno le pareti dei vagoni, inchiodando tutti al loro posto. Più dislocazioni compaiono, più è difficile per loro muoversi contemporaneamente.
È importante comprendere il livello minimo di deformazione necessario per innescare la ricristallizzazione. Tuttavia, se il metallo non ha abbastanza energia di deformazione prima di essere riscaldato, la ricristallizzazione non avrà luogo e i grani continueranno semplicemente a crescere oltre le loro dimensioni originali.
Le proprietà meccaniche possono essere regolate controllando la crescita dei grani. Il confine dei grani è essenzialmente un muro di dislocazioni. Esse ostacolano il movimento.
Se la crescita dei grani viene limitata, verrà prodotto un numero maggiore di grani piccoli. Questi grani più piccoli sono considerati più fini in termini di struttura granulare. Più bordi dei grani comportano un minore movimento di dislocazione e una maggiore resistenza.
Se la crescita dei grani non viene limitata, la struttura dei grani diventa più grossolana, i grani sono più grandi, i confini sono più piccoli e la resistenza è inferiore.
La granulometria è spesso definita come un numero adimensionale, compreso tra 5 e 15. Si tratta di un rapporto relativo ed è correlato al diametro medio del grano. Più alto è il numero, più fine è la granularità.
La norma ASTM E112 descrive i metodi per misurare e valutare la granulometria. Si tratta del conteggio della quantità di grani in una determinata area. Di solito, ciò avviene tagliando una sezione trasversale della materia prima, macinandola e lucidandola, quindi incidendola con acido per esporre le particelle. Il conteggio viene eseguito al microscopio e l'ingrandimento consente un campionamento adeguato dei grani. L'assegnazione di numeri ASTM per la granulometria indica un livello ragionevole di uniformità nella forma e nel diametro dei grani. Potrebbe anche essere vantaggioso limitare la variazione nella granulometria a due o tre punti per garantire prestazioni costanti su tutto il pezzo.
Nel caso dell'incrudimento, la resistenza e la duttilità hanno una relazione inversa. La relazione tra la dimensione del grano ASTM e la resistenza tende a essere positiva e forte, in genere l'allungamento è inversamente proporzionale alla dimensione del grano ASTM. Tuttavia, una crescita eccessiva del grano può far sì che i materiali "morbidamente duri" non si incrudiscano più efficacemente.
La granulometria è spesso definita come un numero senza unità, compreso tra 5 e 15. Si tratta di un rapporto relativo ed è correlato al diametro medio del grano. Maggiore è il valore ASTM della granulometria, maggiore è il numero di grani per unità di superficie.
La granulometria del materiale ricotto varia con il tempo, la temperatura e la velocità di raffreddamento. La ricottura viene solitamente eseguita tra la temperatura di ricristallizzazione e il punto di fusione della lega. L'intervallo di temperatura di ricottura consigliato per la lega di acciaio inossidabile austenitico 301 è compreso tra 1.900 e 2.050 gradi Fahrenheit. Inizierà a fondere a circa 2.550 gradi Fahrenheit. Al contrario, il titanio di grado 1 commercialmente puro dovrebbe essere ricotto a 1.292 gradi Fahrenheit e fondere a circa 3.000 gradi Fahrenheit.
Durante la ricottura, i processi di recupero e ricristallizzazione competono tra loro finché i grani ricristallizzati non consumano tutti i grani deformati. La velocità di ricristallizzazione varia in base alla temperatura. Una volta completata la ricristallizzazione, inizia la crescita dei grani. Un pezzo in acciaio inossidabile 301 ricotto a 1900 °F per un'ora avrà una struttura granulare più fine rispetto allo stesso pezzo ricotto a 2000 °F per lo stesso tempo.
Se il materiale non viene mantenuto nell'intervallo di ricottura corretto per un tempo sufficientemente lungo, la struttura risultante potrebbe essere una combinazione di grani vecchi e nuovi. Se si desiderano proprietà uniformi in tutto il metallo, il processo di ricottura dovrebbe mirare a ottenere una struttura granulare equiassiale uniforme. Uniforme significa che tutti i grani hanno approssimativamente le stesse dimensioni, mentre equiassiale significa che hanno approssimativamente la stessa forma.
Per ottenere una microstruttura uniforme ed equiassiale, ogni pezzo deve essere esposto alla stessa quantità di calore per lo stesso periodo di tempo e deve raffreddarsi alla stessa velocità. Questo non è sempre facile o possibile con la ricottura in lotti, quindi è importante attendere almeno che l'intero pezzo sia saturo alla temperatura corretta prima di calcolare il tempo di immersione. Tempi di immersione più lunghi e temperature più elevate daranno luogo a una struttura granulare più grossolana/materiale più morbido e viceversa.
Se la dimensione dei grani e la resistenza sono correlate e la resistenza è nota, perché calcolare i grani, giusto? Tutti i test distruttivi presentano variabilità. Le prove di trazione, soprattutto a spessori inferiori, dipendono in larga misura dalla preparazione del campione. I risultati della resistenza a trazione che non rappresentano le proprietà reali del materiale possono subire rotture premature.
Se le proprietà non sono uniformi in tutto il pezzo, prelevare un campione o un provino di trazione da un solo bordo potrebbe non essere esaustivo. Anche la preparazione e il test del campione possono richiedere molto tempo. Quanti test sono possibili per un dato metallo e in quante direzioni è possibile? Valutare la struttura dei grani è un'ulteriore garanzia contro le sorprese.
Anisotropico, isotropico. L'anisotropia si riferisce alla direzionalità delle proprietà meccaniche. Oltre alla resistenza, l'anisotropia può essere meglio compresa esaminando la struttura del grano.
Una struttura granulare uniforme ed equiassiale dovrebbe essere isotropa, ovvero avere le stesse proprietà in tutte le direzioni. L'isotropia è particolarmente importante nei processi di imbutitura profonda, in cui la concentricità è fondamentale. Quando il pezzo grezzo viene inserito nello stampo, il materiale anisotropo non scorrerà in modo uniforme, il che può causare un difetto chiamato "orecchino". L'orecchino si verifica dove la parte superiore della tazza forma una sagoma ondulata. L'esame della struttura granulare può rivelare la posizione delle disomogeneità nel pezzo e aiutare a diagnosticare la causa principale.
Una ricottura corretta è fondamentale per ottenere l'isotropia, ma è anche importante comprendere l'entità della deformazione prima della ricottura. Man mano che il materiale si deforma plasticamente, i grani iniziano a deformarsi. Nel caso della laminazione a freddo, convertendo lo spessore in lunghezza, i grani si allungheranno nella direzione di laminazione. Man mano che cambia il rapporto di aspetto dei grani, cambiano anche l'isotropia e le proprietà meccaniche generali. Nel caso di pezzi fortemente deformati, un certo orientamento può essere mantenuto anche dopo la ricottura. Ciò si traduce in anisotropia. Per i materiali imbutiti, a volte è necessario limitare l'entità della deformazione prima della ricottura finale per evitare l'usura.
buccia d'arancia. Il sollevamento non è l'unico difetto di imbutitura profonda associato allo stampo. La buccia d'arancia si verifica quando vengono imbutite materie prime con particelle troppo grossolane. Ogni grano si deforma in modo indipendente e in funzione del suo orientamento cristallino. La differenza di deformazione tra grani adiacenti determina un aspetto strutturato simile alla buccia d'arancia. La struttura è la struttura granulare rivelata sulla superficie della parete della tazza.
Proprio come i pixel su uno schermo TV, con una struttura a grana fine, la differenza tra ogni grano sarà meno evidente, aumentando di fatto la risoluzione. Specificare solo le proprietà meccaniche potrebbe non essere sufficiente per garantire una granulometria sufficientemente fine da impedire l'effetto buccia d'arancia. Quando la variazione dimensionale del pezzo è inferiore a 10 volte il diametro del grano, le proprietà dei singoli grani determineranno il comportamento di formatura. Non si deforma in modo uniforme su molti grani, ma riflette la dimensione e l'orientamento specifici di ciascun grano. Ciò può essere osservato dall'effetto buccia d'arancia sulle pareti delle tazze stampate.
Per una granulometria ASTM pari a 8, il diametro medio del grano è di 885 µin. Ciò significa che qualsiasi riduzione di spessore pari o inferiore a 0,00885 pollici può essere influenzata da questo effetto di microformatura.
Sebbene i grani grossolani possano causare problemi di trafilatura profonda, a volte sono consigliati per la stampa. Lo stampaggio è un processo di deformazione in cui un pezzo grezzo viene compresso per conferire la topografia superficiale desiderata, come un quarto dei contorni del viso di George Washington. A differenza della trafilatura, lo stampaggio di solito non comporta un grande flusso di materiale in massa, ma richiede molta forza, che potrebbe semplicemente deformare la superficie del pezzo grezzo.
Per questo motivo, ridurre al minimo lo stress del flusso superficiale utilizzando una struttura a grana più grossolana può aiutare ad alleviare le forze richieste per un corretto riempimento dello stampo. Ciò è particolarmente vero per la stampa a stampo libero, in cui le dislocazioni sui grani superficiali possono fluire liberamente, anziché accumularsi ai bordi dei grani.
Le tendenze discusse qui sono generalizzazioni che potrebbero non essere applicabili a sezioni specifiche. Tuttavia, hanno evidenziato i vantaggi della misurazione e della standardizzazione della granulometria delle materie prime durante la progettazione di nuove parti, per evitare difetti comuni e ottimizzare i parametri di stampaggio.
I produttori di macchine per lo stampaggio di precisione dei metalli e di operazioni di imbutitura profonda dei metalli per formare i loro pezzi collaboreranno bene con i metallurgisti di rilaminatrici di precisione tecnicamente qualificate, che possono aiutarli a ottimizzare i materiali fino al livello della grana. Quando esperti di metallurgia e ingegneria di entrambe le parti del rapporto vengono integrati in un unico team, si può avere un impatto trasformativo e produrre risultati più positivi.
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