È possibile ottenere vantaggi comprendendo meglio uno strato della struttura granulare che controlla il comportamento meccanico dell'acciaio inossidabile. Getty Images
La selezione di leghe di acciaio inossidabile e alluminio si basa generalmente su resistenza, duttilità, allungamento e durezza. Queste proprietà indicano come i componenti del metallo reagiscono ai carichi applicati. Sono un indicatore efficace per la gestione dei vincoli della materia prima, ovvero quanto si flette prima di rompersi. La materia prima deve essere in grado di resistere al processo di stampaggio senza rompersi.
Le prove di trazione e di durezza distruttive rappresentano un metodo affidabile ed economico per determinare le proprietà meccaniche. Tuttavia, queste prove non sono sempre altrettanto affidabili quando lo spessore del materiale grezzo inizia a limitare le dimensioni del campione di prova. Le prove di trazione su prodotti metallici piani rimangono ovviamente utili, ma si possono ottenere vantaggi analizzando 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. Questi sono distribuiti in modo casuale all'interno del 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 al reticolo cristallino attraverso i loro elettroni condivisi.
La composizione chimica della lega determina la disposizione termodinamicamente preferenziale degli atomi nei grani, nota come struttura cristallina. Porzioni omogenee di un metallo contenenti una struttura cristallina ripetitiva formano uno o più grani chiamati fasi. Le proprietà meccaniche di una lega sono funzione della struttura cristallina presente nella lega stessa. 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 ricotte. Le leghe della serie 400, invece, 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 solidifica, le particelle solide della fase termodinamicamente preferita precipitano dove pressione, temperatura e composizione chimica lo consentono. Questo avviene solitamente alle interfacce, come i 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 fino a quando non incontra un altro grano. I bordi dei grani si formano alle intersezioni dei reticoli non corrispondenti a causa dei diversi orientamenti delle strutture cristalline. Immaginate di mettere una serie 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 apparentemente orientati in modo casuale.
Ogni volta che si forma un grano, esiste la possibilità che si verifichino difetti lineari. Questi difetti consistono in parti mancanti della struttura cristallina, chiamate dislocazioni. Queste dislocazioni e il loro successivo movimento all'interno del grano e attraverso i bordi dei grani sono fondamentali per la duttilità del metallo.
Una sezione trasversale del pezzo in lavorazione viene montata, levigata, lucidata e incisa per visualizzare la struttura dei grani. Quando 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 completamente riempita con tutti i suoi atomi, non c'è spazio per alcun movimento se non per l'allungamento dei legami atomici.
Quando si rimuove metà di una fila di atomi, si crea l'opportunità per un'altra fila di atomi di inserirsi in quella posizione, spostando di fatto la dislocazione. Quando una forza viene applicata al pezzo, il movimento aggregato delle dislocazioni nella microstruttura gli consente di piegarsi, allungarsi o comprimersi senza rompersi.
Quando una forza agisce su una lega metallica, il sistema aumenta di energia. Se viene aggiunta energia sufficiente a 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 crea quindi il potenziale per un maggiore movimento delle dislocazioni. Tuttavia, quando le dislocazioni collidono, possono bloccarsi a vicenda.
Con l'aumentare del numero e della concentrazione di dislocazioni, un numero sempre maggiore di dislocazioni si blocca insieme, riducendo la duttilità. Alla fine, compaiono così tante dislocazioni che la formatura a freddo non è più possibile. Poiché le dislocazioni di blocco esistenti non possono più muoversi, i legami atomici nel reticolo si allungano fino a rompersi. Questo è il motivo per cui le leghe metalliche si induriscono per deformazione plastica e perché esiste un limite alla quantità di deformazione plastica che un metallo può sopportare prima di rompersi.
Anche la struttura granulare gioca un ruolo importante nel processo di ricottura. La ricottura di un materiale incrudito ripristina essenzialmente la microstruttura e quindi la duttilità. Durante il processo di ricottura, i grani vengono trasformati in tre fasi:
Immaginate una persona che cammina in un vagone ferroviario affollato. La folla può essere compressa solo lasciando degli spazi tra le file, come delle dislocazioni in un reticolo. Man mano che avanzano, le persone dietro di loro riempiono il vuoto lasciato, mentre davanti creano nuovo spazio. Una volta raggiunta l'altra estremità del vagone, la disposizione dei passeggeri cambia. Se troppe persone cercano di passare contemporaneamente, i passeggeri che tentano di farsi spazio si scontreranno tra loro e contro le pareti del vagone, bloccando tutti sul posto. Più dislocazioni si creano, più difficile diventa per loro muoversi contemporaneamente.
È importante comprendere il livello minimo di deformazione necessario per innescare la ricristallizzazione. Tuttavia, se il metallo non possiede sufficiente energia di deformazione prima di essere riscaldato, la ricristallizzazione non avverrà e i grani continueranno semplicemente a crescere oltre le loro dimensioni originali.
Le proprietà meccaniche possono essere regolate controllando la crescita dei grani. Un bordo di grano è essenzialmente una parete di dislocazioni che ostacolano il movimento.
Se la crescita dei grani è limitata, si produrrà un numero maggiore di grani piccoli. Questi grani più piccoli sono considerati più fini in termini di struttura granulare. Un maggior numero di bordi di grano significa minore movimento delle dislocazioni e 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 meno definiti e la resistenza è inferiore.
La granulometria viene spesso indicata con un numero adimensionale, compreso tra 5 e 15. Si tratta di un rapporto relativo, correlato al diametro medio dei grani. Maggiore è il numero, più fine è la granulometria.
La norma ASTM E112 descrive i metodi per misurare e valutare la granulometria. Il metodo prevede il conteggio della quantità di grani in una data area. Questo viene solitamente fatto tagliando una sezione trasversale del materiale grezzo, levigandola e lucidandola, e poi incidendola con un acido per esporre le particelle. Il conteggio viene eseguito al microscopio e l'ingrandimento consente un campionamento adeguato dei grani. L'assegnazione di valori granulometrici ASTM indica un livello ragionevole di uniformità nella forma e nel diametro dei grani. Può anche essere vantaggioso limitare la variazione della granulometria a due o tre punti per garantire prestazioni costanti su tutto il pezzo.
Nel caso dell'incrudimento, resistenza e duttilità hanno una relazione inversa. La relazione tra la dimensione del grano ASTM e la resistenza tende ad essere positiva e forte, in generale l'allungamento è inversamente proporzionale alla dimensione del grano ASTM. Tuttavia, un'eccessiva crescita del grano può far sì che i materiali "morti ma morbidi" non si incrudiscano più efficacemente.
La dimensione dei grani viene spesso indicata con un numero adimensionale, compreso tra 5 e 15. Si tratta di un rapporto relativo, correlato al diametro medio dei grani. Maggiore è il valore ASTM della dimensione dei grani, maggiore è il numero di grani per unità di area.
La dimensione dei grani del materiale ricotto varia in funzione del tempo, della temperatura e della 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 raccomandato per la lega di acciaio inossidabile austenitico 301 è compreso tra 1.900 e 2.050 gradi Fahrenheit. Inizierà a fondere intorno ai 2.550 gradi Fahrenheit. Al contrario, il titanio commercialmente puro di grado 1 dovrebbe essere ricotto a 1.292 gradi Fahrenheit e fondere intorno ai 3.000 gradi Fahrenheit.
Durante la ricottura, i processi di recupero e ricristallizzazione competono tra loro fino a quando i grani ricristallizzati non consumano tutti i grani deformati. La velocità di ricristallizzazione varia con la temperatura. Una volta completata la ricristallizzazione, la crescita dei grani diventa predominante. Un pezzo in acciaio inossidabile 301 ricotto a 1900 °F per un'ora avrà una struttura a grana più fine rispetto allo stesso pezzo ricotto a 2000 °F per lo stesso tempo.
Se il materiale non viene mantenuto nell'intervallo di ricottura appropriato per un tempo sufficiente, 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 a grani equiassici uniforme. Uniforme significa che tutti i grani hanno approssimativamente le stesse dimensioni, ed equiassici 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 lasso di tempo e deve raffreddarsi alla stessa velocità. Questo non è sempre facile o possibile con la ricottura in batch, quindi è importante attendere almeno che l'intero pezzo sia saturo alla temperatura corretta prima di calcolare il tempo di mantenimento. Tempi di mantenimento più lunghi e temperature più elevate si traducono in una struttura a grana più grossolana/un 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 ridotti, dipendono in larga misura dalla preparazione del campione. I risultati della resistenza alla trazione che non rappresentano le reali proprietà del materiale possono portare a rotture premature.
Se le proprietà non sono uniformi in tutto il pezzo, prelevare un campione per una prova di trazione da un bordo potrebbe non fornire un quadro completo. Anche la preparazione e l'analisi del campione possono richiedere molto tempo. Quanti test sono possibili per un dato metallo e in quante direzioni è fattibile? Valutare la struttura granulare è un'ulteriore garanzia contro le sorprese.
Anisotropo, isotropo. L'anisotropia si riferisce alla direzionalità delle proprietà meccaniche. Oltre alla resistenza, l'anisotropia può essere meglio compresa esaminando la struttura dei grani.
Una struttura granulare uniforme ed equiasse dovrebbe essere isotropa, ovvero presentare le stesse proprietà in tutte le direzioni. L'isotropia è particolarmente importante nei processi di imbutitura profonda, dove la concentricità è fondamentale. Quando il pezzo viene inserito nello stampo, il materiale anisotropo non fluisce in modo uniforme, il che può portare a un difetto chiamato "orecchiatura". L'orecchiatura si verifica quando la parte superiore della coppa forma una silhouette ondulata. L'esame della struttura granulare può rivelare la posizione delle disomogeneità nel pezzo e aiutare a diagnosticarne la causa principale.
Un'adeguata ricottura è fondamentale per ottenere l'isotropia, ma è altrettanto importante comprendere l'entità della deformazione prima della ricottura. Quando il materiale si deforma plasticamente, i grani iniziano a deformarsi. Nel caso della laminazione a freddo, convertendo lo spessore in lunghezza, i grani si allungano nella direzione di laminazione. Al variare del rapporto d'aspetto dei grani, variano anche l'isotropia e le proprietà meccaniche complessive. Nel caso di pezzi fortemente deformati, una certa orientazione può essere mantenuta anche dopo la ricottura. Ciò si traduce in anisotropia. Per i materiali imbutiti profondamente, a volte è necessario limitare la quantità di deformazione prima della ricottura finale per evitare l'usura.
Buccia d'arancia. L'incollaggio 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 indipendentemente e in funzione del suo orientamento cristallino. La differenza di deformazione tra i grani adiacenti determina un aspetto strutturato simile alla buccia d'arancia. La struttura è la conformazione granulare che si rivela sulla superficie della parete della coppa.
Proprio come i pixel di uno schermo televisivo, con una struttura a grana fine, la differenza tra ciascun grano sarà meno evidente, aumentando di fatto la risoluzione. Specificare solo le proprietà meccaniche potrebbe non essere sufficiente a garantire una granulometria sufficientemente fine da prevenire 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. La deformazione non avviene in modo uniforme su molti grani, ma riflette le dimensioni e l'orientamento specifici di ciascun grano. Ciò è visibile 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 le grane grossolane possano causare problemi di imbutitura profonda, a volte sono consigliate per la stampatura. La stampatura è un processo di deformazione in cui un pezzo grezzo viene compresso per conferirgli la topografia superficiale desiderata, come ad esempio un quarto dei contorni del viso di George Washington. A differenza della trafilatura, la stampatura di solito non comporta un grande flusso di materiale sfuso, ma richiede molta forza, che può semplicemente deformare la superficie del pezzo grezzo.
Per questo motivo, ridurre al minimo le tensioni di flusso superficiale utilizzando una struttura a grana più grossa può contribuire ad alleviare le forze necessarie per un corretto riempimento dello stampo. Ciò è particolarmente vero per la stampatura a stampo libero, dove le dislocazioni sui grani superficiali possono fluire liberamente, anziché accumularsi ai bordi dei grani.
Le tendenze qui discusse 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 nella progettazione di nuovi componenti, al fine di evitare difetti comuni e ottimizzare i parametri di stampaggio.
I produttori di macchine per lo stampaggio di precisione dei metalli e di macchine per l'imbutitura profonda dei metalli, utilizzate per la produzione dei loro componenti, collaboreranno efficacemente con metallurgi specializzati nella laminazione di precisione, in grado di ottimizzare i materiali fino al livello della singola grana. Quando esperti di metallurgia e ingegneria di entrambe le parti si integrano in un unico team, l'impatto può essere trasformativo e i risultati possono essere più positivi.
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