ניתן להשיג יתרונות על ידי קבלת תובנות לגבי שכבה אחת של מבנה הגרעינים השולטת בהתנהגות המכנית של פלדת אל-חלד. תמונות של Getty
בחירת סגסוגות פלדת אל-חלד ואלומיניום מתמקדת בדרך כלל בחוזק, גמישות, התארכות וקשיחות. תכונות אלו מצביעות על האופן שבו אבני הבניין של המתכת מגיבות לעומסים המופעלים. הן מהוות אינדיקטור יעיל לניהול אילוצי חומר גלם; כלומר, כמה הוא יתכופף לפני שישבר. חומר הגלם חייב להיות מסוגל לעמוד בתהליך היציקה מבלי להישבר.
בדיקות מתיחה וקשיות הרסניות הן שיטה אמינה וחסכונית לקביעת תכונות מכניות. עם זאת, בדיקות אלו אינן תמיד אמינות באותה מידה ברגע שעובי חומר הגלם מתחיל להגביל את גודל דגימת הבדיקה. בדיקות מתיחה של מוצרי מתכת שטוחים הן כמובן עדיין שימושיות, אך ניתן להשיג יתרונות על ידי התבוננות מעמיקה יותר בשכבה אחת של מבנה הגרעינים השולטת בהתנהגות המכנית שלה.
מתכות מורכבות מסדרה של גבישים מיקרוסקופיים הנקראים גרגירים. הם מפוזרים באופן אקראי ברחבי המתכת. אטומים של יסודות סגסוגת, כגון ברזל, כרום, ניקל, מנגן, סיליקון, פחמן, חנקן, זרחן וגופרית בפלדות אל חלד אוסטניטיות, הם חלק מגרגיר יחיד. אטומים אלה יוצרים תמיסה מוצקה של יוני מתכת, אשר קשורים לסריג הגביש באמצעות האלקטרונים המשותפים שלהם.
ההרכב הכימי של הסגסוגת קובע את הסידור התרמודינמי המועדף של האטומים בגרגירים, המכונה מבנה גבישי. חלקים הומוגניים של מתכת המכילים מבנה גבישי חוזר יוצרים גרגיר אחד או יותר הנקראים פאזות. התכונות המכניות של סגסוגת הן פונקציה של מבנה הגביש בסגסוגת. אותו הדבר נכון לגבי גודל וסידור הגרגירים של כל פאזה.
רוב האנשים מכירים את שלבי המים. כאשר מים נוזליים קופאים, הם הופכים לקרח מוצק. עם זאת, כשמדובר במתכות, אין רק פאזה מוצקה אחת. משפחות סגסוגות מסוימות נקראות על שם הפאזות שלהן. מבין פלדות אל-חלד, סגסוגות אוסטניט מסדרה 300 מורכבות בעיקר מאוסטניט לאחר חישול. עם זאת, סגסוגות מסדרה 400 מורכבות מפריט בפלדת אל-חלד 430 או מרטנזיט בסגסוגות פלדת אל-חלד 410 ו-420.
אותו הדבר נכון גם לגבי סגסוגות טיטניום. שם כל קבוצת סגסוגות מציין את הפאזה השולטת שלה בטמפרטורת החדר - אלפא, בטא או תערובת של שניהם. ישנן סגסוגות אלפא, קרוב-אלפא, אלפא-בטא, בטא וכמעט-בטא.
כאשר המתכת הנוזלית מתמצקת, החלקיקים המוצקים של הפאזה המועדפת מבחינה תרמודינמית ישקעו במקומות בהם הלחץ, הטמפרטורה וההרכב הכימי מאפשרים זאת. זה קורה בדרך כלל בממשקים, כמו גבישי קרח על פני בריכה חמה ביום קר. כאשר גרגירים מתגרענים, מבנה הגביש גדל בכיוון אחד עד שנתקלים בגרגיר אחר. גבולות גרגירים נוצרים בצמתים של סריגים לא תואמים עקב האוריינטציות השונות של מבני הגביש. דמיינו שאתם מניחים חבורה של קוביות רוביק בגדלים שונים בקופסה. לכל קובייה יש סידור רשת מרובע, אך כולן יהיו מסודרות בכיוונים אקראיים שונים. חומר עבודה מתכתי מוצק לחלוטין מורכב מסדרה של גרגירים בעלי אוריינטציה אקראית לכאורה.
בכל פעם שנוצר גרגר, קיימת אפשרות לפגמי קו. פגמים אלה הם חלקים חסרים במבנה הגביש הנקראים נקעים. נקעים אלה ותנועתם לאחר מכן לאורך הגרגר ועל פני גבולות הגרגר הם בסיסיים לגמישות המתכת.
חתך רוחב של חומר העבודה מורכב, מלוטש, נחרט ונחרט כדי לראות את מבנה הגרעינים. כאשר הם אחידים ובעלי צירים שווים, המיקרו-מבנים הנצפים במיקרוסקופ אופטי נראים קצת כמו פאזל. במציאות, הגרעינים הם תלת-ממדיים, וחתך הרוחב של כל גרגר ישתנה בהתאם לכיוון חתך הרוחב של חומר העבודה.
כאשר מבנה גבישי מלא בכל האטומים שלו, אין מקום לתנועה מלבד מתיחה של הקשרים האטומיים.
כאשר מסירים חצי משורה של אטומים, יוצרים הזדמנות לשורה נוספת של אטומים להחליק למיקום זה, ובכך להזיז את הנקיעה. כאשר מופעל כוח על חומר העבודה, התנועה המצטברת של הנקעים במיקרו-מבנה מאפשרת לו להתכופף, להימתח או לדחוס מבלי להישבר או להישבר.
כאשר כוח פועל על סגסוגת מתכת, המערכת מגבירה את האנרגיה. אם מוסיפים מספיק אנרגיה כדי לגרום לעיוות פלסטי, הסריג מתעוות ונוצרים נקעים חדשים. נראה הגיוני שזה יגביר את הגמישות, מכיוון שזה מפנה יותר מקום וכך יוצר פוטנציאל לתנועת נקעים נוספת. עם זאת, כאשר נקעים מתנגשים, הם יכולים לתקן זה את זה.
ככל שמספר הנקעים וריכוזם עולים, יותר ויותר נקעים נצמדים יחד, מה שמפחית את הגמישות. בסופו של דבר מופיעות נקעים רבים כל כך עד שעיצוב קר אינו אפשרי עוד. מכיוון שנקעים נצמדים קיימים אינם יכולים עוד לזוז, הקשרים האטומיים בסריג נמתחים עד שהם נשברים או נשברים. זו הסיבה שסגסוגות מתכת מתקשות בעבודה, ומדוע יש גבול לכמות העיוות הפלסטי שמתכת יכולה לעמוד בו לפני שהיא נשברת.
גם לגרעינים תפקיד חשוב בחישול. חישול של חומר שעבר התקשה בעבודה מאפס למעשה את המיקרו-מבנה וכך משחזר את הגמישות. במהלך תהליך החישול, הגרעינים עוברים טרנספורמציה בשלושה שלבים:
דמיינו אדם שעובר דרך קרון רכבת צפוף. ניתן לדחוס קהל רק על ידי השארת פערים בין השורות, כמו נקעים בסריג. ככל שהם התקדמו, האנשים שמאחוריהם מילאו את החלל שהם הותירו, בעוד שהם יצרו חלל חדש מלפנים. ברגע שהם מגיעים לקצה השני של הקרון, סידור הנוסעים משתנה. אם יותר מדי אנשים ינסו לעבור בו זמנית, נוסעים שמנסים לפנות מקום לתנועתם יתנגשו זה בזה ויפגעו בקירות קרונות הרכבת, ויתקעו את כולם במקומם. ככל שיופיעו יותר נקעים, כך קשה להם לנוע בו זמנית.
חשוב להבין את רמת העיוות המינימלית הנדרשת כדי לגרום להתגבשות מחדש. עם זאת, אם למתכת אין מספיק אנרגיית עיוות לפני החימום, ההתגבשות מחדש לא תתרחש והגרגירים פשוט ימשיכו לגדול מעבר לגודלם המקורי.
ניתן לכוונן תכונות מכניות על ידי שליטה בגדילת הגרעינים. גבול גרגירים הוא למעשה קיר של נקעים. הם מעכבים תנועה.
אם צמיחת הגרעינים מוגבלת, ייווצר מספר גדול יותר של גרגירים קטנים. גרגירים קטנים יותר אלה נחשבים עדינים יותר מבחינת מבנה הגרעינים. גבולות גרגירים רבים יותר פירושם פחות תנועת פריקה וחוזק גבוה יותר.
אם צמיחת הגרעינים אינה מוגבלת, מבנה הגרעינים הופך גס יותר, הגרגירים גדולים יותר, הגבולות קטנים יותר והחוזק נמוך יותר.
גודל גרגר מכונה לעתים קרובות מספר חסר יחידות, איפשהו בין 5 ל-15. זהו יחס יחסי וקשור לקוטר הממוצע של הגרגר. ככל שהמספר גבוה יותר, כך הגרגיריות דקה יותר.
ASTM E112 מתאר שיטות למדידה והערכת גודל גרגירים. זה כרוך בספירת כמות הגרגירים באזור נתון. זה נעשה בדרך כלל על ידי חיתוך חתך של חומר הגלם, טחינה וליטוש שלו, ולאחר מכן איכול שלו עם חומצה כדי לחשוף את החלקיקים. הספירה מתבצעת תחת מיקרוסקופ, וההגדלה מאפשרת דגימה נאותה של הגרגירים. הקצאת מספרי גודל גרגירים לפי ASTM מצביעה על רמה סבירה של אחידות בצורת הגרגיר ובקוטר. ייתכן שיהיה אף יתרון להגביל את השונות בגודל הגרגירים לשתיים או שלוש נקודות כדי להבטיח ביצועים עקביים על פני חומר העבודה.
במקרה של התקשות בעבודה, חוזק וגמישות נמצאים ביחס הפוך. הקשר בין גודל גרגירי ASTM לחוזק נוטה להיות חיובי וחזק, בדרך כלל התארכות נמצאת ביחס הפוך לגודל גרגירי ASTM. עם זאת, צמיחת גרגירים מוגזמת עלולה לגרום לחומרים "רכים מתים" לא להתקשות ביעילות בעבודה.
גודל גרגר מכונה לעתים קרובות מספר חסר יחידות, איפשהו בין 5 ל-15. זהו יחס יחסי וקשור לקוטר הממוצע של הגרגר. ככל שערך גודל הגרגר ASTM גבוה יותר, כך יש יותר גרגרים ליחידת שטח.
גודל הגרגירים של החומר המחושל משתנה עם הזמן, הטמפרטורה וקצב הקירור. החישול מתבצע בדרך כלל בין טמפרטורת ההתגבשות מחדש לנקודת ההיתוך של הסגסוגת. טווח טמפרטורות החישול המומלץ עבור סגסוגת נירוסטה אוסטניטית 301 הוא בין 1,900 ל-2,050 מעלות פרנהייט. היא תתחיל להינמס בסביבות 2,550 מעלות פרנהייט. לעומת זאת, טיטניום טהור מסחרית דרגה 1 צריך להיות מחושל ב-1,292 מעלות פרנהייט ולהינמס בסביבות 3,000 מעלות פרנהייט.
במהלך החישול, תהליכי ההתאוששות וההתגבשות מחדש מתחרים זה בזה עד שהגרגירים שהתגבשו מחדש צורכים את כל הגרגירים המעוותים. קצב ההתגבשות מחדש משתנה עם הטמפרטורה. לאחר השלמת ההתגבשות מחדש, צמיחת הגרגירים משתלטת. לחומר עבודה מפלדת אל-חלד 301 שחומל בטמפרטורה של 1,900 מעלות פרנהייט למשך שעה אחת יהיה מבנה גרגירים עדין יותר מאשר לחומר עבודה זהה שחומל ב-2,000 מעלות פרנהייט למשך אותו זמן.
אם החומר לא נשמר בטווח החישול המתאים מספיק זמן, המבנה המתקבל עשוי להיות שילוב של גרגירים ישנים וחדשים. אם רצויות תכונות אחידות בכל המתכת, תהליך החישול צריך לשאוף להשיג מבנה גרגירים אחיד בעל צירים שווים. אחיד פירושו שכל הגרגירים הם בערך באותו גודל, ושווים פירושו שהם בערך באותה צורה.
כדי להשיג מיקרו-מבנה אחיד ושווה-צירים, יש לחשוף כל חומר עבודה לאותה כמות חום לאותו פרק זמן ולהתקרר באותו קצב. זה לא תמיד קל או אפשרי בחישול אצווה, לכן חשוב לפחות להמתין עד שכל חומר העבודה רווי בטמפרטורה המתאימה לפני חישוב זמן ההשריה. זמני השרייה ארוכים יותר וטמפרטורות גבוהות יותר יביאו למבנה גרגירים גס יותר/חומר רך יותר ולהיפך.
אם גודל הגרעינים וחוזקם קשורים, והחוזק ידוע, למה לחשב גרגירים, נכון? לכל הבדיקות ההרסניות יש שונות. בדיקות מתיחה, במיוחד בעוביים נמוכים יותר, תלויות במידה רבה בהכנת הדגימה. תוצאות חוזק מתיחה שאינן מייצגות תכונות חומר בפועל עלולות לחוות כשל מוקדם.
אם התכונות אינן אחידות בכל חומר העבודה, לקיחת דגימה או בדיקת מתיחה מקצה אחד עשויה לא לספר את הסיפור כולו. הכנת דגימות ובדיקה יכולות גם הן לגזול זמן. כמה בדיקות אפשריות עבור מתכת נתונה, ובכמה כיוונים זה אפשרי? הערכת מבנה הגרעינים היא ביטוח נוסף מפני הפתעות.
אניזוטרופי, איזוטרופי. אניזוטרופיה מתייחסת לכיווניות של תכונות מכניות. בנוסף לחוזק, ניתן להבין טוב יותר אניזוטרופיה על ידי בחינת מבנה הגרעין.
מבנה גרגירים אחיד ושווי ציר צריך להיות איזוטרופי, מה שאומר שיש לו את אותן תכונות בכל הכיוונים. איזוטרופיה חשובה במיוחד בתהליכי משיכה עמוקים שבהם קונצנטריות היא קריטית. כאשר החומר הריק נמשך לתוך התבנית, החומר האניזוטרופי לא יזרום בצורה אחידה, מה שעלול להוביל לפגם הנקרא חריצת עצם. חריצת העצם מתרחשת כאשר החלק העליון של הגביע יוצר צללית גלית. בחינת מבנה הגרגירים יכולה לחשוף את מיקום האי-הומוגניות בחומר העבודה ולסייע באבחון שורש הבעיה.
חישול נכון הוא קריטי להשגת איזוטרופיה, אך חשוב גם להבין את מידת העיוות לפני החישול. ככל שהחומר מתעוות פלסטי, הגרגירים מתחילים להתעוות. במקרה של גלגול קר, כאשר עובי מתארך לאורך, הגרגירים יתארכו בכיוון הגלגול. ככל שיחס הגובה-רוחב של הגרגירים משתנה, כך משתנה גם האיזוטרופיה והתכונות המכניות הכוללות. במקרה של חומרים מעוותים מאוד, כיוון מסוים עשוי להישמר גם לאחר החישול. התוצאה היא אניזוטרופיה. עבור חומרים שנמתחים עמוק, לפעמים יש צורך להגביל את כמות העיוות לפני החישול הסופי כדי למנוע שחיקה.
קליפת תפוז. איסוף אינו הפגם היחיד במשיכה עמוקה הקשור למתכת. קליפת תפוז מתרחשת כאשר נמשכים חומרי גלם עם חלקיקים גסים מדי. כל גרגר מתעוות באופן עצמאי וכפונקציה של כיוון הגביש שלו. ההבדל בעיוות בין גרגירים סמוכים גורם למראה בעל מרקם הדומה לקליפת תפוז. מרקם הוא המבנה הגרגירי המתגלה על פני דופן הגביע.
בדיוק כמו הפיקסלים על מסך טלוויזיה, עם מבנה גרגירים עדינים, ההבדל בין כל גרגר יהיה פחות מורגש, מה שיגדיל ביעילות את הרזולוציה. ייתכן שציון תכונות מכניות בלבד לא יספיק כדי להבטיח גודל גרגרים עדין מספיק כדי למנוע את אפקט קליפת התפוז. כאשר השינוי בגודל חומר העבודה קטן מפי 10 מקוטר הגרגר, תכונות הגרגירים הבודדים יניעו את התנהגות העיצוב. הוא אינו מתעוות באופן שווה על פני גרגרים רבים, אלא משקף את הגודל והכיוון הספציפיים של כל גרגר. ניתן לראות זאת מאפקט קליפת התפוז על דפנות הכוסות המצוירות.
עבור גודל גרגר ASTM של 8, קוטר הגרגר הממוצע הוא 885 מיקרו-אינץ'. משמעות הדבר היא שכל הפחתת עובי של 0.00885 אינץ' או פחות יכולה להיות מושפעת מאפקט המיקרופורמינג הזה.
למרות שגרגרים גסים עלולים לגרום לבעיות בציור עמוק, לעיתים הם מומלצים להטבעה. הטבעה היא תהליך עיוות שבו דחוס חומר ריק כדי להקנות לו טופוגרפיה רצויה של פני השטח, כגון רבע מקווי המתאר של פניו של ג'ורג' וושינגטון. שלא כמו ציור תיל, הטבעה בדרך כלל אינה כרוכה בזרימת חומר בתפזורת רבה, אך דורשת כוח רב, אשר עלול לעוות רק את פני השטח של החומר הריק.
מסיבה זו, מזעור מאמץ הזרימה על פני השטח באמצעות מבנה גרגירים גס יותר יכול לסייע בהפחתת הכוחות הנדרשים למילוי תקין של התבנית. זה נכון במיוחד במקרה של הטבעה חופשית, שבה נקעים על גרגירי פני השטח יכולים לזרום בחופשיות במקום להצטבר בגבולות הגרגירים.
המגמות הנדונות כאן הן הכללות שאולי אינן רלוונטיות למקטעים ספציפיים. עם זאת, הן כן הדגישו את היתרונות של מדידה וסטנדרטיזציה של גודל חלקיקי חומר הגלם בעת תכנון חלקים חדשים כדי להימנע ממלכודות נפוצות ולמטב את פרמטרי היציקה.
יצרני מכונות הטבעה מדויקות למתכת ופעולות משיכה עמוקה על מתכת לעיצוב חלקיהם יעבדו היטב עם מטלורגים על מכונות מגלגלות מדויקות מוסמכים טכנית שיכולים לעזור להם לייעל את החומרים עד לרמת הגרעינים. כאשר מומחי מטלורגיה והנדסה משני צידי הקשר משולבים בצוות אחד, יכולה להיות לכך השפעה טרנספורמטיבית ולהניב תוצאות חיוביות יותר.
STAMPING Journal הוא כתב העת היחיד בתעשייה המוקדש לשירות צרכי שוק הטבעת המתכת. מאז 1989, הפרסום מכסה טכנולוגיות מתקדמות, מגמות בתעשייה, שיטות עבודה מומלצות וחדשות כדי לסייע לאנשי מקצוע בתחום הטבעת המתכת לנהל את עסקיהם בצורה יעילה יותר.
כעת עם גישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של The FABRICATOR, גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.
המהדורה הדיגיטלית של כתב העת The Tube & Pipe Journal נגישה כעת במלואה, ומספקת גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.
תיהנו מגישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של STAMPING Journal, המספקת את ההתקדמות הטכנולוגית, שיטות העבודה המומלצות וחדשות התעשייה האחרונות עבור שוק הטבעת המתכת.
כעת עם גישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של The Fabricator בספרדית, גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.