Тот баспайтын болаттың механикалық әрекетін басқаратын түйіршік құрылымының бір қабатын түсіну арқылы пайда табуға болады. Getty Images
Тот баспайтын болат пен алюминий қорытпаларын таңдау, әдетте, беріктікке, созылғыштыққа, созылуға және қаттылыққа негізделеді. Бұл қасиеттер металдың құрылыс блоктарының қолданылатын жүктемелерге қалай жауап беретінін көрсетеді. Олар шикізат шектеулерін басқарудың тиімді көрсеткіші болып табылады; яғни, ол сынғанға дейін қаншалықты майысатынын көрсетеді. Шикізат қалыптау процесіне сынбай төтеп бере алуы керек.
Созылу және қаттылықты бұзу сынағы механикалық қасиеттерді анықтаудың сенімді және үнемді әдісі болып табылады. Дегенмен, шикізаттың қалыңдығы сынақ үлгісінің өлшемін шектей бастағаннан кейін бұл сынақтар әрқашан сенімді бола бермейді. Жалпақ металл бұйымдарын созылу сынағы, әрине, пайдалы, бірақ оның механикалық әрекетін басқаратын түйіршік құрылымының бір қабатын тереңірек қарастыру арқылы пайда табуға болады.
Металдар түйіршіктер деп аталатын бірқатар микроскопиялық кристалдардан тұрады. Олар металл бойынша кездейсоқ таралған. Аустениттік тот баспайтын болаттардағы темір, хром, никель, марганец, кремний, көміртек, азот, фосфор және күкірт сияқты легирлеуші ​​элементтердің атомдары бір түйіршіктің бөлігі болып табылады. Бұл атомдар металл иондарының қатты ерітіндісін түзеді, олар ортақ электрондары арқылы кристалдық торға қосылады.
Қорытпаның химиялық құрамы түйіршіктердегі атомдардың термодинамикалық тұрғыдан артықшылықты орналасуын анықтайды, ол кристалдық құрылым деп аталады. Қайталанатын кристалдық құрылымы бар металдың біртекті бөліктері фазалар деп аталатын бір немесе бірнеше түйіршікті құрайды. Қорытпаның механикалық қасиеттері қорытпадағы кристалдық құрылымның функциясы болып табылады. Әр фаза түйіршіктерінің өлшемі мен орналасуына да қатысты.
Көптеген адамдар судың сатыларымен таныс. Сұйық су қатқанда, ол қатты мұзға айналады. Дегенмен, металдарға келетін болсақ, бір ғана қатты фаза болмайды. Кейбір қорытпа отбасылары өз фазаларының атымен аталады. Тот баспайтын болаттардың ішінде аустениттік 300 сериялы қорытпалар күйдірілген кезде негізінен аустениттен тұрады. Дегенмен, 400 сериялы қорытпалар 430 тот баспайтын болаттағы ферриттен немесе 410 және 420 тот баспайтын болат қорытпаларындағы мартенситтен тұрады.
Титан қорытпаларына да қатысты. Әрбір қорытпа тобының атауы бөлме температурасындағы басым фазасын көрсетеді – альфа, бета немесе екеуінің қоспасы. Альфа, альфаға жақын, альфа-бета, бета және бетаға жақын қорытпалар бар.
Сұйық металл қатқан кезде, термодинамикалық тұрғыдан артықшылықты фазаның қатты бөлшектері қысым, температура және химиялық құрам мүмкіндік беретін жерлерде тұнбаға түседі. Бұл әдетте суық күні жылы тоған бетіндегі мұз кристалдары сияқты шекараларда болады. Түйіршіктер ядроланған кезде, кристалдық құрылым басқа түйіршікті кездестіргенше бір бағытта өседі. Түйіршіктер шекаралары кристалдық құрылымдардың әртүрлі бағыттарына байланысты сәйкес келмейтін торлардың қиылыстарында пайда болады. Қорапқа әртүрлі өлшемдегі Рубик кубтарының шоғын салуды елестетіп көріңіз. Әрбір кубтың шаршы тор орналасуы бар, бірақ олардың барлығы әртүрлі кездейсоқ бағытта орналасады. Толығымен қатқан металл дайындама кездейсоқ бағытталған түйіршіктер сериясынан тұрады.
Түйіршік пайда болған сайын сызықтық ақаулардың пайда болу мүмкіндігі бар. Бұл ақаулар кристалдық құрылымның дислокация деп аталатын бөліктерінің жетіспеушілігі болып табылады. Бұл дислокациялар және олардың кейінгі түйіршік бойынша және түйіршік шекаралары арқылы қозғалуы металлдың икемділігінің негізі болып табылады.
Дайындаманың көлденең қимасы түйіршік құрылымын көру үшін орнатылады, тегістеледі, жылтыратылады және ойылады. Біркелкі және тең осьті болған кезде, оптикалық микроскопта байқалатын микроқұрылымдар пазлға ұқсайды. Шын мәнінде, түйіршіктер үш өлшемді, және әрбір түйіршіктің көлденең қимасы дайындама көлденең қимасының бағытына байланысты өзгереді.
Кристалдық құрылым барлық атомдарымен толтырылған кезде, атомдық байланыстардың созылуынан басқа қозғалысқа орын қалмайды.
Атомдар қатарының жартысын алып тастаған кезде, сіз басқа атомдар қатарының сол позицияға сырғып кіруіне мүмкіндік жасайсыз, бұл дислокацияны тиімді түрде жылжытады. Дайындамаға күш қолданылған кезде, микроқұрылымдағы дислокациялардың агрегациялық қозғалысы оның сынбай немесе үзілмей иілуіне, созылуына немесе қысылуына мүмкіндік береді.
Металл қорытпасына күш әсер еткенде, жүйе энергияны арттырады. Егер пластикалық деформацияны тудыру үшін жеткілікті энергия қосылса, тор деформацияланады және жаңа дислокациялар пайда болады. Бұл икемділікті арттыруы керек деген логикалық көрінеді, себебі ол көбірек кеңістікті босатады және осылайша дислокация қозғалысының көбірек болуына мүмкіндік береді. Дегенмен, дислокациялар соқтығысқан кезде олар бір-бірін бекіте алады.
Дислокациялардың саны мен концентрациясы артқан сайын, дислокациялар бір-біріне түйісіп, икемділікті төмендетеді. Ақырында соншалықты көп дислокация пайда болады, сондықтан суықтай түзілу мүмкін емес. Қолданыстағы түйреуіш дислокациялар енді қозғала алмайтындықтан, тордағы атомдық байланыстар үзілгенше немесе бұзылғанша созылады. Міне, сондықтан металл қорытпалары қатаяды және металл сынғанға дейін төтеп бере алатын пластикалық деформация мөлшерінің шегі бар.
Дән күйдіруде де маңызды рөл атқарады. Жұмыспен шыңдалған материалды күйдіру микроқұрылымды қалпына келтіреді және осылайша икемділікті қалпына келтіреді. Күйдіру процесінде дәндер үш кезеңмен түрленеді:
Тынымсыз пойыз вагонының ішінде келе жатқан адамды елестетіп көріңізші. Топты тек қатарлар арасында тордағы ығысулар сияқты бос орындар қалдыру арқылы ғана қысуға болады. Олар алға жылжыған сайын, артындағы адамдар олар қалдырған бос орынды толтырды, ал олар алдында жаңа орын жасады. Олар вагонның екінші шетіне жеткенде, жолаушылардың орналасуы өзгереді. Егер бір уақытта тым көп адам өтуге тырысса, қозғалысына орын босатуға тырысқан жолаушылар бір-бірімен соқтығысып, пойыз вагондарының қабырғаларына соғылып, барлығын орнында қысып қалады. Неғұрлым көп ығысулар пайда болса, оларға бір уақытта қозғалу соғұрлым қиын болады.
Қайта кристалдануды бастау үшін қажетті деформацияның минималды деңгейін түсіну маңызды. Дегенмен, егер металл қыздырылғанға дейін жеткілікті деформация энергиясына ие болмаса, қайта кристалдану болмайды және түйіршіктер бастапқы өлшемінен тыс өсе береді.
Механикалық қасиеттерді дәннің өсуін бақылау арқылы реттеуге болады. Дән шекарасы, негізінен, дислокация қабырғасы болып табылады. Олар қозғалысқа кедергі келтіреді.
Егер дәннің өсуі шектелсе, ұсақ дәндердің саны көбірек болады. Бұл ұсақ дәндер дән құрылымы тұрғысынан жұқа болып саналады. Түйір шекараларының көп болуы дислокация қозғалысының азаюын және беріктіктің жоғарылауын білдіреді.
Егер дәннің өсуі шектелмесе, дән құрылымы іріленеді, дәндер үлкенірек, шекаралары кішірек және беріктігі төмен болады.
Түйіршік мөлшері көбінесе 5 пен 15 аралығындағы бірліксіз сан деп аталады. Бұл салыстырмалы қатынас және түйіршіктің орташа диаметрімен байланысты. Сан неғұрлым жоғары болса, түйіршіктелуі соғұрлым ұсақ болады.
ASTM E112 дән өлшемін өлшеу және бағалау әдістерін сипаттайды. Бұл белгілі бір аумақтағы дән мөлшерін санауды қамтиды. Бұл әдетте шикізаттың көлденең қимасын кесу, оны ұнтақтау және жылтырату, содан кейін бөлшектерді ашу үшін қышқылмен өңдеу арқылы жасалады. Санау микроскоп астында жүргізіледі, ал үлкейту дәндердің тиісті үлгілерін алуға мүмкіндік береді. ASTM дән өлшемінің нөмірлерін тағайындау дән пішіні мен диаметрінің біркелкілігінің ақылға қонымды деңгейін көрсетеді. Тіпті дайындаманың біркелкі жұмысын қамтамасыз ету үшін дән өлшемінің өзгеруін екі немесе үш нүктемен шектеу тиімді болуы мүмкін.
Жұмыс кезінде беріктендіру жағдайында беріктік пен созылғыштық кері байланысқа ие. ASTM түйіршіктерінің мөлшері мен беріктігі арасындағы байланыс оң және күшті болады, әдетте созылу ASTM түйіршіктерінің мөлшеріне кері пропорционалды. Дегенмен, түйіршіктердің шамадан тыс өсуі «өлі жұмсақ» материалдардың тиімді беріктендіруін тоқтатуы мүмкін.
Түйіршік өлшемі көбінесе бірліксіз сан деп аталады, шамамен 5 пен 15 аралығында. Бұл салыстырмалы қатынас және түйіршіктің орташа диаметрімен байланысты. ASTM түйіршік өлшемінің мәні неғұрлым жоғары болса, бірлік ауданға соғұрлым көп түйіршіктер болады.
Күйдірілген материалдың түйіршік өлшемі уақытқа, температураға және салқындату жылдамдығына байланысты өзгереді. Күйдіру әдетте қайта кристалдану температурасы мен қорытпаның балқу температурасы арасында жүзеге асырылады. Аустениттік тот баспайтын болат қорытпасы 301 үшін ұсынылған күйдіру температурасының диапазоны 1900 және 2050 градус Фаренгейт аралығында. Ол шамамен 2550 градус Фаренгейт ери бастайды. Керісінше, коммерциялық таза 1-сыныпты титан 1292 градус Фаренгейтте күйдіріліп, шамамен 3000 градус Фаренгейтте балқуы керек.
Күйдіру кезінде қалпына келтіру және қайта кристалдану процестері қайта кристалданған түйіршіктер барлық деформацияланған түйіршіктерге жеткенше бір-бірімен бәсекелеседі. Қайта кристалдану жылдамдығы температураға байланысты өзгереді. Қайта кристалдану аяқталғаннан кейін түйіршіктердің өсуі басым болады. 1900°F температурада бір сағат бойы күйдірілген 301 тот баспайтын болаттан жасалған дайындама 2000°F температурада бір уақытта күйдірілген дайындамаға қарағанда жұқа түйіршік құрылымына ие болады.
Егер материал тиісті күйдіру диапазонында жеткілікті ұзақ ұсталмаса, нәтижесінде пайда болған құрылым ескі және жаңа түйіршіктердің тіркесімі болуы мүмкін. Егер металл бойынша біркелкі қасиеттер қажет болса, күйдіру процесі біркелкі тең осьті түйіршік құрылымына қол жеткізуге бағытталуы керек. Біркелкі дегеніміз барлық түйіршіктердің шамамен бірдей өлшемде екенін, ал тең осьті дегеніміз олардың шамамен бірдей пішінде екенін білдіреді.
Біркелкі және тең осьті микроқұрылым алу үшін әрбір дайындама бірдей уақыт ішінде бірдей мөлшерде жылуға ұшырауы және бірдей жылдамдықпен салқындауы керек. Бұл топтық күйдіру кезінде әрқашан оңай немесе мүмкін емес, сондықтан жібіту уақытын есептемес бұрын, кем дегенде, бүкіл дайындама тиісті температурада қаныққанша күту маңызды. Жібіту уақыты ұзағырақ және жоғары температура ірі түйіршікті құрылымға/жұмсақ материалға әкеледі және керісінше.
Егер түйіршіктің өлшемі мен беріктігі байланысты болса және беріктік белгілі болса, неге түйіршіктерді есептеу керек, солай ма? Барлық деструктивті сынақтардың өзгергіштігі бар. Созылу сынағы, әсіресе төменгі қалыңдықта, көбінесе үлгіні дайындауға байланысты. Нақты материалдық қасиеттерді көрсетпейтін созылу беріктігінің нәтижелері мерзімінен бұрын бұзылуы мүмкін.
Егер қасиеттер дайындамада біркелкі болмаса, созылу сынағының үлгісін немесе бір шетінен үлгі алу бүкіл оқиғаны айтып бермеуі мүмкін. Үлгіні дайындау және сынау да көп уақытты алуы мүмкін. Берілген металл үшін қанша сынақ жүргізуге болады және ол қанша бағытта жүзеге асырылуы мүмкін? Түйіршік құрылымын бағалау тосынсыйлардан қосымша сақтандыру болып табылады.
Анизотропты, изотропты. Анизотропия механикалық қасиеттердің бағыттылығын білдіреді. Беріктіктен басқа, анизотропияны түйіршік құрылымын зерттеу арқылы жақсырақ түсінуге болады.
Біркелкі және тең осьті түйіршік құрылымы изотропты болуы керек, яғни ол барлық бағытта бірдей қасиеттерге ие. Изотропия әсіресе концентрлік маңызды болатын терең созу процестерінде маңызды. Дайындаманы қалыпқа тартқан кезде, анизотропты материал біркелкі ағып кетпейді, бұл сырға деп аталатын ақауға әкелуі мүмкін. Сырға тостағанның жоғарғы бөлігі толқынды силуэт құрайтын жерде пайда болады. Түйіршік құрылымын тексеру дайындамадағы біркелкі еместіктердің орнын анықтауға және түпкі себепті диагностикалауға көмектеседі.
Изотропияға қол жеткізу үшін дұрыс күйдіру өте маңызды, бірақ күйдіру алдында деформацияның дәрежесін түсіну де маңызды. Материал пластикалық деформацияланған кезде түйіршіктер деформациялана бастайды. Суықтай илемдеу жағдайында қалыңдығын ұзындыққа айналдырғанда, түйіршіктер илемдеу бағытында ұзарады. Түйіршіктің арақатынасы өзгерген сайын изотропия және жалпы механикалық қасиеттер де өзгереді. Қатты деформацияланған дайындамалар жағдайында күйдіруден кейін де кейбір бағыт сақталуы мүмкін. Бұл анизотропияға әкеледі. Терең тартылған материалдар үшін тозуды болдырмау үшін кейде соңғы күйдіру алдында деформация мөлшерін шектеу қажет болады.
Апельсин қабығы. Қалыппен байланысты терең тартылу ақауы тек жабысып қалу емес. Апельсин қабығы тым ірі бөлшектері бар шикізат тартылған кезде пайда болады. Әрбір дән тәуелсіз және кристалдық бағдарының функциясы ретінде деформацияланады. Көршілес түйіршіктер арасындағы деформация айырмашылығы апельсин қабығына ұқсас текстуралы көрініске әкеледі. Текстура - бұл тостаған қабырғасының бетінде көрінетін түйіршікті құрылым.
Теледидар экранындағы пикселдер сияқты, ұсақ түйіршікті құрылымы бар әрбір түйіршік арасындағы айырмашылық онша байқалмайды, бұл ажыратымдылықты тиімді түрде арттырады. Апельсин қабығының әсерін болдырмау үшін жеткілікті ұсақ түйіршік өлшемін қамтамасыз ету үшін тек механикалық қасиеттерді көрсету жеткіліксіз болуы мүмкін. Дайындаманың өлшемдік өзгерісі түйіршік диаметрінен 10 еседен аз болған кезде, жеке түйіршіктердің қасиеттері қалыптасу әрекетін басқарады. Ол көптеген түйіршіктерде бірдей деформацияланбайды, бірақ әрбір түйіршіктің нақты өлшемі мен бағытын көрсетеді. Мұны тартылған тостағандардың қабырғаларындағы апельсин қабығының әсерінен көруге болады.
ASTM дәнінің өлшемі 8 болғанда, дәннің орташа диаметрі 885 мкд құрайды. Бұл микроформалау әсері 0,00885 дюйм немесе одан аз қалыңдықтың кез келген төмендеуіне әсер етуі мүмкін дегенді білдіреді.
Ірі түйіршіктер терең тарту мәселелерін тудыруы мүмкін болса да, кейде оларды басып шығару үшін қолдану ұсынылады. Штамптау - бұл дайындама Джордж Вашингтонның бет контурларының төрттен бір бөлігі сияқты қажетті беттік топографияны беру үшін қысылатын деформация процесі. Сыммен салудан айырмашылығы, штамптау әдетте көп көлемді материал ағынын қажет етпейді, бірақ көп күш жұмсауды қажет етеді, бұл дайындама бетін деформациялауы мүмкін.
Осы себепті, ірі түйіршікті құрылымды пайдалану арқылы беткі ағын кернеуін азайту қалыпты дұрыс толтыру үшін қажетті күштерді азайтуға көмектеседі. Бұл әсіресе еркін қалыптау кезінде дұрыс, мұнда беткі түйіршіктердегі дислокациялар түйіршіктер шекараларында жиналмай, еркін ағып кетуі мүмкін.
Мұнда талқыланған үрдістер нақты бөлімдерге қолданылмауы мүмкін жалпылама тұжырымдар болып табылады. Дегенмен, олар жалпы ақауларды болдырмау және қалыптау параметрлерін оңтайландыру үшін жаңа бөлшектерді жобалау кезінде шикізат дәнінің мөлшерін өлшеу мен стандарттаудың артықшылықтарын атап өтті.
Дәл металл штамптау машиналарын және олардың бөлшектерін қалыптастыру үшін металға терең созу операцияларын өндірушілер материалдарды түйіршік деңгейіне дейін оңтайландыруға көмектесетін техникалық білікті дәлдіктегі қайта роликтері бар металлургтермен жақсы жұмыс істейді. Қарым-қатынастың екі жағындағы металлургиялық және инженерлік мамандар бір командаға біріктірілген кезде, бұл өзгеріске әсер етіп, оң нәтижелерге қол жеткізе алады.
STAMPING Journal - металл штамптау нарығының қажеттіліктерін қанағаттандыруға арналған жалғыз салалық журнал. 1989 жылдан бастап басылым штамптау мамандарына өз бизнесін тиімдірек жүргізуге көмектесу үшін озық технологияларды, салалық үрдістерді, озық тәжірибелер мен жаңалықтарды жариялап келеді.
Енді The FABRICATOR сандық нұсқасына толық қол жеткізу арқылы құнды салалық ресурстарға оңай қол жеткізу.
The Tube & Pipe Journal журналының цифрлық нұсқасы енді толығымен қолжетімді, бұл салалық құнды ресурстарға оңай қол жеткізуді қамтамасыз етеді.
Металл штамптау нарығы үшін ең соңғы технологиялық жетістіктерді, озық тәжірибелерді және салалық жаңалықтарды ұсынатын STAMPING Journal журналының сандық басылымына толық қол жеткізіңіз.
Енді The Fabricator en Español сандық басылымына толық қол жеткізу мүмкіндігімен құнды салалық ресурстарға оңай қол жеткізу.