Naudos galima gauti įžvalgų apie vieną grūdelių struktūros sluoksnį, kuris kontroliuoja nerūdijančio plieno mechanines savybes. „Getty Images“
Nerūdijančio plieno ir aliuminio lydinių pasirinkimas paprastai grindžiamas stiprumu, tąsumu, pailgėjimu ir kietumu. Šios savybės rodo, kaip metalo statybiniai blokai reaguoja į taikomas apkrovas. Jos yra veiksmingas žaliavos apribojimų valdymo rodiklis, t. y. kiek ji sulinks, kol sulūš. Žaliava turi atlaikyti liejimo procesą nesulūšdama.
Ardomasis tempimo ir kietumo bandymas yra patikimas ir ekonomiškas mechaninių savybių nustatymo metodas. Tačiau šie bandymai ne visada tokie patikimi, kai žaliavos storis pradeda riboti bandinio dydį. Plokščių metalinių gaminių tempimo bandymai, žinoma, vis dar naudingi, tačiau naudos galima gauti atidžiau išnagrinėjus vieną grūdelių struktūros sluoksnį, kuris kontroliuoja jos mechanines savybes.
Metalai sudaryti iš mikroskopinių kristalų, vadinamų grūdeliais, serijos. Jie atsitiktinai pasiskirstę po visą metalą. Austenitiniuose nerūdijančiuosiuose plienuose legiruojančių elementų, tokių kaip geležis, chromas, nikelis, manganas, silicis, anglis, azotas, fosforas ir siera, atomai yra vieno grūdelio dalis. Šie atomai sudaro kietą metalo jonų tirpalą, kurie per bendrus elektronus yra sujungti su kristaline gardele.
Lydinio cheminė sudėtis lemia termodinamiškai pageidaujamą atomų išsidėstymą grūduose, vadinamą kristaline struktūra. Homogeninės metalo dalys, turinčios pasikartojančią kristalinę struktūrą, sudaro vieną ar daugiau grūdų, vadinamų fazėmis. Lydinio mechaninės savybės priklauso nuo lydinio kristalinės struktūros. Tas pats pasakytina ir apie kiekvienos fazės grūdelių dydį bei išsidėstymą.
Dauguma žmonių yra susipažinę su vandens fazėmis. Kai skystas vanduo užšąla, jis virsta kietu ledu. Tačiau kalbant apie metalus, nėra tik vienos kietos fazės. Tam tikros lydinių šeimos pavadintos pagal jų fazes. Iš nerūdijančio plieno austenitiniai 300 serijos lydiniai atkaitinti daugiausia sudaryti iš austenito. Tačiau 400 serijos lydiniai sudaryti iš ferito 430 nerūdijančiame pliene arba martensito 410 ir 420 nerūdijančio plieno lydiniuose.
Tas pats pasakytina ir apie titano lydinius. Kiekvienos lydinių grupės pavadinimas nurodo jų vyraujančią fazę kambario temperatūroje – alfa, beta arba abiejų mišinį. Yra alfa, beveik alfa, alfa-beta, beta ir beveik beta lydiniai.
Kai skystas metalas sukietėja, termodinamiškai pageidaujamos fazės kietosios dalelės nusėda ten, kur leidžia slėgis, temperatūra ir cheminė sudėtis. Tai paprastai vyksta sąsajose, pavyzdžiui, ledo kristalai šilto tvenkinio paviršiuje šaltą dieną. Kai grūdeliai susiformuoja, kristalinė struktūra auga viena kryptimi, kol susiduriama su kitu grūdeliu. Grūdelių ribos susidaro nesutampančių gardelių sankirtose dėl skirtingos kristalinių struktūrų orientacijos. Įsivaizduokite, kad į dėžutę įdedate krūvą skirtingo dydžio Rubiko kubelių. Kiekvienas kubas yra išdėstytas kvadratine tinklelio forma, bet jie visi bus išdėstyti skirtingomis atsitiktinėmis kryptimis. Visiškai sukietėjęs metalinis ruošinys susideda iš eilės, atrodytų, atsitiktinai orientuotų grūdelių.
Kiekvieną kartą, kai susidaro grūdelis, yra linijinių defektų tikimybė. Šie defektai yra trūkstamos kristalinės struktūros dalys, vadinamos dislokacijomis. Šios dislokacijos ir jų vėlesnis judėjimas per grūdelį ir per grūdelių ribas yra esminiai metalo tąsumui.
Ruošinio skerspjūvis pritvirtinamas, šlifuojamas, poliruojamas ir ėsdinamas, kad būtų galima matyti grūdelių struktūrą. Kai grūdeliai yra vienodi ir lygiaverčiai, optiniu mikroskopu stebimos mikrostruktūros šiek tiek primena dėlionę. Iš tikrųjų grūdeliai yra trimačiai, o kiekvieno grūdelio skerspjūvis skirsis priklausomai nuo ruošinio skerspjūvio orientacijos.
Kai kristalinė struktūra užpildyta visais savo atomais, judėjimui nėra vietos, išskyrus atominių jungčių tempimą.
Pašalinus pusę atomų eilės, sukuriama galimybė kitai atomų eilei įslysti į tą pačią padėtį, efektyviai perkeliant dislokaciją. Kai ruošiniui taikoma jėga, bendras dislokacijų judėjimas mikrostruktūroje leidžia jai sulenkti, ištempti arba suspausti nesulaužant ar nelūžtant.
Kai metalo lydinį veikia jėga, sistema padidina energiją. Jei pridedama pakankamai energijos, kad atsirastų plastinė deformacija, gardelė deformuojasi ir susidaro naujos dislokacijos. Atrodo logiška, kad tai turėtų padidinti tąsumą, nes atlaisvina daugiau erdvės ir taip sukuria potencialą didesniam dislokacijų judėjimui. Tačiau, kai dislokacijos susiduria, jos gali viena kitą fiksuoti.
Didėjant dislokacijų skaičiui ir koncentracijai, vis daugiau dislokacijų yra sujungiamos, todėl mažėja plastiškumas. Galiausiai atsiranda tiek daug dislokacijų, kad šaltasis formavimas nebeįmanomas. Kadangi esamos sujungimo dislokacijos nebegali judėti, atominiai ryšiai gardelėse tempiasi, kol nutrūksta arba nutrūksta. Štai kodėl metalo lydiniai sukietėja deformacijos metu ir kodėl yra ribotas metalo plastinės deformacijos kiekis, kurį jis gali atlaikyti prieš sulūždamas.
Grūdai taip pat atlieka svarbų vaidmenį atkaitinimo procese. Atkaitinant sukietėjusią medžiagą, iš esmės atstatoma mikrostruktūra ir taip atkuriamas tąsumas. Atkaitinimo proceso metu grūdai transformuojami trimis etapais:
Įsivaizduokite žmogų, einantį perpildytu traukinio vagonu. Minią galima suspausti tik paliekant tarpus tarp eilių, tarsi išnirimus grotelėse. Jiems judant, už jų esantys žmonės užpildė paliktą tuštumą, o priekyje sukūrė naują erdvę. Kai jie pasiekia kitą vagono galą, keleivių išdėstymas pasikeičia. Jei per daug žmonių bando praeiti vienu metu, keleiviai, bandantys padaryti jiems vietos, susidurs vienas su kitu ir atsitrenks į vagonų sienas, prispausdami visus vietoje. Kuo daugiau išnirimų atsiranda, tuo sunkiau jiems judėti vienu metu.
Svarbu suprasti minimalų deformacijos lygį, reikalingą rekristalizacijai sukelti. Tačiau jei metalas prieš kaitinimą neturi pakankamai deformacijos energijos, rekristalizacija neįvyks ir grūdeliai tiesiog toliau augs, viršydami pradinį dydį.
Mechanines savybes galima reguliuoti kontroliuojant grūdelių augimą. Grūdelių riba iš esmės yra dislokacijų siena. Jos trukdo judėjimui.
Jei grūdų augimas yra ribotas, susidarys daugiau mažų grūdų. Šie mažesni grūdai laikomi smulkesniais grūdų struktūros požiūriu. Daugiau grūdų ribų reiškia mažesnį dislokacijos judėjimą ir didesnį stiprumą.
Jei grūdų augimas neribojamas, grūdų struktūra tampa grubesnė, grūdai didesni, ribos mažesnės, o stiprumas mažesnis.
Grūdelių dydis dažnai vadinamas bevieniu skaičiumi, kažkur tarp 5 ir 15. Tai santykinis santykis, susijęs su vidutiniu grūdelių skersmeniu. Kuo didesnis skaičius, tuo smulkesnis granuliuotumas.
ASTM E112 aprašo grūdelių dydžio matavimo ir vertinimo metodus. Tai apima grūdelių kiekio tam tikroje srityje skaičiavimą. Paprastai tai atliekama išpjaunant žaliavos skerspjūvį, jį šlifuojant ir poliruojant, o tada ėsdinant rūgštimi, kad būtų matomos dalelės. Skaičiavimas atliekamas mikroskopu, o padidinimas leidžia tinkamai paimti grūdelių mėginius. ASTM grūdelių dydžio skaičių priskyrimas rodo pagrįstą grūdelių formos ir skersmens vienodumo lygį. Gali būti netgi naudinga apriboti grūdelių dydžio kitimą iki dviejų ar trijų taškų, kad būtų užtikrintas nuoseklus veikimas visame ruošinyje.
Deformacinio grūdėjimo atveju stiprumas ir tąsumas yra atvirkščiai susiję. ASTM grūdelių dydžio ir stiprumo santykis paprastai yra teigiamas ir stiprus, paprastai pailgėjimas yra atvirkščiai susijęs su ASTM grūdelių dydžiu. Tačiau per didelis grūdelių augimas gali lemti, kad „negyvos minkštos“ medžiagos nebegali efektyviai sukietėti deformaciniu būdu.
Grūdelių dydis dažnai vadinamas bevieniu skaičiumi, kažkur tarp 5 ir 15. Tai santykinis santykis, susijęs su vidutiniu grūdelių skersmeniu. Kuo didesnė ASTM grūdelių dydžio vertė, tuo daugiau grūdelių ploto vienete.
Atkaitintos medžiagos grūdelių dydis kinta priklausomai nuo laiko, temperatūros ir aušinimo greičio. Atkaitinimas paprastai atliekamas tarp lydinio rekristalizacijos temperatūros ir lydymosi temperatūros. Rekomenduojamas austenitinio nerūdijančio plieno lydinio 301 atkaitinimo temperatūros diapazonas yra nuo 1900 iki 2050 laipsnių pagal Farenheitą. Jis pradės lydytis maždaug 2550 laipsnių pagal Farenheitą. Priešingai, komerciškai grynas 1 klasės titanas turėtų būti atkaitintas 1292 laipsnių pagal Farenheitą temperatūroje ir lydytis maždaug 3000 laipsnių pagal Farenheitą.
Atkaitinimo metu regeneracijos ir rekristalizacijos procesai konkuruoja tarpusavyje, kol rekristalizuoti grūdai sunaudoja visus deformuotus grūdus. Rekristalizacijos greitis kinta priklausomai nuo temperatūros. Pasibaigus rekristalizacijai, prasideda grūdelių augimas. 301 nerūdijančio plieno ruošinys, atkaitintas 1900 °F temperatūroje vieną valandą, turės smulkesnę grūdelių struktūrą nei tas pats ruošinys, atkaitintas 2000 °F temperatūroje tą patį laiką.
Jei medžiaga nepakankamai ilgai išlieka tinkamame atkaitinimo diapazone, gauta struktūra gali būti senų ir naujų grūdelių derinys. Jei norima, kad visame metale būtų vienodos savybės, atkaitinimo proceso metu turėtų būti siekiama vienodos lygiaašės grūdelių struktūros. Vienoda reiškia, kad visi grūdeliai yra maždaug vienodo dydžio, o lygiaašė – kad jie yra maždaug vienodos formos.
Norint gauti vienodą ir lygiaašę mikrostruktūrą, kiekvienas ruošinys turėtų būti veikiamas tokio paties šilumos kiekio tą patį laiką ir turėtų atvėsti tuo pačiu greičiu. Tai ne visada lengva ar įmanoma padaryti taikant partijų atkaitinimą, todėl svarbu bent palaukti, kol visas ruošinys bus prisotintas tinkamoje temperatūroje, prieš skaičiuojant mirkymo laiką. Ilgesnis mirkymo laikas ir aukštesnė temperatūra lems šiurkštesnę grūdelių struktūrą / minkštesnę medžiagą ir atvirkščiai.
Jei grūdelių dydis ir stipris yra susiję, o stipris yra žinomas, kam skaičiuoti grūdelius, tiesa? Visi ardomieji bandymai turi kintamumą. Tempimo bandymai, ypač esant mažesniam storiui, labai priklauso nuo mėginio paruošimo. Tempimo stiprumo rezultatai, kurie neatspindi tikrųjų medžiagos savybių, gali per anksti sugesti.
Jei savybės nėra vienodos visame ruošinyje, tempimo bandymo bandinio ar mėginio paėmimas iš vieno krašto gali nepasakyti visos tiesos. Mėginio paruošimas ir bandymas taip pat gali užtrukti. Kiek bandymų galima atlikti su tam tikru metalu ir keliomis kryptimis tai įmanoma? Grūdų struktūros įvertinimas yra papildoma apsauga nuo netikėtumų.
Anizotropinis, izotropinis. Anizotropija reiškia mechaninių savybių kryptingumą. Be stiprumo, anizotropiją galima geriau suprasti ištyrus grūdelių struktūrą.
Vienoda ir lygiaašė grūdelių struktūra turėtų būti izotropinė, o tai reiškia, kad ji turi tas pačias savybes visomis kryptimis. Izotropija yra ypač svarbi gilaus tempimo procesuose, kur koncentriškumas yra labai svarbus. Kai ruošinys traukiamas į formą, anizotropinė medžiaga tekės netolygiai, o tai gali sukelti defektą, vadinamą ausų susidarymu. Ausų susidarymas atsiranda ten, kur viršutinė puodelio dalis suformuoja banguotą siluetą. Grūdelių struktūros tyrimas gali atskleisti ruošinio nehomogeniškumo vietą ir padėti diagnozuoti pagrindinę priežastį.
Tinkamas atkaitinimas yra labai svarbus izotropijai pasiekti, tačiau taip pat svarbu suprasti deformacijos mastą prieš atkaitinimą. Medžiagai plastiškai deformuojantis, grūdeliai pradeda deformuotis. Šaltojo valcavimo atveju, konvertuojant storį į ilgį, grūdeliai pailgės valcavimo kryptimi. Keičiantis grūdelių kraštinių santykiui, keičiasi ir izotropija bei bendros mechaninės savybės. Labai deformuotų ruošinių atveju tam tikra orientacija gali išlikti net ir po atkaitinimo. Dėl to susidaro anizotropija. Giliai temptoms medžiagoms kartais reikia apriboti deformacijos kiekį prieš galutinį atkaitinimą, kad būtų išvengta dilimo.
Apelsino žievelės efektas. Įtempimas nėra vienintelis giluminio tempimo defektas, susijęs su štampu. Apelsino žievelės efektas atsiranda, kai tempiamos žaliavos su per stambiomis dalelėmis. Kiekvienas grūdelis deformuojasi nepriklausomai ir priklausomai nuo savo kristalinės orientacijos. Gretimų grūdelių deformacijos skirtumas lemia tekstūruotą išvaizdą, panašią į apelsino žievelės efektą. Tekstūra yra granuliuota struktūra, atsiskleidžianti puodelio sienelės paviršiuje.
Kaip ir televizoriaus ekrane esančių pikselių atveju, esant smulkiagrūdei struktūrai, skirtumas tarp kiekvieno grūdelio bus mažiau pastebimas, todėl efektyviai padidės skiriamoji geba. Vien mechaninių savybių nurodymas gali nepakakti, kad būtų užtikrintas pakankamai smulkus grūdelių dydis, kad būtų išvengta „apelsino žievelės“ efekto. Kai ruošinio dydžio pokytis yra mažesnis nei 10 kartų didesnis už grūdelio skersmenį, formavimo elgseną lems atskirų grūdelių savybės. Jis nedeformuojasi vienodai per daugelį grūdelių, bet atspindi konkretų kiekvieno grūdelio dydį ir orientaciją. Tai matyti iš „apelsino žievelės“ efekto ant ištrauktų puodelių sienelių.
Jei ASTM grūdelių dydis yra 8, vidutinis grūdelių skersmuo yra 885 µin. Tai reiškia, kad bet koks storio sumažėjimas 0,00885 colio ar mažiau gali būti paveiktas šio mikroformavimo efekto.
Nors stambūs grūdai gali sukelti gilaus tempimo problemų, jie kartais rekomenduojami spaudai. Štampavimas yra deformacijos procesas, kurio metu ruošinys suspaudžiamas, kad būtų suteikta norima paviršiaus topografija, pavyzdžiui, ketvirtadalis George'o Washingtono veido kontūrų. Skirtingai nuo vielos tempimo, štampavimas paprastai nereikalauja didelio birių medžiagų srauto, tačiau reikalauja daug jėgos, kuri gali tiesiog deformuoti ruošinio paviršių.
Dėl šios priežasties paviršiaus tekėjimo įtempio sumažinimas naudojant šiurkštesnę grūdelių struktūrą gali padėti sumažinti jėgas, reikalingas tinkamam formos užpildymui. Tai ypač pasakytina apie laisvojo įspaudo metodą, kai dislokacijos paviršiaus grūduose gali laisvai tekėti, o ne kauptis grūdelių ribose.
Čia aptartos tendencijos yra apibendrinimai, kurie gali būti netaikomi konkretiems skyriams. Tačiau jos pabrėžė žaliavų dalelių dydžio matavimo ir standartizavimo privalumus projektuojant naujas dalis, siekiant išvengti įprastų klaidų ir optimizuoti liejimo parametrus.
Tikslaus metalo štampavimo staklių ir gilaus tempimo operacijų, skirtų metalui formuoti, gamintojai gerai bendradarbiaus su techniškai kvalifikuotų tikslaus valcavimo staklių metalurgais, kurie gali padėti optimizuoti medžiagas iki grūdelių lygio. Kai metalurgijos ir inžinerijos ekspertai iš abiejų pusių yra integruoti į vieną komandą, tai gali turėti transformacinį poveikį ir duoti teigiamesnių rezultatų.
„STAMPING Journal“ yra vienintelis pramonės žurnalas, skirtas metalo štampavimo rinkos poreikiams tenkinti. Nuo 1989 m. leidinyje apžvelgiamos pažangiausios technologijos, pramonės tendencijos, geriausia praktika ir naujienos, padedančios štampavimo specialistams efektyviau valdyti savo verslą.
Dabar su visiška prieiga prie skaitmeninio „The FABRICATOR“ leidimo ir lengva prieiga prie vertingų pramonės išteklių.
Skaitmeninis „The Tube & Pipe Journal“ leidimas dabar yra visiškai prieinamas, suteikiant lengvą prieigą prie vertingų pramonės išteklių.
Mėgaukitės visiška prieiga prie skaitmeninio „STAMPING Journal“ leidimo, kuriame pateikiami naujausi technologiniai pasiekimai, geriausia praktika ir pramonės naujienos metalo štampavimo rinkoje.
Dabar su visiška prieiga prie skaitmeninio „The Fabricator en Español“ leidimo ir lengva prieiga prie vertingų pramonės išteklių.