Ieguvumus var gūt, gūstot ieskatu vienā graudu struktūras slānī, kas kontrolē nerūsējošā tērauda mehānisko uzvedību. Getty Images
Nerūsējošā tērauda un alumīnija sakausējumu izvēle parasti balstās uz izturību, elastību, pagarinājumu un cietību. Šīs īpašības norāda, kā metāla pamatelementi reaģē uz pieliktajām slodzēm. Tie ir efektīvs rādītājs izejvielu ierobežojumu pārvaldībai, proti, cik daudz tas saliecīsies, pirms salūzīs. Izejvielai jāspēj izturēt formēšanas procesu, nesalūstot.
Destruktīvā stiepes un cietības pārbaude ir uzticama un rentabla metode mehānisko īpašību noteikšanai. Tomēr šie testi ne vienmēr ir tik uzticami, ja izejmateriāla biezums sāk ierobežot testa parauga izmēru. Plakano metāla izstrādājumu stiepes pārbaude, protams, joprojām ir noderīga, taču ieguvumus var gūt, padziļināti aplūkojot vienu graudu struktūras slāni, kas kontrolē tā mehānisko uzvedību.
Metālus veido mikroskopisku kristālu virkne, ko sauc par graudiem. Tie ir nejauši sadalīti visā metālā. Leģējošo elementu, piemēram, dzelzs, hroma, niķeļa, mangāna, silīcija, oglekļa, slāpekļa, fosfora un sēra, atomi austenīta nerūsējošajos tēraudos ir daļa no viena grauda. Šie atomi veido cietu metāla jonu šķīdumu, kas ir saistīti kristāla režģī caur saviem kopīgajiem elektroniem.
Sakausējuma ķīmiskais sastāvs nosaka termodinamiski vēlamo atomu izvietojumu graudos, kas pazīstams kā kristāla struktūra. Metāla homogēnās daļas, kas satur atkārtotu kristāla struktūru, veido vienu vai vairākus graudus, ko sauc par fāzēm. Sakausējuma mehāniskās īpašības ir atkarīgas no sakausējuma kristāla struktūras. Tas pats attiecas uz katras fāzes graudu izmēru un izvietojumu.
Lielākā daļa cilvēku ir pazīstami ar ūdens fāzēm. Kad šķidrs ūdens sasalst, tas kļūst par cietu ledu. Tomēr, runājot par metāliem, nav tikai vienas cietas fāzes. Dažas sakausējumu saimes ir nosauktas pēc to fāzēm. Starp nerūsējošajiem tēraudiem austenīta 300. sērijas sakausējumi pēc atkvēlināšanas galvenokārt sastāv no austenīta. Tomēr 400. sērijas sakausējumi sastāv no ferīta 430. nerūsējošajā tēraudā vai martensīta 410. un 420. nerūsējošā tērauda sakausējumos.
Tas pats attiecas uz titāna sakausējumiem. Katras sakausējumu grupas nosaukums norāda tās dominējošo fāzi istabas temperatūrā – alfa, beta vai abu maisījumu. Ir alfa, gandrīz alfa, alfa-beta, beta un gandrīz beta sakausējumi.
Kad šķidrais metāls sacietē, termodinamiski vēlamās fāzes cietās daļiņas nogulsnējas vietā, kur to atļauj spiediens, temperatūra un ķīmiskais sastāvs. Tas parasti notiek saskarnēs, piemēram, ledus kristāli uz silta dīķa virsmas aukstā dienā. Kad graudi veidojas kodoli, kristāla struktūra aug vienā virzienā, līdz tiek sastapts cits grauds. Graudu robežas veidojas nesakritīgu režģu krustpunktos kristāla struktūru atšķirīgās orientācijas dēļ. Iedomājieties, ka kastē ievietojat dažāda izmēra Rubika kubu kaudzi. Katram kubam ir kvadrātveida režģa izkārtojums, bet tie visi būs izvietoti dažādos nejaušos virzienos. Pilnībā sacietējusi metāla sagatave sastāv no virknes šķietami nejauši orientētu graudu.
Jebkurā laikā, kad veidojas grauds, pastāv līniju defektu iespējamība. Šie defekti ir trūkstošās kristāla struktūras daļas, ko sauc par dislokācijām. Šīs dislokācijas un to sekojošā pārvietošanās visā graudā un pāri graudu robežām ir būtiska metāla plastiskumam.
Sagataves šķērsgriezums tiek uzmontēts, slīpēts, pulēts un iegravēts, lai apskatītu graudu struktūru. Vienveidīgas un vienāda izmēra mikrostruktūras, kas novērojamas optiskajā mikroskopā, izskatās nedaudz kā puzle. Patiesībā graudi ir trīsdimensiju, un katra grauda šķērsgriezums mainīsies atkarībā no sagataves šķērsgriezuma orientācijas.
Kad kristāla struktūra ir piepildīta ar visiem tās atomiem, nav vietas kustībai, izņemot atomu saišu stiepšanos.
Noņemot pusi no atomu rindas, jūs radāt iespēju citai atomu rindai ieslīdēt šajā pozīcijā, efektīvi pārvietojot dislokāciju. Kad sagatavei tiek pielikts spēks, dislokāciju kopējā kustība mikrostruktūrā ļauj tai saliekties, izstiepties vai saspiesties, nesalūstot vai nelūstot.
Kad uz metāla sakausējumu iedarbojas spēks, sistēma palielina enerģiju. Ja tiek pievienota pietiekami daudz enerģijas, lai izraisītu plastisko deformāciju, režģis deformējas un veidojas jaunas dislokācijas. Šķiet loģiski, ka tam vajadzētu palielināt plastiskumu, jo tas atbrīvo vairāk vietas un tādējādi rada potenciālu lielākai dislokāciju kustībai. Tomēr, kad dislokācijas saduras, tās var viena otru fiksēt.
Palielinoties dislokāciju skaitam un koncentrācijai, arvien vairāk dislokāciju tiek saspiestas kopā, samazinot plastiskumu. Galu galā parādās tik daudz dislokāciju, ka aukstā formēšana vairs nav iespējama. Tā kā esošās saspiešanas dislokācijas vairs nevar kustēties, atomu saites režģī stiepjas, līdz tās pārtrūkst vai saplīst. Tāpēc metālu sakausējumi sacietē deformācijas rezultātā un tāpēc ir ierobežojums plastiskās deformācijas apjomam, ko metāls var izturēt pirms pārrāvuma.
Arī graudiem ir svarīga loma atkvēlināšanā. Atkvēlinot deformācijas ceļā sacietējušu materiālu, būtībā tiek atiestatīta mikrostruktūra un tādējādi atjaunota elastība. Atkvēlināšanas procesā graudi tiek pārveidoti trīs posmos:
Iedomājieties cilvēku, kas iet cauri pārpildītam vilciena vagonam. Pūļus var saspiest tikai atstājot atstarpes starp rindām, līdzīgi kā dislokācijas režģī. Viņiem virzoties uz priekšu, aiz viņiem esošie cilvēki aizpildīja atstāto tukšumu, vienlaikus radot jaunu telpu priekšā. Kad viņi sasniedz vagona otru galu, pasažieru izvietojums mainās. Ja pārāk daudz cilvēku mēģina vienlaikus paiet garām, pasažieri, kas cenšas atbrīvot vietu viņu kustībai, saduras viens ar otru un atsitas pret vilciena vagonu sienām, piespiežot visus savās vietās. Jo vairāk dislokāciju parādās, jo grūtāk viņiem ir pārvietoties vienlaikus.
Ir svarīgi saprast minimālo deformācijas līmeni, kas nepieciešams, lai izraisītu pārkristalizāciju. Tomēr, ja metālam pirms karsēšanas nav pietiekami daudz deformācijas enerģijas, pārkristalizācija nenotiks un graudi vienkārši turpinās augt, pārsniedzot sākotnējo izmēru.
Mehāniskās īpašības var regulēt, kontrolējot graudu augšanu. Graudu robeža būtībā ir dislokāciju siena. Tās kavē kustību.
Ja graudu augšana ir ierobežota, radīsies lielāks skaits mazu graudu. Šie mazākie graudi tiek uzskatīti par smalkākiem graudu struktūras ziņā. Vairāk graudu robežu nozīmē mazāku dislokācijas kustību un lielāku izturību.
Ja graudu augšana netiek ierobežota, graudu struktūra kļūst rupjāka, graudi ir lielāki, robežas ir mazākas un izturība ir zemāka.
Graudu lielumu bieži sauc par bezvienības skaitli, kas atrodas kaut kur starp 5 un 15. Šī ir relatīva attiecība, kas ir saistīta ar vidējo graudu diametru. Jo lielāks skaitlis, jo smalkāka granulācija.
ASTM E112 standartā ir izklāstītas graudu lieluma mērīšanas un novērtēšanas metodes. Tas ietver graudu daudzuma skaitīšanu noteiktā apgabalā. To parasti veic, nogriežot izejmateriāla šķērsgriezumu, to sasmalcinot un pulējot, un pēc tam kodinot ar skābi, lai atsegtu daļiņas. Skaitīšana tiek veikta mikroskopā, un palielinājums ļauj pienācīgi ņemt graudu paraugus. ASTM graudu lieluma skaitļu piešķiršana norāda uz pieņemamu graudu formas un diametra vienmērīguma līmeni. Var būt pat izdevīgi ierobežot graudu lieluma variācijas līdz diviem vai trim punktiem, lai nodrošinātu vienmērīgu veiktspēju visā sagatavē.
Deformācijas sacietēšanas gadījumā izturībai un elastībai ir apgriezta proporcionalitāte. ASTM graudu lieluma un izturības attiecība parasti ir pozitīva un spēcīga, parasti pagarinājums ir apgriezti proporcionāls ASTM graudu lielumam. Tomēr pārmērīga graudu augšana var izraisīt to, ka "mirušie mīkstie" materiāli vairs efektīvi nesacietē deformācijā.
Graudu izmēru bieži sauc par bezvienības skaitli, kas atrodas kaut kur starp 5 un 15. Šī ir relatīva attiecība, kas ir saistīta ar vidējo graudu diametru. Jo augstāka ir ASTM graudu izmēra vērtība, jo vairāk graudu ir uz laukuma vienību.
Atkvēlinātā materiāla graudu izmērs mainās atkarībā no laika, temperatūras un dzesēšanas ātruma. Atkvēlināšanu parasti veic starp sakausējuma rekristalizācijas temperatūru un kušanas temperatūru. Ieteicamais atkvēlināšanas temperatūras diapazons austenīta nerūsējošā tērauda sakausējumam 301 ir no 1900 līdz 2050 grādiem pēc Fārenheita. Tas sāks kust aptuveni 2550 grādos pēc Fārenheita. Turpretī komerciāli tīrs 1. klases titāns jāatkvēlina 1292 grādos pēc Fārenheita un jākausē aptuveni 3000 grādos pēc Fārenheita.
Atkvēlināšanas laikā reģenerācijas un pārkristalizācijas procesi konkurē savā starpā, līdz pārkristalizētie graudi patērē visus deformētos graudus. Pārkristalizācijas ātrums mainās atkarībā no temperatūras. Kad pārkristalizācija ir pabeigta, sāk augt graudi. 301 nerūsējošā tērauda sagatavei, kas vienu stundu atkvēlināta 1900°F temperatūrā, būs smalkāka graudu struktūra nekā tai pašai sagatavei, kas to pašu laiku atkvēlināta 2000°F temperatūrā.
Ja materiāls netiek pietiekami ilgi turēts pareizajā atkvēlināšanas diapazonā, iegūtā struktūra var būt vecu un jaunu graudu kombinācija. Ja visā metālā ir vēlamas vienādas īpašības, atkvēlināšanas procesam jācenšas panākt vienmērīgu, vienāda asu graudu struktūru. Vienmērīgs nozīmē, ka visi graudi ir aptuveni vienāda izmēra, un vienāda asu nozīmē, ka tiem ir aptuveni vienāda forma.
Lai iegūtu vienmērīgu un vienāda ass mikrostruktūru, katra sagatave jāpakļauj vienādam siltuma daudzumam vienādu laika periodu un jāatdzesē ar vienādu ātrumu. Tas ne vienmēr ir viegli vai iespējams, veicot partijas atkvēlināšanu, tāpēc ir svarīgi vismaz nogaidīt, līdz visa sagatave ir piesātināta atbilstošā temperatūrā, pirms aprēķināt mērcēšanas laiku. Ilgāks mērcēšanas laiks un augstāka temperatūra radīs rupjāku graudu struktūru/mīkstāku materiālu un otrādi.
Ja graudu izmērs un izturība ir saistītas un izturība ir zināma, kāpēc aprēķināt graudus, vai ne? Visiem destruktīvajiem testiem piemīt mainīgums. Stiepes pārbaude, īpaši mazākā biezumā, lielā mērā ir atkarīga no parauga sagatavošanas. Stiepes izturības rezultāti, kas neatspoguļo faktiskās materiāla īpašības, var priekšlaicīgi sabojāties.
Ja īpašības visā sagatavē nav vienādas, stiepes testa parauga vai parauga ņemšana no vienas malas, iespējams, nepaskaidro visu ainu. Parauga sagatavošana un testēšana var būt arī laikietilpīga. Cik testu ir iespējams veikt konkrētam metālam un cik virzienos tas ir iespējams? Graudu struktūras novērtēšana ir papildu apdrošināšana pret pārsteigumiem.
Anizotropisks, izotropisks. Anizotropija attiecas uz mehānisko īpašību virzību. Papildus stiprībai anizotropiju var labāk izprast, izpētot graudu struktūru.
Vienveidīgai un vienādai graudu struktūrai jābūt izotropiskai, kas nozīmē, ka tai ir vienādas īpašības visos virzienos. Izotropija ir īpaši svarīga dziļās vilkšanas procesos, kur koncentriskums ir kritiski svarīgs. Kad sagatave tiek ievilkta veidnē, anizotropais materiāls neplūst vienmērīgi, kas var izraisīt defektu, ko sauc par auskaru veidošanos. Auskaru veidošanās rodas vietā, kur krūzītes augšdaļa veido viļņotu siluetu. Graudu struktūras izpēte var atklāt nehomogenitātes atrašanās vietu sagatavē un palīdzēt diagnosticēt pamatcēloni.
Pareiza atkvēlināšana ir kritiski svarīga izotropijas sasniegšanai, taču ir svarīgi arī saprast deformācijas apmēru pirms atkvēlināšanas. Materiālam plastiski deformējoties, graudi sāk deformēties. Aukstās velmēšanas gadījumā, pārvēršot biezumu garumā, graudi pagarinās velmēšanas virzienā. Mainoties graudu malu attiecībai, mainās arī izotropija un kopējās mehāniskās īpašības. Stipri deformētu sagatavju gadījumā zināma orientācija var saglabāties pat pēc atkvēlināšanas. Tas rada anizotropiju. Dziļi vilktiem materiāliem dažreiz ir nepieciešams ierobežot deformācijas apjomu pirms galīgās atkvēlināšanas, lai izvairītos no nodiluma.
Apelsīna miziņa. Pacelšana nav vienīgais dziļvilkšanas defekts, kas saistīts ar matricu. Apelsīna miziņa rodas, ja tiek vilktas izejvielas ar pārāk rupjām daļiņām. Katrs grauds deformējas neatkarīgi un atkarībā no tā kristāla orientācijas. Blakus esošo graudu deformācijas atšķirība rada teksturētu izskatu, kas līdzīgs apelsīna miziņai. Tekstūra ir granulēta struktūra, kas atklājas uz krūzes sienas virsmas.
Tāpat kā pikseļiem televizora ekrānā, ar smalkgraudainu struktūru atšķirība starp katru graudu būs mazāk pamanāma, efektīvi palielinot izšķirtspēju. Mehānisko īpašību noteikšana vien var nebūt pietiekama, lai nodrošinātu pietiekami smalku graudu izmēru, lai novērstu apelsīna mizas efektu. Ja sagataves izmēra izmaiņas ir mazākas par 10 reizēm lielākas par grauda diametru, atsevišķu graudu īpašības noteiks formēšanas uzvedību. Tas nedeformējas vienādi pa daudziem graudiem, bet atspoguļo katra grauda specifisko izmēru un orientāciju. To var redzēt no apelsīna mizas efekta uz izvilkto krūzīšu sienām.
ASTM graudu izmēram 8 vidējais graudu diametrs ir 885 µin. Tas nozīmē, ka jebkurš biezuma samazinājums par 0,00885 collām vai mazāk var tikt ietekmēts šī mikroformēšanas efekta dēļ.
Lai gan rupji graudi var radīt dziļas vilkšanas problēmas, tos dažreiz iesaka apdrukai. Štancēšana ir deformācijas process, kurā sagatave tiek saspiesta, lai piešķirtu vēlamo virsmas topogrāfiju, piemēram, ceturtdaļu no Džordža Vašingtona sejas kontūrām. Atšķirībā no stiepļu vilkšanas, štancēšana parasti neietver lielu masveida materiāla plūsmu, bet prasa lielu spēku, kas var tikai deformēt sagataves virsmu.
Šī iemesla dēļ virsmas plūsmas sprieguma samazināšana, izmantojot rupjāku graudu struktūru, var palīdzēt mazināt spēkus, kas nepieciešami pareizai veidnes piepildīšanai. Tas jo īpaši attiecas uz brīvās presformas iespiedumu, kur dislokācijas uz virsmas graudiem var brīvi plūst, nevis uzkrāties graudu robežās.
Šeit apspriestās tendences ir vispārinājumi, kas var neattiekties uz konkrētām sadaļām. Tomēr tās izcēla izejvielu daļiņu izmēra mērīšanas un standartizācijas priekšrocības, projektējot jaunas detaļas, lai izvairītos no bieži sastopamām kļūdām un optimizētu formēšanas parametrus.
Precīzas metāla štancēšanas iekārtu un metāla dziļās vilkšanas operāciju ražotāji, kas veido to detaļas, labi sadarbosies ar metalurgiem uz tehniski kvalificētām precīzijas pārvelmēšanas iekārtām, kas var palīdzēt optimizēt materiālus līdz pat graudu līmenim. Kad metalurģijas un inženierzinātņu eksperti abās pusēs ir integrēti vienā komandā, tam var būt pārveidojoša ietekme un pozitīvāki rezultāti.
STAMPING Journal ir vienīgais nozares žurnāls, kas veltīts metāla štancēšanas tirgus vajadzību apmierināšanai. Kopš 1989. gada publikācija aptver jaunākās tehnoloģijas, nozares tendences, labāko praksi un jaunumus, lai palīdzētu štancēšanas speciālistiem efektīvāk vadīt savu biznesu.
Tagad ar pilnu piekļuvi The FABRICATOR digitālajam izdevumam, ērta piekļuve vērtīgiem nozares resursiem.
Žurnāla “The Tube & Pipe Journal” digitālais izdevums tagad ir pilnībā pieejams, nodrošinot ērtu piekļuvi vērtīgiem nozares resursiem.
Izbaudiet pilnu piekļuvi STAMPING Journal digitālajam izdevumam, kas sniedz jaunākos tehnoloģiskos sasniegumus, labāko praksi un nozares jaunumus metāla štancēšanas tirgū.
Tagad ar pilnu piekļuvi žurnāla "The Fabricator en Español" digitālajam izdevumam, ērta piekļuve vērtīgiem nozares resursiem.