Manfaat boleh diperolehi dengan mendapatkan wawasan tentang satu lapisan struktur butiran yang mengawal kelakuan mekanikal keluli tahan karat. Getty Images
Pemilihan keluli tahan karat dan aloi aluminium secara amnya tertumpu pada kekuatan, kemuluran, pemanjangan dan kekerasan. Sifat-sifat ini menunjukkan bagaimana blok binaan logam bertindak balas terhadap beban yang dikenakan. Ia merupakan petunjuk yang berkesan dalam menguruskan kekangan bahan mentah; iaitu, berapa banyak ia akan bengkok sebelum pecah. Bahan mentah mesti dapat menahan proses pengacuan tanpa pecah.
Ujian tegangan dan kekerasan secara destruktif merupakan kaedah yang boleh dipercayai dan kos efektif untuk menentukan sifat mekanikal. Walau bagaimanapun, ujian ini tidak selalunya boleh dipercayai sebaik sahaja ketebalan bahan mentah mula mengehadkan saiz sampel ujian. Ujian tegangan produk logam rata sudah tentu masih berguna, tetapi manfaatnya boleh diperolehi dengan melihat lebih mendalam pada satu lapisan struktur butiran yang mengawal kelakuan mekanikalnya.
Logam terdiri daripada satu siri hablur mikroskopik yang dipanggil butiran. Ia diagihkan secara rawak ke seluruh logam. Atom unsur pengaloi, seperti besi, kromium, nikel, mangan, silikon, karbon, nitrogen, fosforus dan sulfur dalam keluli tahan karat austenit, adalah sebahagian daripada butiran tunggal. Atom-atom ini membentuk larutan pepejal ion logam, yang terikat ke dalam kekisi hablur melalui elektron kongsi mereka.
Komposisi kimia aloi menentukan susunan atom yang diutamakan secara termodinamik dalam butiran, yang dikenali sebagai struktur kristal. Bahagian homogen logam yang mengandungi struktur kristal berulang membentuk satu atau lebih butiran yang dipanggil fasa. Sifat mekanikal aloi adalah fungsi struktur kristal dalam aloi. Begitu juga dengan saiz dan susunan butiran setiap fasa.
Kebanyakan orang biasa dengan peringkat-peringkat air. Apabila air cecair membeku, ia menjadi ais pepejal. Walau bagaimanapun, apabila melibatkan logam, bukan hanya satu fasa pepejal. Keluarga aloi tertentu dinamakan sempena fasa-fasanya. Antara keluli tahan karat, aloi siri 300 austenit terutamanya terdiri daripada austenit apabila disepuh. Walau bagaimanapun, aloi siri 400 terdiri daripada ferit dalam keluli tahan karat 430 atau martensit dalam aloi keluli tahan karat 410 dan 420.
Begitu juga dengan aloi titanium. Nama setiap kumpulan aloi menunjukkan fasa dominannya pada suhu bilik – alfa, beta atau campuran kedua-duanya. Terdapat aloi alfa, hampir alfa, alfa-beta, beta dan hampir beta.
Apabila logam cecair memejal, zarah pepejal fasa pilihan termodinamik akan termendak di tempat yang dibenarkan oleh tekanan, suhu dan komposisi kimia. Ini biasanya berlaku pada antara muka, seperti hablur ais di permukaan kolam yang hangat pada hari yang sejuk. Apabila butiran nukleus, struktur kristal tumbuh dalam satu arah sehingga butiran lain ditemui. Sempadan butiran terbentuk di persimpangan kekisi yang tidak sepadan disebabkan oleh orientasi struktur kristal yang berbeza. Bayangkan meletakkan sekumpulan kiub Rubik dengan saiz yang berbeza di dalam kotak. Setiap kiub mempunyai susunan grid segi empat sama, tetapi semuanya akan disusun dalam arah rawak yang berbeza. Bahan kerja logam yang dipejal sepenuhnya terdiri daripada satu siri butiran yang seolah-olah berorientasikan secara rawak.
Setiap kali butiran terbentuk, terdapat kemungkinan kecacatan garisan. Kecacatan ini adalah bahagian struktur kristal yang hilang yang dipanggil kehelan. Kehelan ini dan pergerakan seterusnya di seluruh butiran dan merentasi sempadan butiran adalah asas kepada kemuluran logam.
Keratan rentas benda kerja dipasang, dikisar, digilap dan diukir untuk melihat struktur butiran. Apabila seragam dan setara, mikrostruktur yang diperhatikan pada mikroskop optik kelihatan seperti teka-teki jigsaw. Pada hakikatnya, butirannya adalah tiga dimensi, dan keratan rentas setiap butiran akan berbeza-beza bergantung pada orientasi keratan rentas benda kerja.
Apabila struktur kristal dipenuhi dengan semua atomnya, tiada ruang untuk pergerakan selain daripada regangan ikatan atom.
Apabila anda membuang separuh daripada deretan atom, anda mewujudkan peluang untuk deretan atom yang lain tergelincir ke kedudukan itu, sekali gus menggerakkan kehelan dengan berkesan. Apabila daya dikenakan pada bahan kerja, gerakan agregat kehelan dalam mikrostruktur membolehkannya membengkok, meregang atau memampat tanpa patah atau pecah.
Apabila daya bertindak ke atas aloi logam, sistem akan meningkatkan tenaga. Jika tenaga yang mencukupi ditambah untuk menyebabkan ubah bentuk plastik, kekisi akan berubah bentuk dan kehelan baharu terbentuk. Nampaknya logik bahawa ini akan meningkatkan kemuluran, kerana ia membebaskan lebih banyak ruang dan seterusnya mewujudkan potensi untuk lebih banyak gerakan kehelan. Walau bagaimanapun, apabila kehelan bertembung, ia boleh membetulkan antara satu sama lain.
Apabila bilangan dan kepekatan kehelan meningkat, semakin banyak kehelan disematkan bersama, mengurangkan kemuluran. Akhirnya, begitu banyak kehelan muncul sehingga pembentukan sejuk tidak lagi mungkin. Memandangkan kehelan penyematan sedia ada tidak lagi boleh bergerak, ikatan atom dalam kekisi meregang sehingga ia pecah atau putus. Inilah sebabnya mengapa aloi logam berfungsi mengeras, dan mengapa terdapat had jumlah ubah bentuk plastik yang boleh ditahan oleh logam sebelum pecah.
Bijirin juga memainkan peranan penting dalam penyepuhlindapan. Penyepuhlindapan bahan yang dikeraskan pada asasnya menetapkan semula mikrostruktur dan dengan itu mengembalikan kemuluran. Semasa proses penyepuhlindapan, bijirin diubah dalam tiga langkah:
Bayangkan seseorang berjalan melalui gerabak kereta api yang sesak. Orang ramai hanya boleh dihimpit dengan meninggalkan jurang antara barisan, seperti kehelan dalam kekisi. Semasa mereka bergerak, orang di belakang mereka mengisi kekosongan yang mereka tinggalkan, sementara mereka mencipta ruang baharu di hadapan. Sebaik sahaja mereka sampai ke hujung gerabak yang satu lagi, susunan penumpang berubah. Jika terlalu ramai orang cuba melintas serentak, penumpang yang cuba memberi ruang untuk pergerakan mereka akan berlanggar antara satu sama lain dan melanggar dinding gerabak kereta api, menyebabkan semua orang tersepit di tempatnya. Lebih banyak kehelan yang muncul, lebih sukar bagi mereka untuk bergerak pada masa yang sama.
Adalah penting untuk memahami tahap minimum ubah bentuk yang diperlukan untuk mencetuskan penghabluran semula. Walau bagaimanapun, jika logam tidak mempunyai tenaga ubah bentuk yang mencukupi sebelum dipanaskan, penghabluran semula tidak akan berlaku dan butiran hanya akan terus tumbuh melebihi saiz asalnya.
Sifat mekanikal boleh ditala dengan mengawal pertumbuhan butiran. Sempadan butiran pada asasnya ialah dinding kehelan. Ia menghalang pergerakan.
Jika pertumbuhan butiran terhad, bilangan butiran kecil yang lebih tinggi akan dihasilkan. Butiran yang lebih kecil ini dianggap lebih halus dari segi struktur butiran. Lebih banyak sempadan butiran bermakna kurang gerakan kehelan dan kekuatan yang lebih tinggi.
Jika pertumbuhan butiran tidak disekat, struktur butiran menjadi lebih kasar, butirannya lebih besar, sempadannya lebih kecil, dan kekuatannya lebih rendah.
Saiz butiran sering dirujuk sebagai nombor tanpa unit, antara 5 dan 15. Ini adalah nisbah relatif dan berkaitan dengan diameter butiran purata. Semakin tinggi nombornya, semakin halus kebutirannya.
ASTM E112 menggariskan kaedah untuk mengukur dan menilai saiz butiran. Ia melibatkan pengiraan jumlah butiran di kawasan tertentu. Ini biasanya dilakukan dengan memotong keratan rentas bahan mentah, mengisar dan menggilapnya, dan kemudian mengetsanya dengan asid untuk mendedahkan zarah. Pengiraan dilakukan di bawah mikroskop, dan pembesaran membolehkan persampelan butiran yang mencukupi. Menetapkan nombor saiz butiran ASTM menunjukkan tahap keseragaman yang munasabah dalam bentuk dan diameter butiran. Ia mungkin berfaedah untuk mengehadkan variasi saiz butiran kepada dua atau tiga titik untuk memastikan prestasi yang konsisten merentasi bahan kerja.
Dalam kes pengerasan kerja, kekuatan dan kemuluran mempunyai hubungan songsang. Hubungan antara saiz butiran ASTM dan kekuatan cenderung positif dan kuat, secara amnya pemanjangan berkait songsang dengan saiz butiran ASTM. Walau bagaimanapun, pertumbuhan butiran yang berlebihan boleh menyebabkan bahan "lembut mati" tidak lagi berfungsi mengeras dengan berkesan.
Saiz butiran sering dirujuk sebagai nombor tanpa unit, antara 5 dan 15. Ini adalah nisbah relatif dan berkaitan dengan diameter butiran purata. Semakin tinggi nilai saiz butiran ASTM, semakin banyak butiran per unit luas.
Saiz butiran bahan yang disepuhlindap berbeza-beza mengikut masa, suhu dan kadar penyejukan. Penyepuhlindapan biasanya dilakukan antara suhu penghabluran semula dan takat lebur aloi. Julat suhu penyepuhlindapan yang disyorkan untuk aloi keluli tahan karat austenit 301 adalah antara 1,900 dan 2,050 darjah Fahrenheit. Ia akan mula cair sekitar 2,550 darjah Fahrenheit. Sebaliknya, titanium gred 1 tulen komersial hendaklah disepuhlindapkan pada 1,292 darjah Fahrenheit dan cair sekitar 3,000 darjah Fahrenheit.
Semasa penyepuhlindapan, proses pemulihan dan penghabluran semula bersaing antara satu sama lain sehingga butiran yang dihablur semula memakan semua butiran yang cacat. Kadar penghabluran semula berbeza-beza mengikut suhu. Setelah penghabluran semula selesai, pertumbuhan butiran mengambil alih. Bahan kerja keluli tahan karat 301 yang disepuhlindap pada suhu 1,900°F selama satu jam akan mempunyai struktur butiran yang lebih halus daripada bahan kerja yang sama yang disepuhlindap pada suhu 2,000°F untuk masa yang sama.
Jika bahan tidak dipegang dalam julat penyepuhlindapan yang betul cukup lama, struktur yang terhasil mungkin merupakan gabungan butiran lama dan baharu. Jika sifat seragam dikehendaki di seluruh logam, proses penyepuhlindapan harus bertujuan untuk mencapai struktur butiran setara yang seragam. Seragam bermaksud semua butiran mempunyai saiz yang lebih kurang sama, dan setara bermaksud bentuknya lebih kurang sama.
Untuk mendapatkan mikrostruktur yang seragam dan setara, setiap bahan kerja harus didedahkan kepada jumlah haba yang sama untuk jangka masa yang sama dan harus menyejuk pada kadar yang sama. Ini tidak selalu mudah atau mungkin dilakukan dengan penyepuhlindapan kelompok, jadi adalah penting untuk sekurang-kurangnya menunggu sehingga seluruh bahan kerja tepu pada suhu yang sesuai sebelum mengira masa rendaman. Masa rendaman yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi akan menghasilkan struktur butiran yang lebih kasar/bahan yang lebih lembut dan sebaliknya.
Jika saiz dan kekuatan butiran berkaitan, dan kekuatannya diketahui, mengapa mengira butiran, bukan? Semua ujian pemusnah mempunyai kebolehubahan. Ujian tegangan, terutamanya pada ketebalan yang lebih rendah, sebahagian besarnya bergantung pada penyediaan sampel. Keputusan kekuatan tegangan yang tidak mewakili sifat bahan sebenar mungkin mengalami kegagalan pramatang.
Jika sifat-sifatnya tidak seragam di seluruh bahan kerja, pengambilan spesimen ujian tegangan atau sampel dari satu tepi mungkin tidak dapat menjelaskan keseluruhan cerita. Penyediaan dan pengujian sampel juga boleh memakan masa. Berapa banyak ujian yang mungkin untuk logam tertentu, dan dalam berapa banyak arah ia boleh dilaksanakan? Menilai struktur butiran adalah insurans tambahan terhadap kejutan.
Anisotropik, isotropik. Anisotropi merujuk kepada kearah sifat mekanikal. Selain kekuatan, anisotropi boleh difahami dengan lebih baik dengan memeriksa struktur butiran.
Struktur butiran yang seragam dan setara hendaklah isotropik, yang bermaksud ia mempunyai sifat yang sama dalam semua arah. Isotropi amat penting dalam proses penarikan dalam yang mana konsentrisiti adalah kritikal. Apabila benda kerja ditarik ke dalam acuan, bahan anisotropik tidak akan mengalir secara seragam, yang boleh menyebabkan kecacatan yang dipanggil anting-anting. Subang berlaku di tempat bahagian atas cawan membentuk siluet beralun. Memeriksa struktur butiran boleh mendedahkan lokasi ketidakhomogenan dalam bahan kerja dan membantu mendiagnosis punca utama.
Penyepuhlindapan yang betul adalah penting untuk mencapai isotropi, tetapi penting juga untuk memahami tahap ubah bentuk sebelum penyepuhlindapan. Apabila bahan berubah bentuk secara plastik, butiran mula berubah bentuk. Dalam kes penggelek sejuk, menukar ketebalan kepada panjang, butiran akan memanjang dalam arah penggelek. Apabila nisbah aspek butiran berubah, begitu juga isotropi dan sifat mekanikal keseluruhan. Dalam kes bahan kerja yang sangat berubah bentuk, beberapa orientasi mungkin dikekalkan walaupun selepas penyepuhlindapan. Ini menghasilkan anisotropi. Untuk bahan yang ditarik dalam, kadangkala perlu untuk mengehadkan jumlah ubah bentuk sebelum penyepuhlindapan akhir untuk mengelakkan haus.
Kulit oren. Pengecutan bukanlah satu-satunya kecacatan penarikan dalam yang berkaitan dengan acuan. Kulit oren berlaku apabila bahan mentah dengan zarah yang terlalu kasar ditarik. Setiap butiran berubah bentuk secara bebas dan sebagai fungsi orientasi kristalnya. Perbezaan ubah bentuk antara butiran bersebelahan menghasilkan penampilan bertekstur yang serupa dengan kulit oren. Tekstur ialah struktur berbutir yang terserlah pada permukaan dinding cawan.
Sama seperti piksel pada skrin TV, dengan struktur berbutir halus, perbezaan antara setiap butiran akan kurang ketara, sekali gus meningkatkan resolusi dengan berkesan. Menentukan sifat mekanikal sahaja mungkin tidak mencukupi untuk memastikan saiz butiran yang cukup halus bagi mengelakkan kesan kulit oren. Apabila perubahan saiz bahan kerja kurang daripada 10 kali ganda diameter butiran, sifat butiran individu akan memacu tingkah laku pembentukan. Ia tidak berubah bentuk sama rata pada banyak butiran, tetapi mencerminkan saiz dan orientasi khusus setiap butiran. Ini dapat dilihat daripada kesan kulit oren pada dinding cawan yang dilukis.
Untuk saiz butiran ASTM 8, diameter butiran purata ialah 885 µin. Ini bermakna sebarang pengurangan ketebalan sebanyak 0.00885 inci atau kurang boleh terjejas oleh kesan mikropembentukan ini.
Walaupun butiran kasar boleh menyebabkan masalah lukisan dalam, ia kadangkala disyorkan untuk mencetak. Pengecapan ialah proses ubah bentuk di mana benda kerja kosong dimampatkan untuk memberikan topografi permukaan yang diingini, seperti seperempat daripada kontur muka George Washington. Tidak seperti lukisan dawai, pengecapan biasanya tidak melibatkan banyak aliran bahan pukal, tetapi memerlukan banyak daya, yang mungkin hanya mengubah bentuk permukaan benda kerja kosong.
Atas sebab ini, meminimumkan tegasan aliran permukaan dengan menggunakan struktur butiran yang lebih kasar dapat membantu mengurangkan daya yang diperlukan untuk pengisian acuan yang betul. Ini terutamanya benar dalam kes pencetakan acuan bebas, di mana kehelan pada butiran permukaan boleh mengalir dengan bebas dan bukannya terkumpul di sempadan butiran.
Trend yang dibincangkan di sini adalah generalisasi yang mungkin tidak terpakai pada bahagian tertentu. Walau bagaimanapun, ia mengetengahkan manfaat mengukur dan menyeragamkan saiz zarah bahan mentah semasa mereka bentuk bahagian baharu untuk mengelakkan perangkap biasa dan mengoptimumkan parameter pengacuan.
Pengilang mesin pengecap logam jitu dan operasi penarikan dalam pada logam untuk membentuk bahagian mereka akan bekerjasama dengan baik dengan pakar metalurgi pada penggelek semula jitu yang berkelayakan teknikal yang boleh membantu mereka mengoptimumkan bahan sehingga ke tahap butiran. Apabila pakar metalurgi dan kejuruteraan di kedua-dua belah pihak dalam hubungan ini disepadukan ke dalam satu pasukan, ia boleh memberi impak transformatif dan menghasilkan lebih banyak hasil yang positif.
STAMPING Journal merupakan satu-satunya jurnal industri yang didedikasikan untuk memenuhi keperluan pasaran setem logam. Sejak tahun 1989, penerbitan ini telah merangkumi teknologi canggih, trend industri, amalan terbaik dan berita untuk membantu profesional setem menjalankan perniagaan mereka dengan lebih cekap.
Kini dengan akses penuh kepada edisi digital The Fabricator, akses mudah kepada sumber industri yang berharga.
Edisi digital The Tube & Pipe Journal kini boleh diakses sepenuhnya, menyediakan akses mudah kepada sumber industri yang berharga.
Nikmati akses penuh kepada edisi digital STAMPING Journal, yang menyediakan kemajuan teknologi terkini, amalan terbaik dan berita industri untuk pasaran setem logam.
Kini dengan akses penuh kepada edisi digital The Fabricator en Español, akses mudah kepada sumber industri yang berharga.