Er kunnen voordelen worden behaald door inzicht te krijgen in één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag van roestvrij staal regelt.Getty Images
Bij de keuze van roestvrij staal en aluminiumlegeringen wordt doorgaans gelet op sterkte, ductiliteit, rek en hardheid. Deze eigenschappen geven aan hoe de bouwstenen van het metaal reageren op toegepaste belastingen. Ze vormen een effectieve indicator voor het beheersen van de beperkingen van de grondstof, dat wil zeggen, hoeveel het zal buigen voordat het breekt. De grondstof moet het gietproces kunnen doorstaan ​​zonder te breken.
Destructieve trek- en hardheidstesten vormen een betrouwbare en kosteneffectieve methode om mechanische eigenschappen te bepalen. Deze testen zijn echter niet altijd even betrouwbaar zodra de dikte van het ruwe materiaal de grootte van het testmonster begint te beperken. Trekproeven op platte metalen producten zijn uiteraard nog steeds nuttig, maar er kunnen voordelen worden behaald door dieper in te gaan op één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag bepaalt.
Metalen bestaan ​​uit een reeks microscopisch kleine kristallen, korrels genaamd. Ze zijn willekeurig verdeeld over het metaal. Atomen van legeringselementen, zoals ijzer, chroom, nikkel, mangaan, silicium, koolstof, stikstof, fosfor en zwavel in austenitisch roestvast staal, maken deel uit van één korrel. Deze atomen vormen een vaste oplossing van metaalionen, die door hun gedeelde elektronen in het kristalrooster worden gebonden.
De chemische samenstelling van de legering bepaalt de thermodynamisch gewenste rangschikking van de atomen in de korrels, ook wel de kristalstructuur genoemd. Homogene delen van een metaal met een repeterende kristalstructuur vormen één of meer korrels, die fasen worden genoemd. De mechanische eigenschappen van een legering zijn afhankelijk van de kristalstructuur in de legering. Hetzelfde geldt voor de grootte en rangschikking van de korrels van elke fase.
De meeste mensen zijn bekend met de stadia van water. Wanneer vloeibaar water bevriest, wordt het vast ijs. Echter, als het gaat om metalen, is er niet slechts één vaste fase. Bepaalde legeringsfamilies zijn vernoemd naar hun fasen. Van de roestvaste staalsoorten bestaan ​​de austenitische legeringen uit de 300-serie voornamelijk uit austeniet na het gloeien. Legeringen uit de 400-serie bestaan ​​echter uit ferriet in roestvast staal uit de 430-serie of uit martensiet in roestvast staal uit de 410- en 420-serie.
Hetzelfde geldt voor titaniumlegeringen. De naam van elke legeringsgroep geeft hun overheersende fase bij kamertemperatuur aan: alfa, bèta of een mengsel van beide. Er zijn alfa-, bijna-alfa-, alfa-bèta-, bèta- en bijna-bètalegeringen.
Wanneer het vloeibare metaal stolt, slaan de vaste deeltjes van de thermodynamisch gewenste fase neer op plekken waar de druk, temperatuur en chemische samenstelling dat toelaten. Dit gebeurt meestal op grensvlakken, zoals ijskristallen op het oppervlak van een warme vijver op een koude dag. Wanneer korrels nucleëren, groeit de kristalstructuur in één richting totdat ze een andere korrel tegenkomen. Korrelgrenzen ontstaan ​​op de kruispunten van niet-passende roosters, vanwege de verschillende oriëntaties van de kristalstructuren. Stel je voor dat je een aantal Rubiks-kubussen van verschillende groottes in een doos stopt. Elke kubus heeft een vierkant raster, maar ze zijn allemaal in verschillende willekeurige richtingen gerangschikt. Een volledig gestold metalen werkstuk bestaat uit een reeks korrels die op het eerste gezicht willekeurig georiënteerd lijken.
Bij de vorming van een korrel bestaat altijd de kans op lijndefecten. Deze defecten zijn ontbrekende delen van de kristalstructuur, dislocaties genoemd. Deze dislocaties en de daaropvolgende verplaatsing door de korrel en over korrelgrenzen heen zijn essentieel voor de ductiliteit van het metaal.
Een dwarsdoorsnede van het werkstuk wordt gemonteerd, geslepen, gepolijst en geëtst om de korrelstructuur te bekijken. Wanneer de microstructuren die onder een optische microscoop te zien zijn uniform en gelijkassig zijn, lijken ze een beetje op een legpuzzel. In werkelijkheid zijn de korrels driedimensionaal en varieert de dwarsdoorsnede van elke korrel afhankelijk van de oriëntatie van de dwarsdoorsnede van het werkstuk.
Wanneer een kristalstructuur gevuld is met al zijn atomen, is er geen ruimte voor andere beweging dan het uitrekken van de atomaire bindingen.
Wanneer u de helft van een rij atomen verwijdert, creëert u een mogelijkheid voor een andere rij atomen om op die positie te komen, waardoor de dislocatie feitelijk wordt verplaatst. Wanneer er een kracht op het werkstuk wordt uitgeoefend, zorgt de gecombineerde beweging van de dislocaties in de microstructuur ervoor dat het werkstuk kan buigen, uitrekken of samendrukken zonder te breken of te breken.
Wanneer er een kracht op een metaallegering wordt uitgeoefend, verhoogt het systeem de energie. Als er genoeg energie wordt toegevoegd om plastische vervorming te veroorzaken, vervormt het rooster en ontstaan ​​er nieuwe dislocaties. Het lijkt logisch dat dit de ductiliteit verhoogt, omdat er meer ruimte vrijkomt en daardoor de mogelijkheid ontstaat voor meer dislocatiebeweging. Wanneer dislocaties echter botsen, kunnen ze elkaar fixeren.
Naarmate het aantal en de concentratie van dislocaties toenemen, worden er steeds meer dislocaties aan elkaar vastgepind, waardoor de ductiliteit afneemt. Uiteindelijk ontstaan ​​er zoveel dislocaties dat koudvormen niet langer mogelijk is. Omdat bestaande vastgepinde dislocaties niet meer kunnen bewegen, rekken de atomaire bindingen in het rooster uit totdat ze breken. Dit is de reden waarom metaallegeringen hard worden en waarom er een grens is aan de hoeveelheid plastische vervorming die een metaal kan weerstaan ​​voordat het breekt.
Ook de korrel speelt een belangrijke rol bij het gloeien. Het gloeien van een door bewerking verhard materiaal zorgt ervoor dat de microstructuur in principe wordt gereset en daarmee de ductiliteit wordt hersteld. Tijdens het gloeiproces worden de korrels in drie stappen omgezet:
Stel je voor dat iemand door een volle treinwagon loopt. Een menigte kan alleen worden uitgeperst door gaten tussen de rijen te laten, als een soort verschuivingen in een rooster. Naarmate de mensen verder reden, vulden de mensen achter hen de leegte die ze hadden achtergelaten, terwijl ze voor hen nieuwe ruimte creëerden. Zodra ze het andere eind van de wagon bereiken, verandert de rangschikking van de passagiers. Als er te veel mensen tegelijkertijd proberen te passeren, zullen de passagiers die ruimte proberen te maken, tegen elkaar botsen en tegen de wanden van de wagons botsen, waardoor iedereen vast komt te zitten. Hoe meer verschuivingen er zijn, hoe moeilijker het voor hen wordt om tegelijkertijd vooruit te komen.
Het is belangrijk om het minimale vervormingsniveau te begrijpen dat nodig is om herkristallisatie op gang te brengen. Als het metaal echter niet over voldoende vervormingsenergie beschikt voordat het wordt verhit, zal er geen herkristallisatie plaatsvinden en zullen de korrels gewoon groter worden dan hun oorspronkelijke grootte.
De mechanische eigenschappen kunnen worden aangepast door de korrelgroei te sturen. Een korrelgrens is in feite een muur van dislocaties. Deze belemmeren beweging.
Als de korrelgroei beperkt wordt, zal er een groter aantal kleine korrels geproduceerd worden. Deze kleinere korrels worden gezien als fijner qua korrelstructuur. Meer korrelgrenzen betekent minder dislocatiebeweging en een hogere sterkte.
Als de korrelgroei niet wordt beperkt, wordt de korrelstructuur grover, zijn de korrels groter, zijn de grenzen dunner en is de sterkte lager.
De korrelgrootte wordt vaak aangeduid als een getal zonder eenheid, ergens tussen de 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en houdt verband met de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger het getal, hoe fijner de korrelgrootte.
ASTM E112 beschrijft methoden voor het meten en beoordelen van korrelgrootte. Hierbij wordt de hoeveelheid korrel in een bepaald gebied geteld. Dit gebeurt meestal door een dwarsdoorsnede van het ruwe materiaal te maken, dit te slijpen en polijsten en vervolgens te etsen met zuur om de deeltjes bloot te leggen. Het tellen wordt onder een microscoop uitgevoerd en de vergroting maakt een adequate bemonstering van de korrels mogelijk. Het toekennen van ASTM-korrelgroottecijfers geeft een redelijke mate van uniformiteit in korrelvorm en -diameter aan. Het kan zelfs voordelig zijn om de variatie in korrelgrootte te beperken tot twee of drie punten om consistente prestaties op het hele werkstuk te garanderen.
Bij koudverharding zijn sterkte en ductiliteit omgekeerd evenredig. De verhouding tussen ASTM-korrelgrootte en sterkte is doorgaans positief en sterk, terwijl rek doorgaans omgekeerd evenredig is met de ASTM-korrelgrootte. Overmatige korrelgroei kan er echter toe leiden dat "doodzachte" materialen niet langer effectief koudverharden.
De korrelgrootte wordt vaak aangeduid als een getal zonder eenheid, ergens tussen de 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en is gerelateerd aan de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger de ASTM-korrelgroottewaarde, hoe meer korrels per oppervlakte-eenheid.
De korrelgrootte van het gegloeide materiaal varieert met de tijd, temperatuur en afkoelsnelheid. Gloeien wordt gewoonlijk uitgevoerd tussen de herkristallisatietemperatuur en het smeltpunt van de legering. Het aanbevolen gloeitemperatuurbereik voor austenitisch roestvast staal legering 301 ligt tussen 1.900 en 2.050 graden Fahrenheit. Het begint te smelten rond 2.550 graden Fahrenheit. Ter vergelijking: commercieel zuiver titanium van klasse 1 moet worden gegloeid bij 1.292 graden Fahrenheit en smelten rond 3.000 graden Fahrenheit.
Tijdens het gloeien concurreren de herstel- en rekristallisatieprocessen met elkaar totdat de gerekristalliseerde korrels alle vervormde korrels hebben verbruikt. De rekristallisatiesnelheid varieert met de temperatuur. Zodra de rekristallisatie is voltooid, neemt de korrelgroei het over. Een werkstuk van roestvrij staal van 301 dat een uur lang is gegloeid bij 1.900 °F, heeft een fijnere korrelstructuur dan hetzelfde werkstuk dat gedurende dezelfde tijd is gegloeid bij 2.000 °F.
Als het materiaal niet lang genoeg in het juiste gloeibereik wordt gehouden, kan de resulterende structuur een combinatie zijn van oude en nieuwe korrels. Als uniforme eigenschappen in het hele metaal gewenst zijn, moet het gloeiproces gericht zijn op het verkrijgen van een uniforme, gelijkassige korrelstructuur. Uniform betekent dat alle korrels ongeveer dezelfde grootte hebben, en gelijkassig betekent dat ze ongeveer dezelfde vorm hebben.
Om een ​​uniforme en equiaxiale microstructuur te verkrijgen, moet elk werkstuk gedurende dezelfde tijd aan dezelfde hoeveelheid warmte worden blootgesteld en met dezelfde snelheid afkoelen. Dit is niet altijd gemakkelijk of mogelijk bij batch-gloeien, dus is het belangrijk om in ieder geval te wachten tot het hele werkstuk verzadigd is bij de juiste temperatuur voordat de inweektijd wordt berekend. Langere inweektijden en hogere temperaturen resulteren in een grovere korrelstructuur/zachter materiaal en vice versa.
Als korrelgrootte en sterkte met elkaar verband houden, en de sterkte bekend is, waarom bereken je dan korrels, toch? Alle destructieve testen kennen variatie. Trekproeven, vooral bij lagere diktes, zijn grotendeels afhankelijk van de monstervoorbereiding. Treksterkteresultaten die niet de werkelijke materiaaleigenschappen weerspiegelen, kunnen leiden tot vroegtijdig falen.
Als de eigenschappen niet overal in het werkstuk uniform zijn, vertelt het nemen van een trekproefstuk of een monster van één rand mogelijk niet het hele verhaal. Ook de voorbereiding en het testen van monsters kan tijdrovend zijn. Hoeveel testen zijn er mogelijk voor een bepaald metaal, en in hoeveel richtingen is dit haalbaar? Het evalueren van de korrelstructuur is een extra verzekering tegen verrassingen.
Anisotroop, isotroop. Anisotropie heeft betrekking op de richtinggevoeligheid van mechanische eigenschappen. Naast sterkte kan anisotropie beter begrepen worden door de korrelstructuur te bestuderen.
Een uniforme en equiaxiale korrelstructuur moet isotroop zijn, wat betekent dat deze in alle richtingen dezelfde eigenschappen heeft. Isotropie is vooral belangrijk bij dieptrekprocessen waarbij concentriciteit van cruciaal belang is. Wanneer het plaatwerkstuk in de mal wordt getrokken, vloeit het anisotrope materiaal niet gelijkmatig, wat kan leiden tot een defect dat 'earing' wordt genoemd. De 'earring' ontstaat wanneer het bovenste deel van de kom een ​​golvend silhouet vormt. Door de korrelstructuur te onderzoeken, kunt u de locatie van inhomogeniteiten in het werkstuk achterhalen en de hoofdoorzaak vaststellen.
Correct gloeien is essentieel om isotropie te bereiken, maar het is ook belangrijk om de mate van vervorming vóór het gloeien te begrijpen. Naarmate het materiaal plastisch vervormt, beginnen de korrels te vervormen. Bij koudwalsen, waarbij dikte wordt omgezet in lengte, zullen de korrels in de walsrichting uitrekken. Naarmate de korrelverhouding verandert, veranderen ook de isotropie en de algehele mechanische eigenschappen. Bij sterk vervormde werkstukken kan er zelfs na het gloeien nog enige oriëntatie behouden blijven. Dit resulteert in anisotropie. Bij diepgetrokken materialen is het soms nodig om de mate van vervorming vóór het eindgloeien te beperken om slijtage te voorkomen.
sinaasappelschil. Het oppakken is niet het enige defect bij het dieptrekken dat met de matrijs gepaard gaat. Sinaasappelschil ontstaat wanneer grondstoffen met te grove deeltjes worden getrokken. Elke korrel vervormt onafhankelijk en als een functie van zijn kristaloriëntatie. Het verschil in vervorming tussen aangrenzende korrels resulteert in een textuur die lijkt op sinaasappelschil. Textuur is de korrelstructuur die zichtbaar is op het oppervlak van de bekerwand.
Net als de pixels op een tv-scherm, zal bij een fijnkorrelige structuur het verschil tussen de korrels minder opvallen, waardoor de resolutie effectief wordt verhoogd. Het specificeren van alleen de mechanische eigenschappen is mogelijk niet voldoende om een ​​voldoende fijne korrelgrootte te garanderen om het sinaasappelhuideffect te voorkomen. Wanneer de dimensionale variatie van het werkstuk minder dan 10 keer de korreldiameter bedraagt, zullen de eigenschappen van de individuele korrels het vormgedrag bepalen. Het vervormt niet gelijkmatig over veel korrels, maar weerspiegelt de specifieke grootte en oriëntatie van elke korrel. Dit is te zien aan het sinaasappelhuideffect op de wanden van de getekende cups.
Voor een ASTM-korrelgrootte van 8 bedraagt ​​de gemiddelde korreldiameter 885 µin. Dit betekent dat elke diktevermindering van 0,00885 inch of minder door dit microvormingseffect kan worden beïnvloed.
Hoewel grove korrels problemen kunnen veroorzaken bij het dieptrekken, worden ze soms aanbevolen voor bedrukking. Stansen is een vervormingsproces waarbij een plaat wordt samengeperst om de gewenste oppervlaktetopografie te verkrijgen, bijvoorbeeld een kwart van de gezichtscontouren van George Washington. In tegenstelling tot draadtrekken gaat het bij stansen doorgaans niet om een ​​grote hoeveelheid materiaal, maar er is wel veel kracht voor nodig, waardoor het oppervlak van de plaat vervormd kan raken.
Om deze reden kan het minimaliseren van de oppervlaktespanning door een grovere korrelstructuur te gebruiken, helpen de krachten die nodig zijn voor het correct vullen van de mal te verlichten. Dit geldt met name voor het afdrukken van vrije matrijzen, waarbij dislocaties op de oppervlaktekorrels vrij kunnen stromen in plaats van zich op te hopen bij korrelgrenzen.
De hier besproken trends zijn generalisaties die mogelijk niet op specifieke secties van toepassing zijn. Ze benadrukken echter wel de voordelen van het meten en standaardiseren van de korrelgrootte van grondstoffen bij het ontwerpen van nieuwe onderdelen, om veelvoorkomende defecten te voorkomen en gietparameters te optimaliseren.
Fabrikanten van precisie-metaalstempelmachines en dieptrekbewerkingen van metaal om hun onderdelen te vormen, werken goed samen met metaalkundigen op technisch gekwalificeerde precisie-omwalsers die hen kunnen helpen bij het optimaliseren van materialen tot op korrelniveau. Wanneer metallurgische en technische experts aan beide kanten van de relatie in één team worden geïntegreerd, kan dit een transformerende impact hebben en tot positievere resultaten leiden.
STAMPING Journal is het enige vakblad dat zich volledig richt op de behoeften van de metaalstansmarkt. Sinds 1989 bericht de publicatie over de nieuwste technologieën, trends in de sector, best practices en nieuws om stansprofessionals te helpen hun bedrijf efficiënter te runnen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de sector.
Profiteer van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, met de nieuwste technologische ontwikkelingen, best practices en nieuws uit de branche voor de metaalstansmarkt.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.