Korzyści można uzyskać, poznając jedną warstwę struktury ziarna, która kontroluje zachowanie mechaniczne stali nierdzewnej.Getty Images
Dobór stali nierdzewnej i stopów aluminium opiera się zazwyczaj na wytrzymałości, ciągliwości, wydłużeniu i twardości. Właściwości te wskazują, w jaki sposób elementy konstrukcyjne metalu reagują na przyłożone obciążenia. Są one skutecznym wskaźnikiem ograniczeń dotyczących surowca, tj. tego, jak bardzo materiał się wygnie, zanim pęknie. Surowiec musi być w stanie wytrzymać proces formowania bez pękania.
Badanie wytrzymałości na rozciąganie i twardości jest niezawodną i ekonomiczną metodą określania właściwości mechanicznych. Jednakże badania te nie zawsze są tak wiarygodne, gdy grubość surowca zaczyna ograniczać rozmiar próbki testowej. Badanie wytrzymałości na rozciąganie płaskich wyrobów metalowych jest oczywiście nadal przydatne, ale korzyści można uzyskać, dokładniej przyglądając się jednej warstwie struktury ziarna, która decyduje o jej zachowaniu mechanicznym.
Metale składają się z szeregu mikroskopijnych kryształów zwanych ziarnami. Są one rozproszone w całym metalu. Atomy pierwiastków stopowych, takich jak żelazo, chrom, nikiel, mangan, krzem, węgiel, azot, fosfor i siarka w austenitycznych stalach nierdzewnych, stanowią część pojedynczego ziarna. Atomy te tworzą stały roztwór jonów metalu, które są połączone z siecią krystaliczną poprzez wspólne elektrony.
Skład chemiczny stopu decyduje o termodynamicznie preferowanym układzie atomów w ziarnach, znanym jako struktura krystaliczna. Jednorodne części metalu zawierające powtarzalną strukturę krystaliczną tworzą jedno lub więcej ziaren zwanych fazami. Właściwości mechaniczne stopu są funkcją struktury krystalicznej w stopie. To samo dotyczy wielkości i układu ziaren każdej fazy.
Większość ludzi zna stany skupienia wody. Gdy ciekła woda zamarza, zamienia się w stały lód. Jednak w przypadku metali nie ma tylko jednej fazy stałej. Niektóre rodziny stopów zostały nazwane od ich faz. Wśród stali nierdzewnych austenityczne stopy serii 300 po wyżarzaniu składają się głównie z austenitu. Natomiast stopy serii 400 składają się z ferrytu w stali nierdzewnej 430 lub martenzytu w stopach stali nierdzewnej 410 i 420.
To samo dotyczy stopów tytanu. Nazwa każdej grupy stopów wskazuje na dominującą fazę w temperaturze pokojowej – alfa, beta lub mieszaninę obu. Istnieją stopy alfa, stopy zbliżone do alfa, stopy alfa-beta, stopy beta i stopy zbliżone do beta.
Gdy ciekły metal krzepnie, stałe cząstki termodynamicznie preferowanej fazy wytrącą się tam, gdzie pozwalają na to ciśnienie, temperatura i skład chemiczny. Zwykle dzieje się to na stykach, jak kryształki lodu na powierzchni ciepłego stawu w zimny dzień. Gdy ziarna się zarodkują, struktura krystaliczna rośnie w jednym kierunku, aż do napotkania kolejnego ziarna. Granice ziaren tworzą się na przecięciach niedopasowanych sieci ze względu na różną orientację struktur krystalicznych. Wyobraź sobie, że wkładasz do pudełka kilka kostek Rubika o różnych rozmiarach. Każda kostka ma układ kwadratowej siatki, ale wszystkie będą ułożone w różnych, losowych kierunkach. Całkowicie zakrzepły metalowy przedmiot obrabiany składa się z szeregu pozornie losowo zorientowanych ziaren.
Za każdym razem, gdy formuje się ziarno, istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia defektów liniowych. Defekty te to brakujące części struktury krystalicznej, zwane dyslokacjami. Te dyslokacje i ich późniejsze przemieszczanie się w ziarnie i przez granice ziaren mają fundamentalne znaczenie dla ciągliwości metalu.
Przekrój poprzeczny przedmiotu obrabianego jest montowany, szlifowany, polerowany i trawiony w celu obejrzenia struktury ziaren. Gdy mikrostruktury są jednolite i równoosiowe, widoczne na mikroskopie optycznym przypominają trochę puzzle. W rzeczywistości ziarna są trójwymiarowe, a przekrój poprzeczny każdego ziarna będzie się różnić w zależności od orientacji przekroju poprzecznego przedmiotu obrabianego.
Gdy struktura krystaliczna jest wypełniona wszystkimi atomami, nie ma miejsca na żaden ruch poza rozciąganiem wiązań atomowych.
Usuwając połowę rzędu atomów, stwarzasz możliwość, aby inny rząd atomów wsunął się na to miejsce, skutecznie przesuwając dyslokację. Gdy do przedmiotu obrabianego zostanie przyłożona siła, skumulowany ruch dyslokacji w mikrostrukturze umożliwia jego zginanie, rozciąganie lub ściskanie bez pękania lub rozrywania.
Gdy na stop metalu działa siła, układ zwiększa energię. Jeżeli zostanie dostarczona wystarczająca ilość energii, aby spowodować odkształcenie plastyczne, sieć ulega odkształceniu i powstają nowe dyslokacje. Wydaje się logiczne, że powinno to zwiększyć ciągliwość, ponieważ uwalnia się więcej miejsca, a tym samym tworzy się potencjał do większego ruchu dyslokacji. Jednakże, gdy dyslokacje zderzają się, mogą się wzajemnie naprawiać.
W miarę jak wzrasta liczba i stężenie dyslokacji, coraz więcej dyslokacji ulega spięciu, co zmniejsza ciągliwość. Ostatecznie pojawia się tak wiele dyslokacji, że formowanie na zimno staje się niemożliwe. Ponieważ istniejące dyslokacje spinające nie mogą się już poruszać, wiązania atomowe w sieci rozciągają się, aż pękną lub się rozerwą. Dlatego stopy metali ulegają umocnieniu przez obróbkę cieplną i dlatego istnieje granica odkształcenia plastycznego, jakie metal może wytrzymać, zanim pęknie.
Ziarno odgrywa również ważną rolę w wyżarzaniu. Wyżarzanie materiału utwardzonego przez zgniot zasadniczo przywraca mikrostrukturę i tym samym ciągliwość. Podczas procesu wyżarzania ziarna są przekształcane w trzech etapach:
Wyobraź sobie osobę przechodzącą przez zatłoczony wagon. Tłum można ścisnąć jedynie poprzez pozostawienie luk między rzędami, niczym przesunięć w kratownicy. W miarę jak ludzie posuwają się naprzód, osoby za nimi wypełniają pustkę, którą zostawiają, a oni tworzą nową przestrzeń z przodu. Gdy docierają do drugiego końca wagonu, układ pasażerów ulega zmianie. Jeśli zbyt wiele osób próbuje przejść w tym samym czasie, pasażerowie próbujący zrobić im miejsce, zderzają się ze sobą i uderzają w ściany wagonów, unieruchamiając wszystkich w miejscu. Im więcej przesunięć się pojawi, tym trudniej jest im poruszać się jednocześnie.
Ważne jest, aby zrozumieć minimalny poziom odkształcenia wymagany do wywołania rekrystalizacji. Jeśli jednak metal nie będzie miał wystarczającej energii odkształcenia przed podgrzaniem, rekrystalizacja nie nastąpi, a ziarna po prostu będą nadal rosły poza swój pierwotny rozmiar.
Właściwości mechaniczne można regulować poprzez kontrolowanie wzrostu ziaren. Granica ziaren to w zasadzie ściana dyslokacji. Utrudniają one ruch.
Jeżeli wzrost ziaren zostanie ograniczony, powstanie większa liczba mniejszych ziaren. Te mniejsze ziarna uważa się za drobniejsze pod względem struktury ziarna. Więcej granic ziaren oznacza mniej ruchów dyslokacyjnych i większą wytrzymałość.
Jeśli nie ograniczymy wzrostu ziaren, struktura ziaren stanie się grubsza, ziarna będą większe, granice będą węższe, a wytrzymałość niższa.
Wielkość ziarna jest często podawana jako liczba bezwymiarowa, mieszcząca się w przedziale od 5 do 15. Jest to stosunek względny, powiązany ze średnią średnicą ziarna. Im wyższa liczba, tym drobniejsza ziarnistość.
Norma ASTM E112 określa metody pomiaru i oceny wielkości ziarna. Polega ona na zliczeniu ilości ziarna na danym obszarze. Odbywa się to zazwyczaj poprzez wycięcie przekroju surowca, jego szlifowanie i polerowanie, a następnie trawienie kwasem w celu odsłonięcia cząstek. Zliczanie odbywa się pod mikroskopem, a powiększenie pozwala na pobranie odpowiedniej próbki ziaren. Przypisanie liczb wielkości ziarna ASTM wskazuje na rozsądny poziom jednolitości kształtu i średnicy ziarna. Ograniczenie zmienności wielkości ziarna do dwóch lub trzech punktów może być nawet korzystne, aby zapewnić spójną jakość w całym obrabianym przedmiocie.
W przypadku umocnienia przez zgniot, wytrzymałość i ciągliwość są odwrotnie proporcjonalne. Zależność między wielkością ziarna ASTM a wytrzymałością jest zazwyczaj dodatnia i duża, a wydłużenie jest zwykle odwrotnie proporcjonalne do wielkości ziarna ASTM. Jednak nadmierny rozrost ziarna może spowodować, że materiały „bardzo miękkie” nie będą się skutecznie umacniać przez zgniot.
Wielkość ziarna jest często podawana jako liczba bezwymiarowa, mieszcząca się w przedziale od 5 do 15. Jest to stosunek względny, powiązany ze średnią średnicą ziarna. Im wyższa wartość wielkości ziarna ASTM, tym więcej ziaren przypada na jednostkę powierzchni.
Wielkość ziarna wyżarzanego materiału zmienia się w zależności od czasu, temperatury i szybkości chłodzenia. Wyżarzanie zwykle przeprowadza się w temperaturze pomiędzy temperaturą rekrystalizacji a temperaturą topnienia stopu. Zalecany zakres temperatur wyżarzania dla austenitycznej stali nierdzewnej stopowej 301 wynosi od 1900 do 2050 stopni Fahrenheita. Rozpoczyna się topienie w temperaturze około 2550 stopni Fahrenheita. Natomiast komercyjnie czysty tytan klasy 1 powinien być wyżarzany w temperaturze 1292 stopni Fahrenheita i topić się w temperaturze około 3000 stopni Fahrenheita.
Podczas wyżarzania procesy regeneracji i rekrystalizacji rywalizują ze sobą, dopóki ziarna rekrystalizowane nie zużyją wszystkich ziaren odkształconych. Szybkość rekrystalizacji zmienia się w zależności od temperatury. Po zakończeniu rekrystalizacji rozpoczyna się rozrost ziarna. Element obrabiany ze stali nierdzewnej 301 wyżarzany w temperaturze 1900°F przez jedną godzinę będzie miał drobniejszą strukturę ziarna niż ten sam element obrabiany wyżarzany w temperaturze 2000°F przez ten sam czas.
Jeśli materiał nie zostanie wyżarzony w odpowiednim zakresie temperatur dostatecznie długo, powstała struktura może być kombinacją starych i nowych ziaren. Jeżeli chcemy uzyskać jednolite właściwości całego metalu, proces wyżarzania powinien mieć na celu uzyskanie jednolitej struktury ziaren równoosiowych. Jednorodna struktura oznacza, że ​​wszystkie ziarna mają mniej więcej tę samą wielkość, a równoosiowa struktura oznacza, że ​​mają mniej więcej ten sam kształt.
Aby uzyskać jednorodną i równoosiową mikrostrukturę, każdy element obrabiany powinien być wystawiony na działanie takiej samej ilości ciepła przez taki sam czas i stygnąć w takim samym tempie. Nie zawsze jest to łatwe lub możliwe w przypadku wyżarzania wsadowego, dlatego ważne jest, aby odczekać, aż cały element obrabiany zostanie nasycony odpowiednią temperaturą przed obliczeniem czasu wygrzewania. Dłuższe czasy wygrzewania i wyższe temperatury spowodują, że materiał będzie miał grubszą strukturę ziarnistą/bardziej miękki i odwrotnie.
Jeśli wielkość ziarna i wytrzymałość są ze sobą powiązane, a wytrzymałość jest znana, po co obliczać ziarna, prawda? Wszystkie próby niszczące charakteryzują się zmiennością. Próba rozciągania, zwłaszcza przy mniejszych grubościach, w dużej mierze zależy od przygotowania próbki. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie, które nie odzwierciedlają rzeczywistych właściwości materiału, mogą ulec przedwczesnemu zniszczeniu.
Jeśli właściwości nie są jednorodne w całym przedmiocie obrabianym, pobranie próbki do próby rozciągania z jednej krawędzi może nie dać pełnego obrazu. Przygotowanie i badanie próbek może być również czasochłonne. Ile testów jest możliwych dla danego metalu i w ilu kierunkach jest to wykonalne? Ocena struktury ziarna to dodatkowe zabezpieczenie przed niespodziankami.
Anizotropowy, izotropowy. Anizotropia odnosi się do kierunkowości właściwości mechanicznych. Oprócz wytrzymałości, anizotropię można lepiej zrozumieć poprzez badanie struktury ziarnistej.
Jednorodna i równoosiowa struktura ziarna powinna być izotropowa, co oznacza, że ​​ma takie same właściwości we wszystkich kierunkach. Izotropia jest szczególnie ważna w procesach głębokiego tłoczenia, w których koncentryczność ma kluczowe znaczenie. Gdy wykrojnik jest wciągany do formy, materiał anizotropowy nie będzie płynął jednolicie, co może prowadzić do wady zwanej uchem. Ucho powstaje w miejscu, w którym górna część miseczki tworzy falistą sylwetkę. Badanie struktury ziarna może ujawnić lokalizację niejednorodności w obrabianym przedmiocie i pomóc zdiagnozować przyczynę problemu.
Prawidłowe wyżarzanie ma kluczowe znaczenie dla uzyskania izotropii, ale równie ważne jest zrozumienie stopnia odkształcenia przed wyżarzaniem. Wraz z plastycznym odkształceniem materiału, ziarna zaczynają się odkształcać. W przypadku walcowania na zimno, polegającego na przeliczeniu grubości na długość, ziarna wydłużają się w kierunku walcowania. Wraz ze zmianą współczynnika kształtu ziarna zmienia się również izotropia i ogólne właściwości mechaniczne. W przypadku silnie odkształconych elementów obrabianych, pewna orientacja może zostać zachowana nawet po wyżarzaniu. Powoduje to anizotropię. W przypadku materiałów głęboko tłoczonych czasami konieczne jest ograniczenie stopnia odkształcenia przed ostatecznym wyżarzaniem w celu uniknięcia zużycia.
skórka pomarańczowa. Podciąganie nie jest jedyną wadą głębokiego tłoczenia związaną z matrycą. Skórka pomarańczowa powstaje, gdy ciągnione są surowce o zbyt grubych cząsteczkach. Każde ziarno odkształca się niezależnie i zgodnie z orientacją kryształu. Różnica w odkształceniu pomiędzy sąsiednimi ziarnami skutkuje wyglądem faktury podobnym do skórki pomarańczowej. Faktura to ziarnista struktura widoczna na powierzchni ścianki kubka.
Podobnie jak piksele na ekranie telewizora, dzięki drobnoziarnistej strukturze różnica między poszczególnymi ziarnami będzie mniej zauważalna, co skutecznie zwiększy rozdzielczość. Samo określenie właściwości mechanicznych może nie wystarczyć, aby zagwarantować odpowiednio drobny rozmiar ziarna i zapobiec efektowi skórki pomarańczowej. Gdy zmienność wymiarów przedmiotu obrabianego jest mniejsza niż 10-krotność średnicy ziarna, właściwości poszczególnych ziaren będą decydować o zachowaniu formowania. Nie odkształca się ono jednakowo w przypadku wielu ziaren, ale odzwierciedla konkretny rozmiar i orientację każdego ziarna. Można to zaobserwować na przykładzie efektu skórki pomarańczowej na ściankach ciągnionych kubków.
W przypadku wielkości ziarna ASTM równej 8 średnia średnica ziarna wynosi 885 µin. Oznacza to, że każde zmniejszenie grubości o 0,00885 cala lub mniej może zostać objęte efektem mikroformowania.
Mimo że grube ziarna mogą powodować problemy z głębokim tłoczeniem, są czasami zalecane do nadruku. Tłoczenie to proces odkształcania, w którym wykrojnik jest ściskany w celu nadania mu pożądanej topografii powierzchni, na przykład ćwiartki konturów twarzy George'a Washingtona. W przeciwieństwie do ciągnienia drutu, tłoczenie zwykle nie wiąże się z dużym przepływem materiału, ale wymaga dużej siły, która może jedynie odkształcić powierzchnię wykroju.
Z tego powodu minimalizowanie naprężeń płynięcia powierzchniowego poprzez zastosowanie grubszej struktury ziarnistej może pomóc zmniejszyć siły niezbędne do prawidłowego wypełnienia formy. Jest to szczególnie ważne w przypadku odciskania swobodnego, gdzie dyslokacje na ziarnach powierzchniowych mogą swobodnie płynąć, zamiast gromadzić się na granicach ziaren.
Omówione tutaj trendy są uogólnieniami, które mogą nie mieć zastosowania do konkretnych sekcji. Podkreślono jednak korzyści płynące z pomiaru i standaryzacji wielkości ziarna surowca podczas projektowania nowych części, co pozwala uniknąć typowych wad i zoptymalizować parametry formowania.
Producenci precyzyjnych maszyn do tłoczenia metalu i operacji głębokiego tłoczenia metalu w celu formowania swoich części będą dobrze współpracować z metalurgami zajmującymi się technicznie wykwalifikowanymi precyzyjnymi walcarkami, którzy mogą pomóc im zoptymalizować materiały aż do poziomu ziarna. Gdy eksperci metalurgii i inżynierii po obu stronach relacji łączą się w jeden zespół, może to mieć transformacyjny wpływ i przynieść lepsze rezultaty.
STAMPING Journal to jedyne branżowe czasopismo poświęcone zaspokajaniu potrzeb rynku tłoczenia metali. Od 1989 r. publikacja ta opisuje najnowsze technologie, trendy branżowe, najlepsze praktyki i wiadomości, aby pomóc profesjonalistom zajmującym się tłoczeniem prowadzić swoją działalność bardziej efektywnie.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The FABRICATOR, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie czasopisma The Tube & Pipe Journal jest już w pełni dostępne, dzięki czemu można łatwo zapoznać się z cennymi zasobami branżowymi.
Uzyskaj pełny dostęp do wydania cyfrowego czasopisma STAMPING Journal, w którym znajdziesz najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe dla rynku tłoczenia metali.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The Fabricator w języku hiszpańskim, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.