Beneficiile pot fi obținute prin înțelegerea unui strat al structurii granulare care controlează comportamentul mecanic al oțelului inoxidabil. Getty Images
Selecția oțelului inoxidabil și a aliajelor de aluminiu se concentrează, în general, pe rezistență, ductilitate, alungire și duritate. Aceste proprietăți indică modul în care elementele constitutive ale metalului răspund la sarcinile aplicate. Ele sunt un indicator eficient al gestionării constrângerilor materiei prime; adică, cât de mult se va îndoi înainte de rupere. Materia primă trebuie să poată rezista procesului de turnare fără a se rupe.
Testarea distructivă la tracțiune și la duritate este o metodă fiabilă și rentabilă pentru determinarea proprietăților mecanice. Cu toate acestea, aceste teste nu sunt întotdeauna la fel de fiabile odată ce grosimea materiei prime începe să limiteze dimensiunea eșantionului de testare. Testarea la tracțiune a produselor metalice plate este, desigur, încă utilă, dar se pot obține beneficii prin examinarea mai profundă a unui strat al structurii granulare care controlează comportamentul său mecanic.
Metalele sunt alcătuite dintr-o serie de cristale microscopice numite granule. Acestea sunt distribuite aleatoriu în întregul metal. Atomii elementelor de aliere, cum ar fi fierul, cromul, nichelul, manganul, siliciul, carbonul, azotul, fosforul și sulful din oțelurile inoxidabile austenitice, fac parte dintr-un singur granulă. Acești atomi formează o soluție solidă de ioni metalici, care sunt legați în rețeaua cristalină prin electronii lor comuni.
Compoziția chimică a aliajului determină aranjamentul preferat termodinamic al atomilor în granule, cunoscut sub numele de structură cristalină. Porțiunile omogene ale unui metal care conțin o structură cristalină repetitivă formează unul sau mai multe granule numite faze. Proprietățile mecanice ale unui aliaj sunt o funcție a structurii cristaline din aliaj. Același lucru este valabil și pentru dimensiunea și aranjamentul granulelor fiecărei faze.
Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu etapele apei. Când apa lichidă îngheață, devine gheață solidă. Cu toate acestea, când vine vorba de metale, nu există o singură fază solidă. Anumite familii de aliaje sunt numite după fazele lor. Printre oțelurile inoxidabile, aliajele austenitice din seria 300 constau în principal din austenită atunci când sunt recoapte. Cu toate acestea, aliajele din seria 400 constau din ferită în oțelul inoxidabil 430 sau martensită în aliajele de oțel inoxidabil 410 și 420.
Același lucru este valabil și pentru aliajele de titan. Numele fiecărui grup de aliaje indică faza lor predominantă la temperatura camerei - alfa, beta sau un amestec al ambelor. Există aliaje alfa, aproape alfa, alfa-beta, beta și aproape beta.
Când metalul lichid se solidifică, particulele solide ale fazei preferate termodinamic vor precipita acolo unde presiunea, temperatura și compoziția chimică permit. Acest lucru se întâmplă de obicei la interfețe, cum ar fi cristalele de gheață de pe suprafața unui iaz cald într-o zi rece. Când granulele se nucleează, structura cristalină crește într-o direcție până când se întâlnește un alt granulă. Limitele granulelor se formează la intersecțiile rețelelor nepotrivite datorită orientărilor diferite ale structurilor cristaline. Imaginați-vă că puneți o grămadă de cuburi Rubik de diferite dimensiuni într-o cutie. Fiecare cub are un aranjament de grilă pătrată, dar toate vor fi aranjate în direcții aleatorii diferite. O piesă de lucru metalică complet solidificată constă dintr-o serie de granule aparent orientate aleatoriu.
De fiecare dată când se formează un granulă, există posibilitatea apariției defectelor liniare. Aceste defecte sunt părți lipsă ale structurii cristaline numite dislocații. Aceste dislocații și mișcarea lor ulterioară în interiorul granulei și peste limitele granulelor sunt fundamentale pentru ductilitatea metalelor.
O secțiune transversală a piesei de prelucrat este montată, șlefuită, lustruită și gravată pentru a vizualiza structura granulelor. Când sunt uniforme și echiaxiale, microstructurile observate la un microscop optic arată puțin ca un puzzle. În realitate, granulele sunt tridimensionale, iar secțiunea transversală a fiecărei granule va varia în funcție de orientarea secțiunii transversale a piesei de prelucrat.
Când o structură cristalină este umplută cu toți atomii săi, nu există loc pentru mișcare, în afară de întinderea legăturilor atomice.
Când îndepărtați jumătate dintr-un rând de atomi, creați o oportunitate pentru un alt rând de atomi să alunece în acea poziție, mișcând efectiv dislocația. Atunci când se aplică o forță piesei de prelucrat, mișcarea agregată a dislocațiilor din microstructură îi permite acesteia să se îndoaie, să se întindă sau să se comprime fără a se rupe sau a se rupe.
Când o forță acționează asupra unui aliaj metalic, sistemul își mărește energia. Dacă se adaugă suficientă energie pentru a provoca deformare plastică, rețeaua se deformează și se formează noi dislocații. Pare logic ca acest lucru să crească ductilitatea, deoarece eliberează mai mult spațiu și, prin urmare, creează potențialul pentru o mișcare mai mare a dislocațiilor. Cu toate acestea, atunci când dislocațiile se ciocnesc, se pot repara reciproc.
Pe măsură ce numărul și concentrația dislocațiilor cresc, tot mai multe dislocații sunt fixate împreună, reducând ductilitatea. În cele din urmă, apar atât de multe dislocații încât formarea la rece nu mai este posibilă. Deoarece dislocațiile de fixare existente nu se mai pot mișca, legăturile atomice din rețea se întind până când se rup sau se sparg. Acesta este motivul pentru care aliajele metalice se întăresc prin prelucrare mecanică și de ce există o limită a cantității de deformare plastică pe care un metal o poate suporta înainte de a se rupe.
Granulele joacă, de asemenea, un rol important în recoacere. Recoacerea unui material ecruisat resetează, în esență, microstructura și, prin urmare, restabilește ductilitatea. În timpul procesului de recoacere, granulele sunt transformate în trei etape:
Imaginați-vă o persoană care merge printr-un vagon de tren aglomerat. Mulțimile pot fi înghesuite doar lăsând spații între rânduri, ca niște dislocații într-o grilaj. Pe măsură ce înaintau, oamenii din spatele lor umpleau golul lăsat, în timp ce creau un spațiu nou în față. Odată ce ajung la celălalt capăt al vagonului, aranjamentul pasagerilor se schimbă. Dacă prea mulți oameni încearcă să treacă în același timp, pasagerii care încearcă să facă loc pentru mișcarea lor se vor ciocni unii cu alții și vor lovi pereții vagoanelor, imobilizând pe toată lumea la locul lor. Cu cât apar mai multe dislocații, cu atât le este mai greu să se miște în același timp.
Este important să înțelegem nivelul minim de deformare necesar pentru a declanșa recristalizarea. Cu toate acestea, dacă metalul nu are suficientă energie de deformare înainte de a fi încălzit, recristalizarea nu va avea loc, iar granulele vor continua pur și simplu să crească dincolo de dimensiunea lor inițială.
Proprietățile mecanice pot fi reglate prin controlul creșterii granulelor. O limită a granulelor este, în esență, un perete de dislocații. Acestea împiedică mișcarea.
Dacă creșterea granulelor este restricționată, se va produce un număr mai mare de granule mici. Aceste granule mai mici sunt considerate mai fine din punct de vedere al structurii granulelor. Mai multe limite ale granulelor înseamnă o mișcare de dislocare mai mică și o rezistență mai mare.
Dacă creșterea granulelor nu este restricționată, structura granulelor devine mai grosieră, granulele sunt mai mari, limitele sunt mai mici, iar rezistența este mai mică.
Dimensiunea granulelor este adesea denumită un număr fără unități, undeva între 5 și 15. Acesta este un raport relativ și este legat de diametrul mediu al granulelor. Cu cât numărul este mai mare, cu atât granularitatea este mai fină.
ASTM E112 prezintă metodele de măsurare și evaluare a dimensiunii granulelor. Aceasta implică numărarea cantității de granule dintr-o anumită zonă. Aceasta se face de obicei prin tăierea unei secțiuni transversale a materiei prime, măcinarea și lustruirea acesteia, apoi gravarea cu acid pentru a expune particulele. Numărarea se efectuează la microscop, iar mărirea permite eșantionarea adecvată a granulelor. Atribuirea numerelor ASTM pentru dimensiunea granulelor indică un nivel rezonabil de uniformitate în forma și diametrul granulelor. Poate fi chiar avantajos să se limiteze variația dimensiunii granulelor la două sau trei puncte pentru a asigura o performanță consistentă pe întreaga piesă de prelucrat.
În cazul ecruisării, rezistența și ductilitatea au o relație inversă. Relația dintre dimensiunea granulelor ASTM și rezistență tinde să fie pozitivă și puternică, în general alungirea este invers proporțională cu dimensiunea granulelor ASTM. Cu toate acestea, creșterea excesivă a granulelor poate face ca materialele „moi moale” să nu se mai ecruiseze eficient.
Dimensiunea granulelor este adesea denumită un număr fără unități, undeva între 5 și 15. Acesta este un raport relativ și este legat de diametrul mediu al granulelor. Cu cât valoarea ASTM a dimensiunii granulelor este mai mare, cu atât sunt mai multe granule pe unitatea de suprafață.
Dimensiunea granulelor materialului recopt variază în funcție de timp, temperatură și viteza de răcire. Recoacerea se efectuează de obicei între temperatura de recristalizare și punctul de topire al aliajului. Intervalul de temperatură de recoacere recomandat pentru aliajul de oțel inoxidabil austenitic 301 este între 1.900 și 2.050 de grade Fahrenheit. Acesta va începe să se topească în jurul valorii de 2.550 de grade Fahrenheit. În schimb, titanul comercial pur de gradul 1 ar trebui recopt la 1.292 de grade Fahrenheit și să se topească în jurul valorii de 3.000 de grade Fahrenheit.
În timpul recoacerii, procesele de recuperare și recristalizare concurează între ele până când granulele recristalizate consumă toate granulele deformate. Rata de recristalizare variază în funcție de temperatură. Odată ce recristalizarea este completă, creșterea granulelor preia controlul. O piesă de prelucrat din oțel inoxidabil 301 recoaptă la 1.900°F timp de o oră va avea o structură a granulelor mai fină decât aceeași piesă de prelucrat recoaptă la 2.000°F pentru aceeași perioadă de timp.
Dacă materialul nu este menținut în intervalul de recoacere adecvat suficient de mult timp, structura rezultată poate fi o combinație de granule vechi și noi. Dacă se doresc proprietăți uniforme în întregul metal, procesul de recoacere ar trebui să urmărească obținerea unei structuri uniforme echiaxiale a granulelor. Uniform înseamnă că toate granulele au aproximativ aceeași dimensiune, iar echiaxial înseamnă că au aproximativ aceeași formă.
Pentru a obține o microstructură uniformă și echiaxială, fiecare piesă de prelucrat trebuie expusă aceleiași cantități de căldură pentru aceeași perioadă de timp și trebuie să se răcească în aceeași viteză. Acest lucru nu este întotdeauna ușor sau posibil cu recoacerea în loturi, așa că este important să așteptați cel puțin până când întreaga piesă de prelucrat este saturată la temperatura corectă înainte de a calcula timpul de impregnare. Timpii de impregnare mai lungi și temperaturile mai ridicate vor duce la o structură cu granulație mai grosieră/un material mai moale și invers.
Dacă dimensiunea granulelor și rezistența sunt corelate, iar rezistența este cunoscută, de ce să se calculeze granulele, nu? Toate testele distructive au variabilitate. Testarea la tracțiune, în special la grosimi mai mici, depinde în mare măsură de pregătirea probei. Rezultatele rezistenței la tracțiune care nu reprezintă proprietățile reale ale materialului pot suferi defectare prematură.
Dacă proprietățile nu sunt uniforme pe întreaga piesă de prelucrat, prelevarea unei epruvete sau a unei mostre de la o singură margine poate să nu ofere întreaga informație. Pregătirea și testarea mostrei pot fi, de asemenea, consumatoare de timp. Câte teste sunt posibile pentru un anumit metal și în câte direcții este fezabil? Evaluarea structurii granulelor este o asigurare suplimentară împotriva surprizelor.
Anizotrop, izotrop. Anizotropia se referă la direcționalitatea proprietăților mecanice. Pe lângă rezistență, anizotropia poate fi mai bine înțeleasă prin examinarea structurii granulelor.
O structură uniformă și echiaxială a granulelor ar trebui să fie izotropă, ceea ce înseamnă că are aceleași proprietăți în toate direcțiile. Izotropia este deosebit de importantă în procesele de ambutisare profundă, unde concentricitatea este critică. Când semifabricatul este tras în matriță, materialul anizotrop nu va curge uniform, ceea ce poate duce la un defect numit undulare. Undularea apare acolo unde partea superioară a cupei formează o siluetă ondulată. Examinarea structurii granulelor poate dezvălui locația neomogenităților în piesa de prelucrat și poate ajuta la diagnosticarea cauzei principale.
O recoacere corectă este esențială pentru obținerea izotropiei, dar este important și să se înțeleagă gradul de deformare înainte de recoacere. Pe măsură ce materialul se deformează plastic, granulele încep să se deformeze. În cazul laminării la rece, transformând grosimea în lungime, granulele se vor alungi în direcția de laminare. Pe măsură ce raportul de aspect al granulelor se modifică, se modifică și izotropia și proprietățile mecanice generale. În cazul pieselor puternic deformate, o anumită orientare poate fi păstrată chiar și după recoacere. Acest lucru duce la anizotropie. Pentru materialele ambalate adânc, este uneori necesar să se limiteze cantitatea de deformare înainte de recoacerea finală pentru a evita uzura.
Coajă de portocală. Ridicarea nu este singurul defect de ambutisare profundă asociat cu matrița. Coaja de portocală apare atunci când sunt trase materii prime cu particule prea grosiere. Fiecare granulă se deformează independent și în funcție de orientarea cristalină. Diferența de deformare dintre granulele adiacente are ca rezultat un aspect texturat similar cu coaja de portocală. Textura este structura granulară dezvăluită pe suprafața peretelui cupei.
La fel ca pixelii de pe un ecran de televizor, cu o structură cu granulație fină, diferența dintre fiecare granulă va fi mai puțin vizibilă, crescând efectiv rezoluția. Specificarea proprietăților mecanice în sine poate să nu fie suficientă pentru a asigura o dimensiune a granulelor suficient de fină pentru a preveni efectul de coajă de portocală. Când variația dimensională a piesei de prelucrat este mai mică de 10 ori diametrul granulei, proprietățile granulelor individuale vor determina comportamentul de formare. Nu se deformează în mod egal pe mai multe granule, ci reflectă dimensiunea și orientarea specifică a fiecărei granule. Acest lucru poate fi observat din efectul de coajă de portocală de pe pereții cupelor trase.
Pentru o dimensiune a granulelor ASTM de 8, diametrul mediu al granulelor este de 885 µin. Aceasta înseamnă că orice reducere a grosimii de 0,00885 inci sau mai puțin poate fi afectată de acest efect de microformare.
Deși granulele grosiere pot cauza probleme de ambutisare profundă, acestea sunt uneori recomandate pentru imprimare. Ștanțarea este un proces de deformare în care un semifabricat este comprimat pentru a-i conferi o topografie de suprafață dorită, cum ar fi un sfert din contururile faciale ale lui George Washington. Spre deosebire de trefilare cu sârmă, ștanțarea nu implică de obicei un flux mare de material în vrac, dar necesită multă forță, care poate deforma suprafața semifabricatului.
Din acest motiv, minimizarea stresului de curgere la suprafață prin utilizarea unei structuri cu granule mai grosiere poate ajuta la atenuarea forțelor necesare pentru umplerea corectă a matriței. Acest lucru este valabil mai ales pentru imprimarea cu matriță liberă, unde dislocațiile de pe granulele de suprafață pot curge liber, în loc să se acumuleze la limitele granulelor.
Tendințele discutate aici sunt generalizări care s-ar putea să nu se aplice unor secțiuni specifice. Cu toate acestea, ele au evidențiat beneficiile măsurării și standardizării dimensiunii granulelor materiei prime la proiectarea de piese noi pentru a evita defectele comune și a optimiza parametrii de turnare.
Producătorii de mașini de ștanțare de precizie pentru metal și operațiuni de ambutisare profundă pe metal pentru a forma piesele lor vor colabora bine cu metalurgiștii la relaminatoare de precizie calificate din punct de vedere tehnic, care îi pot ajuta să optimizeze materialele până la nivelul granulelor. Atunci când experții metalurgici și ingineri de ambele părți ale relației sunt integrați într-o singură echipă, acest lucru poate avea un impact transformator și poate produce rezultate mai pozitive.
STAMPING Journal este singura revistă din domeniu dedicată satisfacerii nevoilor pieței de ștanțare a metalelor. Din 1989, publicația acoperă tehnologii de ultimă generație, tendințe din industrie, cele mai bune practici și știri pentru a ajuta profesioniștii din domeniul ștanțării să își gestioneze afacerea mai eficient.
Acum, cu acces complet la ediția digitală a revistei The FABRICATOR, acces facil la resurse valoroase din industrie.
Ediția digitală a revistei The Tube & Pipe Journal este acum complet accesibilă, oferind acces facil la resurse valoroase din industrie.
Bucurați-vă de acces complet la ediția digitală a revistei STAMPING Journal, care oferă cele mai recente progrese tehnologice, cele mai bune practici și știri din industrie pentru piața de ștanțare a metalelor.
Acum, cu acces complet la ediția digitală a revistei The Fabricator en Español, aveți acces facil la resurse valoroase din industrie.