Преимущества могут быть получены путем получения информации об одном слое структуры зерна, который контролирует механическое поведение нержавеющей стали.Getty Images
Выбор нержавеющей стали и алюминиевых сплавов обычно основывается на прочности, пластичности, удлинении и твердости. Эти свойства показывают, как строительные блоки металла реагируют на приложенные нагрузки. Они являются эффективным индикатором управления ограничениями сырья, то есть насколько сильно оно может согнуться перед тем, как сломаться. Сырье должно выдерживать процесс формования, не ломаясь.
Разрушающие испытания на растяжение и твердость являются надежным и экономически эффективным методом определения механических свойств. Однако эти испытания не всегда надежны, когда толщина исходного материала начинает ограничивать размер испытуемого образца. Испытания на растяжение плоских металлических изделий, конечно, по-прежнему полезны, но можно получить преимущества, более глубоко изучив один слой зернистой структуры, который контролирует ее механическое поведение.
Металлы состоят из ряда микроскопических кристаллов, называемых зернами. Они хаотично распределены по всему металлу. Атомы легирующих элементов, таких как железо, хром, никель, марганец, кремний, углерод, азот, фосфор и сера в аустенитных нержавеющих сталях, являются частью одного зерна. Эти атомы образуют твердый раствор ионов металла, которые связаны в кристаллической решетке посредством их общих электронов.
Химический состав сплава определяет термодинамически предпочтительное расположение атомов в зернах, известное как кристаллическая структура. Однородные части металла, содержащие повторяющуюся кристаллическую структуру, образуют одно или несколько зерен, называемых фазами. Механические свойства сплава являются функцией кристаллической структуры в сплаве. То же самое касается размера и расположения зерен каждой фазы.
Большинство людей знакомы с фазами воды. Когда жидкая вода замерзает, она становится твердым льдом. Однако, когда дело касается металлов, существует не только одна твердая фаза. Некоторые семейства сплавов названы в честь своих фаз. Среди нержавеющих сталей аустенитные сплавы серии 300 состоят в основном из аустенита после отжига. Однако сплавы серии 400 состоят из феррита в нержавеющей стали 430 или мартенсита в сплавах нержавеющей стали 410 и 420.
То же самое касается титановых сплавов. Название каждой группы сплавов указывает на их преобладающую фазу при комнатной температуре — альфа, бета или смесь обеих. Существуют альфа-, почти-альфа-, альфа-бета-, бета- и почти-бета-сплавы.
Когда жидкий металл затвердевает, твердые частицы термодинамически предпочтительной фазы будут выпадать в осадок там, где это позволяют давление, температура и химический состав. Обычно это происходит на границах раздела, как кристаллы льда на поверхности теплого пруда в холодный день. Когда зерна зарождаются, кристаллическая структура растет в одном направлении, пока не встретится другое зерно. Границы зерен образуются на пересечениях несовпадающих решеток из-за различной ориентации кристаллических структур. Представьте себе, что вы кладете кучу кубиков Рубика разных размеров в коробку. Каждый кубик имеет квадратную сетку, но все они будут расположены в разных случайных направлениях. Полностью затвердевшая металлическая заготовка состоит из ряда, казалось бы, хаотично ориентированных зерен.
При формировании зерна всегда существует вероятность появления линейных дефектов. Эти дефекты представляют собой отсутствующие части кристаллической структуры, называемые дислокациями. Эти дислокации и их последующее перемещение по зерну и через границы зерен имеют основополагающее значение для пластичности металла.
Поперечное сечение заготовки монтируется, шлифуется, полируется и протравливается для просмотра структуры зерна. Если микроструктуры однородны и равноосны, они, наблюдаемые в оптический микроскоп, немного напоминают пазл. В действительности зерна трехмерны, и поперечное сечение каждого зерна будет меняться в зависимости от ориентации поперечного сечения заготовки.
Когда кристаллическая структура заполнена всеми атомами, не остается места для движения, кроме растяжения атомных связей.
Когда вы удаляете половину ряда атомов, вы создаете возможность для другого ряда атомов занять это положение, эффективно перемещая дислокацию. Когда к заготовке прикладывается сила, совокупное движение дислокаций в микроструктуре позволяет ей изгибаться, растягиваться или сжиматься без разрушения или поломки.
Когда сила действует на металлический сплав, система увеличивает энергию. Если добавляется достаточно энергии, чтобы вызвать пластическую деформацию, решетка деформируется и образуются новые дислокации. Кажется логичным, что это должно увеличить пластичность, поскольку освобождает больше пространства и, таким образом, создает потенциал для большего движения дислокаций. Однако, когда дислокации сталкиваются, они могут фиксировать друг друга.
По мере увеличения количества и концентрации дислокаций все больше и больше дислокаций закрепляются вместе, что снижает пластичность. В конце концов, появляется так много дислокаций, что холодная формовка становится невозможной. Поскольку существующие закрепляющие дислокации больше не могут двигаться, атомные связи в решетке растягиваются до тех пор, пока не разорвутся или не сломаются. Вот почему металлические сплавы упрочняются и почему существует предел величины пластической деформации, которую металл может выдержать перед разрушением.
Зерно также играет важную роль в отжиге. Отжиг упрочненного материала по сути восстанавливает микроструктуру и, таким образом, пластичность. В процессе отжига зерна трансформируются в три этапа:
Представьте себе человека, идущего по переполненному вагону поезда. Толпу можно протиснуть, только оставляя промежутки между рядами, как смещения в решетке. По мере продвижения люди позади них заполняли образовавшуюся пустоту, в то время как они создавали новое пространство впереди. Как только они достигают другого конца вагона, расположение пассажиров меняется. Если слишком много людей попытаются пройти одновременно, пассажиры, пытающиеся освободить место для их движения, будут сталкиваться друг с другом и ударяться о стенки вагонов поезда, прижимая всех к месту. Чем больше появляется смещений, тем сложнее им двигаться одновременно.
Важно понимать минимальный уровень деформации, необходимый для запуска рекристаллизации. Однако, если металл не обладает достаточной энергией деформации перед нагревом, рекристаллизация не произойдет, и зерна просто продолжат расти сверх своего первоначального размера.
Механические свойства можно настраивать, контролируя рост зерен. Граница зерен по сути представляет собой стенку дислокаций. Они препятствуют движению.
Если рост зерен ограничен, будет образовываться большее количество мелких зерен. Эти более мелкие зерна считаются более мелкими с точки зрения зеренной структуры. Большее количество границ зерен означает меньшее движение дислокаций и более высокую прочность.
Если рост зерен не ограничен, то структура зерен становится грубее, зерна крупнее, границы меньше, а прочность ниже.
Размер зерна часто называют безразмерным числом, находящимся где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше число, тем мельче зернистость.
ASTM E112 описывает методы измерения и оценки размера зерна. Он включает в себя подсчет количества зерна в заданной области. Обычно это делается путем разрезания поперечного сечения сырья, его шлифовки и полировки, а затем травления кислотой для обнажения частиц. Подсчет выполняется под микроскопом, а увеличение позволяет отобрать адекватную выборку зерен. Присвоение номеров размера зерна ASTM указывает на разумный уровень однородности формы и диаметра зерна. Может быть даже выгодно ограничить изменение размера зерна двумя или тремя точками, чтобы обеспечить постоянную производительность по всей заготовке.
В случае упрочнения прочность и пластичность находятся в обратной зависимости. Связь между размером зерна по ASTM и прочностью, как правило, положительная и сильная; удлинение, как правило, обратно пропорционально размеру зерна по ASTM. Однако чрезмерный рост зерна может привести к тому, что «смертельно мягкие» материалы больше не будут эффективно упрочняться.
Размер зерна часто называют безразмерным числом, находящимся где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше значение размера зерна по ASTM, тем больше зерен на единицу площади.
Размер зерна отожженного материала меняется в зависимости от времени, температуры и скорости охлаждения. Отжиг обычно выполняется в диапазоне от температуры рекристаллизации до температуры плавления сплава. Рекомендуемый диапазон температур отжига для аустенитного сплава нержавеющей стали 301 составляет от 1900 до 2050 градусов по Фаренгейту. Он начнет плавиться при температуре около 2550 градусов по Фаренгейту. Напротив, коммерчески чистый титан марки 1 следует отжигать при температуре 1292 градуса по Фаренгейту и плавить при температуре около 3000 градусов по Фаренгейту.
Во время отжига процессы восстановления и рекристаллизации конкурируют друг с другом до тех пор, пока рекристаллизованные зерна не поглотят все деформированные зерна. Скорость рекристаллизации зависит от температуры. После завершения рекристаллизации начинается рост зерен. Заготовка из нержавеющей стали 301, отожженная при температуре 1900 °F в течение одного часа, будет иметь более мелкую зернистую структуру, чем та же заготовка, отожженная при температуре 2000 °F в течение того же времени.
Если материал не выдерживается в нужном диапазоне отжига достаточно долго, результирующая структура может представлять собой комбинацию старых и новых зерен. Если требуются однородные свойства по всему металлу, процесс отжига должен быть направлен на достижение однородной равноосной зеренной структуры. Однородность означает, что все зерна имеют приблизительно одинаковый размер, а равноосность означает, что они имеют приблизительно одинаковую форму.
Для получения однородной и равноосной микроструктуры каждая заготовка должна подвергаться воздействию одинакового количества тепла в течение одинакового периода времени и охлаждаться с одинаковой скоростью. Это не всегда легко или возможно при пакетном отжиге, поэтому важно, по крайней мере, дождаться, пока вся заготовка пропитается при нужной температуре, прежде чем рассчитывать время выдержки. Более длительное время выдержки и более высокие температуры приведут к получению более грубозернистой структуры/более мягкого материала и наоборот.
Если размер зерна и прочность связаны, а прочность известна, зачем рассчитывать зерна, верно? Все разрушающие испытания имеют изменчивость. Испытания на растяжение, особенно при меньшей толщине, во многом зависят от подготовки образцов. Результаты прочности на растяжение, не отражающие фактические свойства материала, могут привести к преждевременному разрушению.
Если свойства неравномерны по всей заготовке, взятие образца или пробы для испытания на растяжение с одного края может не дать полной картины. Подготовка и испытания образцов также могут занять много времени. Сколько испытаний возможно провести для данного металла и в скольких направлениях это осуществимо? Оценка структуры зерна — это дополнительная страховка от неожиданностей.
Анизотропный, изотропный. Анизотропия относится к направленности механических свойств. Помимо прочности, анизотропию можно лучше понять, изучив структуру зерен.
Однородная и равноосная структура зерна должна быть изотропной, то есть иметь одинаковые свойства во всех направлениях. Изотропия особенно важна в процессах глубокой вытяжки, где концентричность имеет решающее значение. Когда заготовка втягивается в форму, анизотропный материал не будет течь равномерно, что может привести к дефекту, называемому «колосообразование». «Колосообразование» возникает там, где верхняя часть чашки образует волнистый силуэт. Исследование структуры зерна может выявить местоположение неоднородностей в заготовке и помочь диагностировать первопричину.
Правильный отжиг имеет решающее значение для достижения изотропии, но также важно понимать степень деформации перед отжигом. По мере пластической деформации материала зерна начинают деформироваться. В случае холодной прокатки, при преобразовании толщины в длину, зерна будут удлиняться в направлении прокатки. По мере изменения соотношения сторон зерна изменяются изотропность и общие механические свойства. В случае сильно деформированных заготовок некоторая ориентация может сохраняться даже после отжига. Это приводит к анизотропии. Для материалов глубокой вытяжки иногда необходимо ограничить величину деформации перед окончательным отжигом, чтобы избежать износа.
Апельсиновая корка. Задиры — не единственный дефект глубокой вытяжки, связанный с матрицей. Апельсиновая корка возникает при вытяжке сырья со слишком крупными частицами. Каждое зерно деформируется независимо и в зависимости от ориентации его кристаллов. Разница в деформации между соседними зернами приводит к текстурированному виду, похожему на апельсиновую корку. Текстура — это зернистая структура, проявляющаяся на поверхности стенки чашки.
Подобно пикселям на экране телевизора, при мелкозернистой структуре разница между каждым зерном будет менее заметна, что эффективно увеличивает разрешение. Указания только механических свойств может быть недостаточно для обеспечения достаточно мелкого размера зерна для предотвращения эффекта апельсиновой корки. Когда размерное отклонение заготовки составляет менее 10 диаметров зерна, свойства отдельных зерен будут определять поведение формовки. Оно не деформируется одинаково по многим зернам, а отражает конкретный размер и ориентацию каждого зерна. Это можно увидеть по эффекту апельсиновой корки на стенках вытянутых чашек.
Для размера зерна ASTM 8 средний диаметр зерна составляет 885 микродюймов. Это означает, что любое уменьшение толщины на 0,00885 дюйма или менее может быть затронуто этим эффектом микроформования.
Хотя крупнозернистые материалы могут вызывать проблемы при глубокой вытяжке, их иногда рекомендуют для оттиска. Штамповка — это процесс деформации, при котором заготовка сжимается для придания ей желаемого рельефа поверхности, например, четверти контуров лица Джорджа Вашингтона. В отличие от волочения проволоки, штамповка обычно не предполагает большого расхода объемного материала, но требует большого усилия, которое может просто деформировать поверхность заготовки.
По этой причине минимизация поверхностного напряжения течения за счет использования более грубой зернистой структуры может помочь уменьшить усилия, необходимые для надлежащего заполнения формы. Это особенно актуально для свободного штампования, когда дислокации на поверхностных зернах могут свободно перемещаться, а не накапливаться на границах зерен.
Обсуждаемые здесь тенденции представляют собой обобщения, которые могут не применяться к конкретным разделам. Тем не менее, они подчеркивают преимущества измерения и стандартизации размера зерна сырья при проектировании новых деталей для предотвращения распространенных дефектов и оптимизации параметров формования.
Производители прецизионных штамповочных машин для металла и оборудования для глубокой вытяжки металла для формирования своих деталей будут успешно сотрудничать с металлургами, имеющими техническую квалификацию на прецизионных перекатных станках, которые могут помочь им оптимизировать материалы вплоть до уровня зерна. Когда специалисты по металлургии и инжинирингу с обеих сторон взаимоотношений объединяются в одну команду, это может оказать преобразующее воздействие и дать более положительные результаты.
Журнал STAMPING — единственный отраслевой журнал, посвященный удовлетворению потребностей рынка штамповки металлов. С 1989 года издание освещает передовые технологии, тенденции отрасли, передовой опыт и новости, помогая профессионалам в области штамповки более эффективно вести свой бизнес.
Теперь с полным доступом к цифровой версии The FABRICATOR вы можете легко получить доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Электронная версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Воспользуйтесь полным доступом к цифровому изданию журнала STAMPING, в котором представлены новейшие технологические достижения, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Теперь с полным доступом к цифровой версии The Fabricator на испанском языке вы получите легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.