Получение информации об одном из слоев зернистой структуры, определяющем механические свойства нержавеющей стали, может принести определенные преимущества. (Getty Images)
Выбор нержавеющей стали и алюминиевых сплавов обычно основывается на таких параметрах, как прочность, пластичность, удлинение и твердость. Эти свойства показывают, как основные компоненты металла реагируют на приложенные нагрузки. Они являются эффективным индикатором управления ограничениями, связанными с сырьем, то есть, насколько оно может деформироваться до разрушения. Сырье должно выдерживать процесс формования без разрушения.
Разрушающие испытания на растяжение и твердость — это надежный и экономически эффективный метод определения механических свойств. Однако эти испытания не всегда столь надежны, как только толщина исходного материала начинает ограничивать размер образца для испытаний. Испытания на растяжение плоских металлических изделий, конечно, по-прежнему полезны, но можно получить дополнительные преимущества, более глубоко изучив один слой зернистой структуры, который контролирует его механические свойства.
Металлы состоят из ряда микроскопических кристаллов, называемых зернами. Они случайным образом 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 кристаллическую решетку посредством общих электронов.
Химический состав сплава определяет термодинамически предпочтительное расположение атомов в зернах, известное как кристаллическая структура. Однородные участки металла, содержащие повторяющуюся кристаллическую структуру, образуют одно или несколько зерен, называемых фазами. Механические свойства сплава зависят от кристаллической структуры сплава. То же самое относится к размеру и расположению зерен каждой фазы.
Большинство людей знакомы с фазами воды. Когда жидкая вода замерзает, она превращается в твердый лед. Однако, когда речь идет о металлах, существует не одна твердая фаза. Некоторые семейства сплавов названы в честь своих фаз. Среди нержавеющих сталей аустенитные сплавы серии 300 состоят преимущественно из аустенита после отжига. Однако сплавы серии 400 состоят из феррита в нержавеющей стали 430 или мартенсита в нержавеющих сталях 410 и 420.
То же самое относится и к титановым сплавам. Название каждой группы сплавов указывает на преобладающую фазу при комнатной температуре – альфа, бета или смесь обеих. Существуют альфа-, близкие к альфа-фазе, альфа-бета, бета и близкие к бета-фазе сплавы.
Когда жидкий металл затвердевает, твердые частицы термодинамически предпочтительной фазы выпадают в осадок там, где это позволяют давление, температура и химический состав. Обычно это происходит на границах раздела фаз, подобно кристаллам льда на поверхности теплого пруда в холодный день. При зарождении зерен кристаллическая структура растет в одном направлении до тех пор, пока не встретится другое зерно. Границы зерен образуются на пересечениях несовпадающих решеток из-за различной ориентации кристаллических структур. Представьте, что вы поместили в коробку множество кубиков Рубика разных размеров. Каждый кубик имеет квадратную сетку, но все они будут расположены в разных случайных направлениях. Полностью затвердевшая металлическая заготовка состоит из ряда, казалось бы, случайно ориентированных зерен.
При образовании любого зерна 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 фундаментальное значение для пластичности металла.
Для изучения зернистой структуры заготовки ее закрепляют, шлифуют, полируют и травят. Когда зерна однородны и равноосны, микроструктуры, наблюдаемые под оптическим микроскопом, немного напоминают пазл. В действительности же зерна трехмерны, и поперечное сечение каждого зерна будет варьироваться в зависимости от ориентации поперечного сечения заготовки.
Когда кристаллическая структура заполнена всеми своими атомами, для движения атомов остается только растяжение атомных связей.
При удалении половины ряда атомов создается возможность для другого ряда атомов занять это место, фактически перемещая дислокацию. Когда к заготовке прикладывается сила, совокупное движение дислокаций в микроструктуре позволяет ей изгибаться, растягиваться или сжиматься без разрушения.
Когда на металлический сплав действует сила, система увеличивает свою энергию. Если добавить достаточно энергии, чтобы вызвать пластическую деформацию, кристаллическая решетка деформируется и образуются новые дислокации. Кажется логичным, что это должно увеличить пластичность, поскольку освобождается больше пространства и, следовательно, создается потенциал для большего движения дислокаций. Однако при столкновении дислокации могут фиксировать друг друга.
По мере увеличения числа и концентрации дислокаций все больше и больше дислокаций закрепляются друг на друге, снижая пластичность. В конце концов, появляется так много дислокаций, что холодная формовка становится невозможной. Поскольку существующие закрепляющие дислокации больше не могут двигаться, атомные связи в кристаллической решетке растягиваются до тех пор, пока не разорвутся. Именно поэтому металлические сплавы упрочняются при деформации, и именно поэтому существует предел пластической деформации, которую металл может выдержать до разрушения.
Зерно также играет важную роль в процессе отжига. Отжиг упрочненного материала, по сути, восстанавливает микроструктуру и, таким образом, возвращает пластичность. В процессе отжига зерна преобразуются в три этапа:
Представьте себе человека, идущего по переполненному вагону поезда. Толпу можно протиснуть только через промежутки между рядами, подобно разрывам в решетке. По мере продвижения люди позади него заполняли образовавшуюся пустоту, а впереди создавалось новое пространство. Достигнув другого конца вагона, расположение пассажиров меняется. Если слишком много людей попытаются пройти одновременно, пассажиры, пытающиеся освободить место для их движения, столкнутся друг с другом и ударятся о стенки вагонов, прижав всех к месту. Чем больше разрывов, тем сложнее им двигаться одновременно.
Важно понимать минимальный уровень деформации, необходимый для запуска рекристаллизации. Однако, если металл не обладает достаточной энергией деформации до нагрева, рекристаллизация не произойдет, и зерна просто продолжат расти, превышая свой первоначальный размер.
Механические свойства можно регулировать, контролируя рост зерен. Граница зерна представляет собой, по сути, стенку из дислокаций. Они препятствуют движению.
Если рост зерен ограничен, образуется больше мелких зерен. Эти мелкие зерна считаются более мелкозернистыми с точки зрения структуры. Большее количество границ зерен означает меньшее движение дислокаций и более высокую прочность.
Если рост зерен не ограничен, структура зерен становится более грубой, сами зерна — крупнее, границ зерен — меньше, а прочность — ниже.
Размер зерна часто выражается безразмерным числом, находящимся где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше число, тем мельче зернистость.
Стандарт ASTM E112 описывает методы измерения и оценки размера зерна. Он включает подсчет количества зерен на заданной площади. Обычно это делается путем разрезания поперечного сечения исходного материала, его шлифовки и полировки, а затем травления кислотой для обнажения частиц. Подсчет проводится под микроскопом, и увеличение позволяет адекватно отбирать образцы зерен. Присвоение размеров зерна по стандарту ASTM указывает на разумный уровень однородности формы и диаметра зерен. Может быть даже выгодно ограничить вариации размера зерна двумя или тремя точками, чтобы обеспечить стабильную работу по всей заготовке.
В случае упрочнения при деформации прочность и пластичность имеют обратную зависимость. Зависимость между размером зерна по стандарту ASTM и прочностью, как правило, положительная и сильная; удлинение обычно обратно пропорционально размеру зерна по стандарту ASTM. Однако чрезмерный рост зерен может привести к тому, что «очень мягкие» материалы перестанут эффективно упрочняться при деформации.
Размер зерна часто выражается безразмерным числом, находящимся где-то между 5 и 15. Это относительное соотношение, связанное со средним диаметром зерна. Чем выше значение размера зерна по стандарту ASTM, тем больше зерен на единицу площади.
Размер зерна отожженного материала изменяется со временем, температурой и скоростью охлаждения. Отжиг обычно проводится между температурой рекристаллизации и температурой плавления сплава. Рекомендуемый диапазон температур отжига для аустенитной нержавеющей стали марки 301 составляет от 1900 до 2050 градусов по Фаренгейту. Плавление начинается примерно при 2550 градусах по Фаренгейту. В отличие от этого, коммерчески чистый титан марки 1 следует отжигать при 1292 градусах по Фаренгейту, а плавление происходит примерно при 3000 градусах по Фаренгейту.
В процессе отжига процессы восстановления и рекристаллизации конкурируют друг с другом до тех пор, пока рекристаллизованные зерна не поглотят все деформированные зерна. Скорость рекристаллизации изменяется в зависимости 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 надлежащем диапазоне отжига достаточно долго, получающаяся структура может представлять собой комбинацию старых и новых зерен. Если желательны однородные свойства по всему металлу, процесс отжига должен быть направлен на достижение однородной равноосной зернистой структуры. Однородная структура означает, что все зерна имеют приблизительно одинаковый размер, а равноосная — что они имеют приблизительно одинаковую форму.
Для получения однородной и равноосной микроструктуры каждый образец должен подвергаться одинаковому нагреву в течение одинакового времени и охлаждаться с одинаковой скоростью. Это не всегда легко или возможно при пакетном отжиге, поэтому важно, по крайней мере, дождаться, пока весь образец не будет насыщен необходимой температурой, прежде чем рассчитывать время выдержки. Более длительное время выдержки и более высокие температуры приведут к более крупнозернистой структуре/более мягкому материалу и наоборот.
Если размер зерна и прочность взаимосвязаны, и прочность известна, зачем тогда рассчитывать размер зерна, верно? Все разрушающие испытания имеют изменчивость. Испытания на растяжение, особенно при малой толщине, в значительной степени зависят от подготовки образца. Результаты испытаний на прочность при растяжении, которые не отражают фактические свойства материала, могут привести к преждевременному разрушению.
Если свойства материала неоднородны по всей заготовке, взятие образца для испытания на растяжение с одного края может не дать полной картины. Подготовка образцов и их тестирование также могут быть трудоемкими. Сколько испытаний возможно для данного металла и в скольких направлениях это осуществимо? Оценка структуры зерна является дополнительной гарантией от неожиданностей.
Анизотропный, изотропный. Анизотропия относится к направленности механических свойств. Помимо прочности, анизотропию можно лучше понять, изучив структуру зерен.
Однородная и равноосная зернистая структура должна быть изотропной, то есть обладать одинаковыми свойствами во всех направлениях. Изотропия особенно важна в процессах глубокой вытяжки, где концентричность имеет решающее значение. Когда заготовка вытягивается в форму, анизотропный материал не будет течь равномерно, что может привести к дефекту, называемому «ушком». «Шурок» образуется там, где верхняя часть чашки образует волнистый силуэт. Изучение зернистой структуры может выявить места неоднородностей в заготовке и помочь диагностировать первопричину.
Правильный отжиг имеет решающее значение для достижения изотропии, но также важно понимать степень деформации до отжига. По мере пластической деформации материала начинают деформироваться зерна. В случае холодной прокатки, при преобразовании толщины в длину, зерна будут удлиняться в направлении прокатки. По мере изменения соотношения сторон зерен изменяется и изотропия, и общие механические свойства. В случае сильно деформированных заготовок некоторая ориентация может сохраняться даже после отжига. Это приводит к анизотропии. Для материалов, подвергнутых глубокой вытяжке, иногда необходимо ограничить степень деформации перед окончательным отжигом, чтобы избежать износа.
«Апельсиновая корка». Захват — 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, с мелкозернистой структурой разница между каждым зерном будет менее заметна, что эффективно повысит разрешение. Одного лишь задания механических свойств может быть недостаточно для обеспечения достаточно мелкого размера зерна, чтобы предотвратить эффект «апельсиновой корки». Когда изменение размеров заготовки меньше, чем в 10 раз превышает диаметр зерна, свойства отдельных зерен будут определять поведение при формовании. Деформация происходит не равномерно по многим зернам, а отражает специфический размер и ориентацию каждого зерна. Это можно увидеть на примере эффекта «апельсиновой корки» на стенках вытянутых чашек.
Для размера зерна по стандарту ASTM 8 средний диаметр зерна составляет 885 мкм. Это означает, что любое уменьшение толщины на 0,00885 дюйма или менее может быть вызвано этим эффектом микроформования.
Хотя крупнозернистая структура может вызывать проблемы при глубокой вытяжке, иногда её рекомендуют использовать для нанесения оттисков. Штамповка — это процесс деформации, при котором заготовка сжимается для придания ей желаемой топографии поверхности, например, четверти контуров лица Джорджа Вашингтона. В отличие от волочения проволоки, штамповка обычно не предполагает большого потока материала, но требует значительной силы, которая может просто деформировать поверхность заготовки.
По этой причине минимизация поверхностного напряжения текучести за счет использования более крупнозернистой структуры может помочь снизить усилия, необходимые для надлежащего заполнения формы. Это особенно актуально для свободной штамповки, где дислокации на поверхности зерен могут свободно перемещаться, а не накапливаться на границах зерен.
Обсуждаемые здесь тенденции носят общий характер и могут не относиться к конкретным разделам. Однако они подчеркнули преимущества измерения и стандартизации размера зерна сырья при проектировании новых деталей для предотвращения распространенных дефектов и оптимизации параметров формования.
Производители прецизионных станков для штамповки металла и оборудования для глубокой вытяжки металла для придания формы своим деталям будут эффективно сотрудничать с металлургами, специализирующимися на высокоточных прокатных станах, которые могут помочь им оптимизировать материалы вплоть до уровня зерна. Когда эксперты в области металлургии и инженерии с обеих сторон объединяются в одну команду, это может оказать преобразующее воздействие и привести к более позитивным результатам.
Журнал STAMPING — единственное отраслевое издание, посвященное потребностям рынка штамповки металла. С 1989 года издание освещает передовые технологии, отраслевые тенденции, лучшие практики и новости, помогая специалистам по штамповке более эффективно вести свой бизнес.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The FABRICATOR, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровая версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный доступ к цифровой версии журнала STAMPING Journal, в котором представлены последние технологические достижения, лучшие практики и новости отрасли для рынка штамповки металла.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The Fabricator en Español, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.