Výhody možno získať získaním prehľadu o jednej vrstve štruktúry zŕn, ktorá riadi mechanické správanie nehrdzavejúcej ocele. Getty Images
Výber nehrdzavejúcej ocele a hliníkových zliatin sa vo všeobecnosti zameriava na pevnosť, ťažnosť, predĺženie a tvrdosť. Tieto vlastnosti naznačujú, ako stavebné bloky kovu reagujú na aplikované zaťaženie. Sú účinným ukazovateľom riadenia obmedzení suroviny, teda toho, do akej miery sa materiál ohne pred zlomením. Surovina musí byť schopná odolať procesu tvarovania bez zlomenia.
Deštruktívne skúšanie ťahom a tvrdosti je spoľahlivá a nákladovo efektívna metóda na určenie mechanických vlastností. Tieto testy však nie sú vždy také spoľahlivé, akonáhle hrúbka suroviny začne obmedzovať veľkosť testovanej vzorky. Skúšanie ťahom plochých kovových výrobkov je samozrejme stále užitočné, ale výhody možno získať hlbším pohľadom na jednu vrstvu štruktúry zrna, ktorá riadi jej mechanické správanie.
Kovy sa skladajú zo série mikroskopických kryštálov nazývaných zrná. Sú náhodne rozmiestnené v celom kove. Atómy legujúcich prvkov, ako je železo, chróm, nikel, mangán, kremík, uhlík, dusík, fosfor a síra v austenitických nehrdzavejúcich oceliach, sú súčasťou jedného zrna. Tieto atómy tvoria pevný roztok kovových iónov, ktoré sú viazané do kryštálovej mriežky prostredníctvom svojich spoločných elektrónov.
Chemické zloženie zliatiny určuje termodynamicky preferované usporiadanie atómov v zrnách, známe ako kryštalická štruktúra. Homogénne časti kovu obsahujúce opakujúcu sa kryštalickú štruktúru tvoria jedno alebo viac zŕn nazývaných fázy. Mechanické vlastnosti zliatiny sú funkciou kryštalickej štruktúry v zliatine. To isté platí pre veľkosť a usporiadanie zŕn každej fázy.
Väčšina ľudí pozná skupenstvo vody. Keď kvapalná voda zamrzne, zmení sa na tuhý ľad. Pokiaľ však ide o kovy, neexistuje len jedna tuhá fáza. Niektoré skupiny zliatin sú pomenované podľa svojich fáz. Medzi nehrdzavejúcimi oceľami pozostávajú austenitické zliatiny série 300 po žíhaní prevažne z austenitu. Zliatiny série 400 však pozostávajú z feritu v nehrdzavejúcej oceli 430 alebo z martenzitu v zliatinách nehrdzavejúcej ocele 410 a 420.
To isté platí pre titánové zliatiny. Názov každej skupiny zliatin označuje ich prevládajúcu fázu pri izbovej teplote – alfa, beta alebo zmes oboch. Existujú zliatiny typu alfa, takmer alfa, alfa-beta, beta a takmer beta.
Keď tekutý kov stuhne, pevné častice termodynamicky preferovanej fázy sa vyzrážajú tam, kde to tlak, teplota a chemické zloženie dovolia. Toto sa zvyčajne deje na rozhraniach, ako sú ľadové kryštály na povrchu teplého rybníka v chladný deň. Keď zrná nukleujú, kryštalická štruktúra rastie jedným smerom, kým sa nestretne s ďalším zrnom. Hranice zŕn sa tvoria na priesečníkoch nezhodných mriežok v dôsledku rôznych orientácií kryštálových štruktúr. Predstavte si, že do krabice vložíte zväzok Rubikových kociek rôznych veľkostí. Každá kocka má štvorcové mriežkové usporiadanie, ale všetky budú usporiadané v rôznych náhodných smeroch. Úplne stuhnutý kovový obrobok pozostáva zo série zdanlivo náhodne orientovaných zŕn.
Pri každej tvorbe zrna existuje možnosť vzniku líniových defektov. Tieto defekty sú chýbajúce časti kryštálovej štruktúry nazývané dislokácie. Tieto dislokácie a ich následný pohyb v zrne a cez hranice zŕn sú základom ťažnosti kovu.
Prierez obrobku sa namontuje, brúsi, leští a leptá, aby sa videla štruktúra zŕn. Keď sú mikroštruktúry rovnomerné a rovnomerne usporiadané, vyzerajú trochu ako skladačka puzzle. V skutočnosti sú zrná trojrozmerné a prierez každého zrna sa bude meniť v závislosti od orientácie prierezu obrobku.
Keď je kryštalická štruktúra vyplnená všetkými svojimi atómami, nezostáva priestor na pohyb okrem naťahovania atómových väzieb.
Keď odstránite polovicu radu atómov, vytvoríte príležitosť pre ďalší rad atómov, aby sa dostal do tejto polohy, čím sa efektívne posunie dislokácia. Keď na obrobok pôsobí sila, agregovaný pohyb dislokácií v mikroštruktúre mu umožňuje ohýbať sa, naťahovať sa alebo stlačovať bez toho, aby sa zlomil alebo prelomil.
Keď na kovovú zliatinu pôsobí sila, systém zvyšuje energiu. Ak sa pridá dostatok energie na vyvolanie plastickej deformácie, mriežka sa deformuje a vytvoria sa nové dislokácie. Zdá sa logické, že by to malo zvýšiť ťažnosť, pretože sa tým uvoľní viac priestoru a tým sa vytvorí potenciál pre väčší pohyb dislokácií. Keď sa však dislokácie zrazia, môžu sa navzájom fixovať.
S rastúcim počtom a koncentráciou dislokácií sa stále viac a viac dislokácií zlepí, čo znižuje ťažnosť. Nakoniec sa objaví toľko dislokácií, že tvárnenie za studena už nie je možné. Keďže existujúce zlepovacie dislokácie sa už nemôžu pohybovať, atómové väzby v mriežke sa naťahujú, až kým sa neroztrhnú alebo nezlomia. Preto kovové zliatiny vytvrdzujú a preto existuje limit pre množstvo plastickej deformácie, ktorú kov znesie predtým, ako sa zlomí.
Zrno tiež hrá dôležitú úlohu pri žíhaní. Žíhanie deformačne spevneného materiálu v podstate obnovuje mikroštruktúru a tým obnovuje ťažnosť. Počas procesu žíhania sa zrná transformujú v troch krokoch:
Predstavte si človeka, ktorý prechádza preplneným vagónom. Dav sa dá vtesnať iba tak, že medzi radmi zostanú medzery, ako napríklad rozmiestnené miesta v mriežke. Ako ľudia za nimi postupovali, vyplnili prázdnotu, ktorú zanechali, a vytvorili nový priestor pred nimi. Keď sa dostanú na druhý koniec vagóna, usporiadanie cestujúcich sa zmení. Ak sa príliš veľa ľudí pokúsi prejsť okolo naraz, cestujúci, ktorí sa snažia uvoľniť miesto pre svoj pohyb, sa do seba zrazia a narazia do stien vagónov, čím všetkých pripútajú na miesto. Čím viac rozmiestnených miest sa objaví, tým ťažšie je pre nich pohybovať sa súčasne.
Je dôležité pochopiť minimálnu úroveň deformácie potrebnú na spustenie rekryštalizácie. Ak však kov nemá pred zahriatím dostatok deformačnej energie, rekryštalizácia nedôjde a zrná budú jednoducho ďalej rásť nad svoju pôvodnú veľkosť.
Mechanické vlastnosti je možné ladiť riadením rastu zŕn. Hranica zŕn je v podstate stena dislokácií. Tie bránia pohybu.
Ak je rast zŕn obmedzený, vytvorí sa väčší počet malých zŕn. Tieto menšie zrná sa z hľadiska štruktúry zŕn považujú za jemnejšie. Viac hraníc zŕn znamená menší dislokačný pohyb a vyššiu pevnosť.
Ak nie je rast zŕn obmedzený, štruktúra zŕn sa stáva hrubšou, zrná sú väčšie, hranice sú menšie a pevnosť je nižšia.
Veľkosť zrna sa často označuje ako bezjednotkové číslo, niekde medzi 5 a 15. Ide o relatívny pomer a súvisí s priemerným priemerom zrna. Čím vyššie číslo, tým jemnejšia je zrnitosť.
Norma ASTM E112 opisuje metódy merania a hodnotenia veľkosti zŕn. Zahŕňa počítanie množstva zŕn v danej oblasti. Toto sa zvyčajne vykonáva vyrezaním prierezu suroviny, jej brúsením a leštením a následným leptaním kyselinou, aby sa odkryli častice. Počítanie sa vykonáva pod mikroskopom a zväčšenie umožňuje primeraný odber vzoriek zŕn. Priradenie čísel veľkosti zŕn podľa ASTM naznačuje primeranú úroveň jednotnosti tvaru a priemeru zŕn. Môže byť dokonca výhodné obmedziť variáciu veľkosti zŕn na dva alebo tri body, aby sa zabezpečil konzistentný výkon v celom obrobku.
V prípade spevňovania podľa ASTM majú pevnosť a ťažnosť inverzný vzťah. Vzťah medzi veľkosťou zŕn podľa ASTM a pevnosťou má tendenciu byť pozitívny a silný, vo všeobecnosti je predĺženie nepriamo úmerné veľkosti zŕn podľa ASTM. Nadmerný rast zŕn však môže spôsobiť, že „mäkké“ materiály už nebudú účinne spevňovať podľa ASTM.
Veľkosť zrna sa často označuje ako bezjednotkové číslo, niekde medzi 5 a 15. Ide o relatívny pomer a súvisí s priemerným priemerom zrna. Čím vyššia je hodnota veľkosti zrna podľa ASTM, tým viac zŕn je na jednotku plochy.
Veľkosť zŕn žíhaného materiálu sa mení v závislosti od času, teploty a rýchlosti ochladzovania. Žíhanie sa zvyčajne vykonáva medzi teplotou rekryštalizácie a bodom topenia zliatiny. Odporúčaný rozsah teplôt žíhania pre austenitickú nehrdzavejúcu oceľovú zliatinu 301 je medzi 1 900 a 2 050 stupňami Fahrenheita. Začne sa topiť okolo 2 550 stupňov Fahrenheita. Naproti tomu komerčne čistý titán triedy 1 by sa mal žíhať pri 1 292 stupňoch Fahrenheita a topiť sa okolo 3 000 stupňov Fahrenheita.
Počas žíhania si procesy regenerácie a rekryštalizácie navzájom konkurujú, až kým rekryštalizované zrná nespotrebujú všetky deformované zrná. Rýchlosť rekryštalizácie sa mení s teplotou. Po dokončení rekryštalizácie preberá úlohu rast zŕn. Obrobok z nehrdzavejúcej ocele 301 žíhaný pri teplote 1 900 °F počas jednej hodiny bude mať jemnejšiu štruktúru zŕn ako rovnaký obrobok žíhaný pri teplote 2 000 °F počas rovnakého času.
Ak sa materiál dostatočne dlho neudržiava v správnom rozsahu žíhania, výsledná štruktúra môže byť kombináciou starých a nových zŕn. Ak sú v celom kove požadované jednotné vlastnosti, proces žíhania by sa mal zamerať na dosiahnutie jednotnej rovnomernej štruktúry zŕn. Jednotná znamená, že všetky zrná majú približne rovnakú veľkosť a rovnomerná znamená, že majú približne rovnaký tvar.
Aby sa dosiahla rovnomerná a rovnomerná mikroštruktúra, každý obrobok by mal byť vystavený rovnakému množstvu tepla počas rovnakého času a mal by sa ochladzovať rovnakou rýchlosťou. Pri dávkovom žíhaní to nie je vždy jednoduché alebo možné, preto je dôležité aspoň počkať, kým sa celý obrobok nasýti na správnu teplotu, a až potom vypočítať čas nábehu. Dlhší čas nábehu a vyššie teploty povedú k hrubšej štruktúre zŕn/mäkšiemu materiálu a naopak.
Ak spolu veľkosť zŕn a pevnosť súvisia a pevnosť je známa, prečo počítať zrná, však? Všetky deštruktívne skúšky majú variabilitu. Skúšky ťahom, najmä pri menších hrúbkach, do značnej miery závisia od prípravy vzorky. Výsledky pevnosti v ťahu, ktoré nepredstavujú skutočné vlastnosti materiálu, môžu predčasne zlyhať.
Ak vlastnosti nie sú v celom obrobku rovnomerné, odobratie vzorky na skúšku ťahom z jednej hrany nemusí odhaliť celý príbeh. Príprava a testovanie vzorky môže byť tiež časovo náročné. Koľko testov je možné vykonať pre daný kov a v koľkých smeroch je to uskutočniteľné? Vyhodnotenie štruktúry zŕn je dodatočnou poistkou proti prekvapeniam.
Anizotropný, izotropný. Anizotropia sa vzťahuje na smerovosť mechanických vlastností. Okrem pevnosti možno anizotropiu lepšie pochopiť skúmaním štruktúry zŕn.
Rovnomerná a rovnomerne usporiadaná štruktúra zŕn by mala byť izotropná, čo znamená, že má rovnaké vlastnosti vo všetkých smeroch. Izotropia je obzvlášť dôležitá pri procesoch hlbokého ťahania, kde je kritická sústrednosť. Keď sa polotovar vtiahne do formy, anizotropný materiál nebude tiecť rovnomerne, čo môže viesť k chybe nazývanej „ušiak“. Ušiak vzniká tam, kde horná časť misky tvorí vlnitú siluetu. Preskúmanie štruktúry zŕn môže odhaliť umiestnenie nehomogenít v obrobku a pomôcť diagnostikovať ich hlavnú príčinu.
Správne žíhanie je rozhodujúce pre dosiahnutie izotropie, ale je tiež dôležité pochopiť rozsah deformácie pred žíhaním. Ako sa materiál plasticky deformuje, zrná sa začínajú deformovať. V prípade valcovania za studena, pri premene hrúbky na dĺžku, sa zrná predlžujú v smere valcovania. So zmenou pomeru strán zŕn sa mení aj izotropia a celkové mechanické vlastnosti. V prípade silne deformovaných obrobkov môže byť určitá orientácia zachovaná aj po žíhaní. To vedie k anizotropii. Pri hlboko ťahaných materiáloch je niekedy potrebné obmedziť množstvo deformácie pred konečným žíhaním, aby sa predišlo opotrebovaniu.
pomarančová kôra. Nahromadenie nie je jedinou chybou hlbokého ťahania spojenou s matricou. Pomarančová kôra vzniká pri ťahaní surovín s príliš hrubými časticami. Každé zrno sa deformuje nezávisle a v závislosti od jeho kryštálovej orientácie. Rozdiel v deformácii medzi susednými zrnami má za následok textúrovaný vzhľad podobný pomarančovej kôre. Textúra je zrnitá štruktúra odhalená na povrchu steny pohára.
Rovnako ako pixely na televíznej obrazovke, s jemnozrnnou štruktúrou bude rozdiel medzi jednotlivými zrnami menej viditeľný, čo efektívne zvýši rozlíšenie. Samotné určenie mechanických vlastností nemusí stačiť na zabezpečenie dostatočne jemnej veľkosti zrna, aby sa zabránilo efektu pomarančovej kôry. Ak je rozmerová odchýlka obrobku menšia ako 10-násobok priemeru zrna, vlastnosti jednotlivých zŕn budú ovplyvňovať správanie tvárnenia. Nedeformuje sa rovnomerne na mnohých zrnách, ale odráža špecifickú veľkosť a orientáciu každého zrna. To je vidieť na efekte pomarančovej kôry na stenách ťahaných pohárov.
Pre veľkosť zrna ASTM 8 je priemerný priemer zrna 885 µin. To znamená, že akýkoľvek úbytok hrúbky o 0,00885 palca alebo menej môže byť ovplyvnený týmto efektom mikrotvarovania.
Hoci hrubé zrná môžu spôsobiť problémy s hlbokým ťahaním, niekedy sa odporúčajú na potlač. Razenie je deformačný proces, pri ktorom sa polotovar stlačí, aby sa dosiahla požadovaná povrchová topografia, napríklad štvrtina kontúr tváre Georgea Washingtona. Na rozdiel od ťahania drôtu razenie zvyčajne nezahŕňa veľký tok sypkého materiálu, ale vyžaduje si veľkú silu, ktorá môže len deformovať povrch polotovaru.
Z tohto dôvodu môže minimalizácia povrchového napätia pri tečení použitím hrubšej štruktúry zŕn pomôcť zmierniť sily potrebné na správne plnenie formy. Platí to najmä pre voľnú tlač, kde dislokácie na povrchových zrnách môžu voľne prúdiť, namiesto toho, aby sa hromadili na hraniciach zŕn.
Trendy, o ktorých sa tu diskutuje, sú zovšeobecnenia, ktoré sa nemusia vzťahovať na konkrétne časti. Zdôraznili však výhody merania a štandardizácie veľkosti zŕn surového materiálu pri navrhovaní nových dielov, aby sa predišlo bežným chybám a optimalizovali parametre formovania.
Výrobcovia presných lisovacích strojov na kov a hlbokoťahacích strojov na kov budú dobre spolupracovať s metalurgmi na technicky kvalifikovaných presných valcovacích strojoch, ktorí im môžu pomôcť optimalizovať materiály až na úroveň zrna. Keď sú metalurgickí a inžinieri na oboch stranách vzťahu integrovaní do jedného tímu, môže to mať transformačný vplyv a priniesť pozitívnejšie výsledky.
Časopis STAMPING je jediný priemyselný časopis venovaný potrebám trhu s lisovaním kovov. Od roku 1989 publikácia pokrýva najmodernejšie technológie, trendy v odvetví, osvedčené postupy a novinky, ktoré pomáhajú profesionálom v oblasti lisovania efektívnejšie riadiť ich podnikanie.
Teraz s plným prístupom k digitálnej edícii časopisu The FABRICATOR máte jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Digitálne vydanie časopisu The Tube & Pipe Journal je teraz plne dostupné a poskytuje jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Využite plný prístup k digitálnemu vydaniu časopisu STAMPING Journal, ktorý poskytuje najnovšie technologické pokroky, osvedčené postupy a novinky z odvetvia pre trh s lisovaním kovov.
Teraz s plným prístupom k digitálnemu vydaniu časopisu The Fabricator en Español máte jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.