Prednosti je mogoče pridobiti z vpogledom v eno plast zrnate strukture, ki nadzoruje mehansko obnašanje nerjavečega jekla. Getty Images
Izbira nerjavečega jekla in aluminijevih zlitin se običajno osredotoča na trdnost, duktilnost, raztezek in trdoto. Te lastnosti kažejo, kako se gradniki kovine odzivajo na uporabljene obremenitve. So učinkovit kazalnik obvladovanja omejitev surovine, torej koliko se bo upognila, preden se zlomi. Surovina mora biti sposobna prenesti postopek oblikovanja, ne da bi se zlomila.
Destruktivno preizkušanje natezne trdnosti in trdote je zanesljiva in stroškovno učinkovita metoda za določanje mehanskih lastnosti. Vendar pa ti preizkusi niso vedno tako zanesljivi, ko debelina surovine začne omejevati velikost preizkušanega vzorca. Natezno preizkušanje ploščatih kovinskih izdelkov je seveda še vedno uporabno, vendar je mogoče prednosti doseči s poglobljenim pregledom ene plasti zrnate strukture, ki nadzoruje njeno mehansko obnašanje.
Kovine so sestavljene iz vrste mikroskopskih kristalov, imenovanih zrna. Naključno so razporejeni po kovini. Atomi legirnih elementov, kot so železo, krom, nikelj, mangan, silicij, ogljik, dušik, fosfor in žveplo v avstenitnih nerjavnih jeklih, so del enega samega zrna. Ti atomi tvorijo trdno raztopino kovinskih ionov, ki so vezani v kristalno mrežo prek skupnih elektronov.
Kemična sestava zlitine določa termodinamično prednostno razporeditev atomov v zrnih, znano kot kristalna struktura. Homogeni deli kovine, ki vsebujejo ponavljajočo se kristalno strukturo, tvorijo eno ali več zrn, imenovanih faze. Mehanske lastnosti zlitine so odvisne od kristalne strukture v zlitini. Enako velja za velikost in razporeditev zrn vsake faze.
Večina ljudi pozna faze vode. Ko tekoča voda zamrzne, postane trden led. Vendar pa pri kovinah ni samo ene trdne faze. Nekatere družine zlitin so poimenovane po svojih fazah. Med nerjavnimi jekli so avstenitne zlitine serije 300 po žarjenju sestavljene predvsem iz avstenita. Vendar pa so zlitine serije 400 sestavljene iz ferita v nerjavnem jeklu 430 ali martenzita v zlitinah nerjavnega jekla 410 in 420.
Enako velja za titanove zlitine. Ime vsake skupine zlitin označuje njihovo prevladujočo fazo pri sobni temperaturi – alfa, beta ali mešanico obeh. Obstajajo alfa, skoraj alfa, alfa-beta, beta in skoraj beta zlitine.
Ko se tekoča kovina strdi, se trdni delci termodinamično prednostne faze oborijo tam, kjer to dopuščajo tlak, temperatura in kemična sestava. To se običajno zgodi na vmesnikih, kot so ledeni kristali na površini toplega ribnika na hladen dan. Ko se zrna nukleirajo, kristalna struktura raste v eno smer, dokler ne naleti na drugo zrno. Meje zrn nastanejo na presečiščih neusklajenih mrež zaradi različnih orientacij kristalnih struktur. Predstavljajte si, da v škatlo postavite kup Rubikovih kock različnih velikosti. Vsaka kocka ima kvadratno mrežo, vendar bodo vse razporejene v različnih naključnih smereh. Popolnoma strjen kovinski obdelovanec je sestavljen iz vrste na videz naključno usmerjenih zrn.
Vsakič, ko se zrno oblikuje, obstaja možnost linijskih napak. Te napake so manjkajoči deli kristalne strukture, imenovani dislokacije. Te dislokacije in njihovo nadaljnje gibanje po zrnu in čez meje zrn so bistvenega pomena za duktilnost kovine.
Prečni prerez obdelovanca se namesti, zbrusi, polira in jedka, da se vidi struktura zrn. Ko so mikrostrukture enakomerne in enakoosne, so videti kot sestavljanka. V resnici so zrna tridimenzionalna, prečni prerez vsakega zrna pa se spreminja glede na orientacijo prečnega prereza obdelovanca.
Ko je kristalna struktura napolnjena z vsemi atomi, ni prostora za gibanje, razen raztezanja atomskih vezi.
Ko odstranite polovico vrste atomov, ustvarite priložnost, da druga vrsta atomov zdrsne v ta položaj in učinkovito premakne dislokacijo. Ko na obdelovanec deluje sila, združeno gibanje dislokacij v mikrostrukturi omogoči, da se upogne, raztegne ali stisne, ne da bi se zlomil ali pretrgal.
Ko na kovinsko zlitino deluje sila, sistem poveča energijo. Če se doda dovolj energije, da povzroči plastično deformacijo, se mreža deformira in nastanejo nove dislokacije. Zdi se logično, da bi to moralo povečati duktilnost, saj sprosti več prostora in s tem ustvari potencial za večje gibanje dislokacij. Ko pa dislokacije trčijo, se lahko med seboj popravijo.
Ko se število in koncentracija dislokacij povečuje, se vedno več dislokacij stisnjenih skupaj, kar zmanjšuje duktilnost. Sčasoma se pojavi toliko dislokacij, da hladno oblikovanje ni več mogoče. Ker se obstoječe stisnjene dislokacije ne morejo več premikati, se atomske vezi v rešetki raztezajo, dokler se ne zlomijo ali pretrgajo. Zato se kovinske zlitine utrjujejo in zato obstaja omejitev količine plastične deformacije, ki jo kovina lahko prenese, preden se zlomi.
Zrna igrajo pomembno vlogo tudi pri žarjenju. Žarjenje utrjenega materiala v bistvu ponastavi mikrostrukturo in s tem obnovi duktilnost. Med postopkom žarjenja se zrna preoblikujejo v treh korakih:
Predstavljajte si osebo, ki hodi skozi natrpan vagon. Množice je mogoče stisniti le tako, da med vrstami puščamo vrzeli, kot bi bile premike v rešetki. Med potjo so ljudje za njimi zapolnili praznino, ki so jo pustili, medtem ko so pred njimi ustvarili nov prostor. Ko dosežejo drugi konec vagona, se razporeditev potnikov spremeni. Če se preveč ljudi poskuša prebiti mimo hkrati, se bodo potniki, ki poskušajo narediti prostor za svoje gibanje, trčili drug v drugega in udarili v stene vagonov, pri čemer bodo vse prikovali na svoje mesto. Več premikov kot se pojavi, težje se je premikati hkrati.
Pomembno je razumeti minimalno raven deformacije, ki je potrebna za sprožitev rekristalizacije. Če pa kovina pred segrevanjem nima dovolj deformacijske energije, do rekristalizacije ne bo prišlo in zrna bodo preprosto še naprej rasla preko svoje prvotne velikosti.
Mehanske lastnosti je mogoče prilagoditi z nadzorom rasti zrn. Meja zrn je v bistvu stena dislokacij. Te ovirajo gibanje.
Če je rast zrn omejena, bo nastalo večje število majhnih zrn. Ta manjša zrna veljajo za finejša glede na strukturo zrn. Več meja zrn pomeni manjše gibanje dislokacij in večjo trdnost.
Če rast zrn ni omejena, postane struktura zrn bolj groba, zrna so večja, meje so manjše in trdnost je manjša.
Velikost zrn se pogosto imenuje število brez enot, nekje med 5 in 15. To je relativno razmerje in je povezano s povprečnim premerom zrna. Višje kot je število, bolj drobna je granulacija.
Standard ASTM E112 opisuje metode za merjenje in ocenjevanje velikosti zrn. Vključuje štetje količine zrn na določenem območju. To se običajno izvede z rezanjem prečnega prereza surovine, njenim brušenjem in poliranjem ter nato jedkanjem s kislino, da se delci izpostavijo. Štetje se izvaja pod mikroskopom, povečava pa omogoča ustrezno vzorčenje zrn. Dodelitev številk velikosti zrn po standardu ASTM kaže na razumno raven enakomernosti oblike in premera zrn. Morda je celo koristno omejiti variacije velikosti zrn na dve ali tri točke, da se zagotovi dosledna zmogljivost po celotnem obdelovancu.
Pri utrjevanju z deformacijo sta trdnost in duktilnost v obratnem sorazmerju. Razmerje med velikostjo zrn po ASTM in trdnostjo je običajno pozitivno in močno, raztezek je na splošno obratno sorazmeren z velikostjo zrn po ASTM. Vendar pa lahko prekomerna rast zrn povzroči, da se "mrtvo mehki" materiali ne utrjujejo več učinkovito.
Velikost zrn se pogosto imenuje število brez enot, nekje med 5 in 15. To je relativno razmerje in je povezano s povprečnim premerom zrn. Višja kot je vrednost velikosti zrn po standardu ASTM, več zrn je na enoto površine.
Velikost zrn žarjenega materiala se spreminja s časom, temperaturo in hitrostjo hlajenja. Žarjenje se običajno izvaja med temperaturo rekristalizacije in tališčem zlitine. Priporočeno temperaturno območje žarjenja za avstenitno nerjavno jeklo 301 je med 1900 in 2050 stopinjami Fahrenheita. Talitev se začne pri približno 2550 stopinjah Fahrenheita. Nasprotno pa je treba komercialno čisti titan 1. stopnje žariti pri 1292 stopinjah Fahrenheita in taliti pri približno 3000 stopinjah Fahrenheita.
Med žarjenjem se procesa okrevanja in rekristalizacije med seboj tekmujeta, dokler rekristalizirana zrna ne porabijo vseh deformiranih zrn. Hitrost rekristalizacije se spreminja glede na temperaturo. Ko je rekristalizacija končana, prevzame rast zrn. Obdelovanec iz nerjavečega jekla 301, žarjen pri 1900 °F eno uro, bo imel finejšo strukturo zrn kot isti obdelovanec, žarjen pri 2000 °F za enak čas.
Če material ni dovolj dolgo v ustreznem območju žarjenja, je lahko nastala struktura kombinacija starih in novih zrn. Če so zaželene enotne lastnosti po celotni kovini, mora biti cilj postopka žarjenja doseči enotno enakoosno strukturo zrn. Enotna pomeni, da so vsa zrna približno enake velikosti, enakoosna pa pomeni, da so približno enake oblike.
Za dosego enakomerne in enakoosne mikrostrukture mora biti vsak obdelovanec izpostavljen enaki količini toplote enak čas in se mora ohlajati z enako hitrostjo. To pri šaržnem žarjenju ni vedno enostavno ali mogoče, zato je pomembno, da vsaj počakate, da je celoten obdelovanec nasičen pri ustrezni temperaturi, preden izračunate čas namakanja. Daljši časi namakanja in višje temperature bodo povzročili grobo zrnato strukturo/mehkejši material in obratno.
Če sta velikost zrn in trdnost povezani in je trdnost znana, zakaj bi potem izračunali zrna, kajne? Vsi destruktivni preskusi so spremenljivi. Natezno testiranje, zlasti pri manjših debelinah, je v veliki meri odvisno od priprave vzorca. Rezultati natezne trdnosti, ki ne predstavljajo dejanskih lastnosti materiala, lahko prezgodnje odpovedo.
Če lastnosti niso enakomerne po celotnem obdelovancu, odvzem vzorca za natezni preskus ali vzorca z enega roba morda ne bo povedal celotne zgodbe. Priprava in testiranje vzorca sta lahko tudi zamudna. Koliko preskusov je mogoče izvesti za dano kovino in v koliko smereh je to izvedljivo? Ocenjevanje zrnate strukture je dodatno zavarovanje pred presenečenji.
Anizotropno, izotropno. Anizotropija se nanaša na usmerjenost mehanskih lastnosti. Poleg trdnosti lahko anizotropijo bolje razumemo s preučevanjem strukture zrn.
Enakomerna in enakoosna struktura zrn mora biti izotropna, kar pomeni, da ima enake lastnosti v vseh smereh. Izotropija je še posebej pomembna pri postopkih globokega vlečenja, kjer je koncentričnost ključnega pomena. Ko se surovec potegne v kalup, anizotropni material ne teče enakomerno, kar lahko povzroči napako, imenovano uhanje. Uhanje se pojavi, ko zgornji del skodelice tvori valovito silhueto. Pregled strukture zrn lahko razkrije lokacijo nehomogenosti v obdelovancu in pomaga diagnosticirati vzrok.
Pravilno žarjenje je ključnega pomena za doseganje izotropije, vendar je pomembno tudi razumeti obseg deformacije pred žarjenjem. Ko se material plastično deformira, se zrna začnejo deformirati. Pri hladnem valjanju, pri pretvorbi debeline v dolžino, se zrna podaljšajo v smeri valjanja. Ko se razmerje stranic zrn spremeni, se spremeni tudi izotropija in splošne mehanske lastnosti. Pri močno deformiranih obdelovancih se lahko določena orientacija ohrani tudi po žarjenju. To povzroči anizotropijo. Pri globoko vlečenih materialih je včasih treba omejiti količino deformacije pred končnim žarjenjem, da se prepreči obraba.
pomarančna lupina. Nabiranje ni edina napaka pri globokem vleku, povezana z matrico. Pomarančna lupina se pojavi, ko se vlečejo surovine s pregrobimi delci. Vsako zrno se deformira neodvisno in kot funkcija njegove kristalne orientacije. Razlika v deformaciji med sosednjimi zrni povzroči teksturiran videz, podoben pomarančni lupini. Tekstura je zrnata struktura, ki se pokaže na površini stene skodelice.
Tako kot pri slikovnih pikah na televizijskem zaslonu bo tudi pri drobnozrnati strukturi razlika med posameznimi zrni manj opazna, kar bo učinkovito povečalo ločljivost. Samo določanje mehanskih lastnosti morda ne bo zadostovalo za zagotovitev dovolj drobne velikosti zrn, da bi preprečili učinek pomarančne lupine. Ko je dimenzijska sprememba obdelovanca manjša od 10-kratnika premera zrna, bodo lastnosti posameznih zrn vplivale na vedenje oblikovanja. Ne deformira se enakomerno po več zrnih, temveč odraža specifično velikost in orientacijo vsakega zrna. To je razvidno iz učinka pomarančne lupine na stenah vlečenih skodelic.
Za velikost zrn ASTM 8 je povprečni premer zrn 885 µin. To pomeni, da lahko ta učinek mikrooblikovanja vpliva na vsako zmanjšanje debeline za 0,00885 palca ali manj.
Čeprav lahko groba zrna povzročijo težave pri globokem vlečenju, se včasih priporočajo za vtiskovanje. Žigosanje je postopek deformacije, pri katerem se surovec stisne, da se doseže želena površinska topografija, kot je četrtina obraznih kontur Georgea Washingtona. Za razliko od vlečenja žice žigosanje običajno ne vključuje veliko pretoka materiala v razsutem stanju, vendar zahteva veliko sile, ki lahko le deformira površino surovca.
Zaradi tega lahko zmanjšanje napetosti površinskega toka z uporabo grobejše strukture zrn pomaga ublažiti sile, potrebne za pravilno polnjenje kalupa. To še posebej velja za prostotisk, kjer lahko dislokacije na površinskih zrnih prosto tečejo, namesto da se kopičijo na mejah zrn.
Trendi, o katerih razpravljamo tukaj, so posplošitve, ki morda ne veljajo za določene dele. Vendar pa so poudarili prednosti merjenja in standardizacije velikosti zrn surovine pri načrtovanju novih delov, da bi se izognili pogostim napakam in optimizirali parametre oblikovanja.
Proizvajalci strojev za precizno vtiskovanje kovin in strojev za globoko vlečenje kovin za oblikovanje njihovih delov bodo dobro sodelovali z metalurgi na tehnično usposobljenih preciznih valjarjih, ki jim lahko pomagajo optimizirati materiale do ravni zrn. Ko so metalurški in inženirski strokovnjaki na obeh straneh odnosa združeni v eno ekipo, lahko to vpliva na preobrazbo in prinese več pozitivnih rezultatov.
Revija STAMPING je edina industrijska revija, posvečena potrebam trga žigosanja kovin. Že od leta 1989 publikacija pokriva najsodobnejše tehnologije, trende v industriji, najboljše prakse in novice, ki pomagajo strokovnjakom za žigosanje učinkoviteje voditi svoje poslovanje.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje revije The FABRICATOR, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Digitalna izdaja revije The Tube & Pipe Journal je zdaj v celoti dostopna in omogoča enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Uživajte v polnem dostopu do digitalne izdaje revije STAMPING Journal, ki ponuja najnovejše tehnološke dosežke, najboljše prakse in novice iz industrije za trg žigosanja kovin.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje revije The Fabricator en Español, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.