Fördelar kan uppnås genom att få insikt i ett lager av kornstrukturen som styr det mekaniska beteendet hos rostfritt stål. Getty Images
Valet av rostfritt stål och aluminiumlegeringar fokuserar generellt på hållfasthet, duktilitet, töjning och hårdhet. Dessa egenskaper indikerar hur metallens byggstenar reagerar på applicerade belastningar. De är en effektiv indikator på hantering av råmaterialbegränsningar; det vill säga hur mycket det kommer att böjas innan det går sönder. Råmaterialet måste kunna motstå gjutningsprocessen utan att gå sönder.
Destruktiv drag- och hårdhetsprovning är en tillförlitlig och kostnadseffektiv metod för att bestämma mekaniska egenskaper. Dessa tester är dock inte alltid lika tillförlitliga när råmaterialets tjocklek börjar begränsa testprovets storlek. Dragprovning av platta metallprodukter är naturligtvis fortfarande användbart, men fördelar kan uppnås genom att titta djupare på ett lager av kornstrukturen som styr dess mekaniska beteende.
Metaller består av en serie mikroskopiska kristaller som kallas korn. De är slumpmässigt fördelade i metallen. Atomer av legeringselement, såsom järn, krom, nickel, mangan, kisel, kol, kväve, fosfor och svavel i austenitiska rostfria stål, är en del av ett enda korn. Dessa atomer bildar en fast lösning av metalljoner, som är bundna till kristallgittret genom sina delade elektroner.
Legeringens kemiska sammansättning bestämmer det termodynamiskt föredragna arrangemanget av atomer i kornen, känt som kristallstrukturen. Homogena delar av en metall som innehåller en upprepande kristallstruktur bildar ett eller flera korn som kallas faser. De mekaniska egenskaperna hos en legering är en funktion av kristallstrukturen i legeringen. Detsamma gäller storleken och arrangemanget av kornen i varje fas.
De flesta känner till vattnets stadier. När flytande vatten fryser blir det fast is. Men när det gäller metaller finns det inte bara en fast fas. Vissa legeringsfamiljer är uppkallade efter sina faser. Bland rostfria stål består austenitiska 300-serielegeringar huvudsakligen av austenit vid glödgning. 400-serielegeringar består dock av ferrit i 430 rostfritt stål eller martensit i 410 och 420 rostfria stållegeringar.
Detsamma gäller för titanlegeringar. Namnet på varje legeringsgrupp anger deras dominerande fas vid rumstemperatur – alfa, beta eller en blandning av båda. Det finns alfa-, nära-alfa-, alfa-beta-, beta- och nära-beta-legeringar.
När den flytande metallen stelnar, kommer de fasta partiklarna i den termodynamiskt föredragna fasen att fällas ut där tryck, temperatur och kemisk sammansättning tillåter. Detta händer vanligtvis vid gränssnitt, som iskristaller på ytan av en varm damm en kall dag. När korn bildar kärnor växer kristallstrukturen i en riktning tills ett annat korn påträffas. Korngränser bildas vid skärningspunkterna mellan olika gitter på grund av kristallstrukturernas olika orienteringar. Tänk dig att lägga ett gäng Rubiks kuber i olika storlekar i en låda. Varje kub har ett kvadratiskt rutnät, men de kommer alla att vara arrangerade i olika slumpmässiga riktningar. Ett helt stelnat metallarbetsstycke består av en serie till synes slumpmässigt orienterade korn.
Varje gång ett korn bildas finns det en risk för linjedefekter. Dessa defekter är saknade delar av kristallstrukturen som kallas dislokationer. Dessa dislokationer och deras efterföljande rörelse genom kornet och över korngränser är grundläggande för metallduktilitet.
Ett tvärsnitt av arbetsstycket monteras, slipas, poleras och etsas för att se kornstrukturen. När de är enhetliga och likaxliga ser de mikrostrukturer som observeras i ett optiskt mikroskop ut som ett pussel. I verkligheten är kornen tredimensionella, och tvärsnittet för varje korn varierar beroende på arbetsstyckets tvärsnitts orientering.
När en kristallstruktur är fylld med alla sina atomer finns det inget utrymme för rörelse annat än att atombindningarna sträcks ut.
När du tar bort halva en rad atomer skapar du en möjlighet för en annan rad atomer att glida in i den positionen, vilket effektivt flyttar dislokationen. När en kraft appliceras på arbetsstycket gör den aggregerade rörelsen av dislokationer i mikrostrukturen att den kan böjas, sträckas eller komprimeras utan att gå sönder eller gå sönder.
När en kraft verkar på en metalllegering ökar systemets energi. Om tillräckligt med energi tillförs för att orsaka plastisk deformation deformeras gittret och nya dislokationer bildas. Det verkar logiskt att detta borde öka duktiliteten, eftersom det frigör mer utrymme och därmed skapar potential för mer dislokationsrörelse. Men när dislokationer kolliderar kan de fixera varandra.
Allt eftersom antalet och koncentrationen av dislokationer ökar, fästs fler och fler dislokationer ihop, vilket minskar duktiliteten. Så småningom uppstår så många dislokationer att kallformning inte längre är möjlig. Eftersom befintliga fästdislokationer inte längre kan röra sig, töjs atombindningarna i gittret ut tills de går sönder eller går sönder. Det är därför metalllegeringar deformationshärdar, och varför det finns en gräns för hur mycket plastisk deformation en metall kan motstå innan den går sönder.
Spannmål spelar också en viktig roll vid glödgning. Glödgning av ett deformationshärdat material återställer i huvudsak mikrostrukturen och återställer därmed duktiliteten. Under glödgningsprocessen omvandlas spannmålen i tre steg:
Föreställ dig en person som går genom en fullsatt tågvagn. Folkmassor kan bara trängas in genom att lämna mellanrum mellan raderna, som förskjutningar i ett gitter. Allt eftersom de rörde sig fyllde personerna bakom dem tomrummet de lämnade, medan de skapade nytt utrymme framför. När de når andra änden av vagnen förändras passagerarnas placering. Om för många människor försöker passera samtidigt kommer passagerare som försöker ge plats åt dem att kollidera med varandra och träffa tågvagnarnas väggar, vilket gör att alla fastnar. Ju fler förskjutningar som uppstår, desto svårare är det för dem att röra sig samtidigt.
Det är viktigt att förstå den minsta deformationsnivå som krävs för att utlösa omkristallisation. Men om metallen inte har tillräckligt med deformationsenergi innan den upphettas, kommer omkristallisation inte att ske och kornen kommer helt enkelt att fortsätta växa bortom sin ursprungliga storlek.
Mekaniska egenskaper kan justeras genom att kontrollera korntillväxt. En korngräns är i huvudsak en vägg av dislokationer. De hindrar rörelse.
Om korntillväxten begränsas kommer ett större antal små korn att produceras. Dessa mindre korn anses vara finare vad gäller kornstruktur. Fler korngränser innebär mindre dislokationsrörelse och högre hållfasthet.
Om korntillväxten inte begränsas blir kornstrukturen grövre, kornen större, gränserna mindre och hållfastheten lägre.
Kornstorlek kallas ofta för ett enhetslöst tal, någonstans mellan 5 och 15. Detta är ett relativt förhållande och är relaterat till den genomsnittliga korndiametern. Ju högre tal, desto finare granularitet.
ASTM E112 beskriver metoder för att mäta och utvärdera kornstorlek. Det innebär att räkna mängden korn i ett givet område. Detta görs vanligtvis genom att skära ett tvärsnitt av råmaterialet, slipa och polera det och sedan etsa det med syra för att exponera partiklarna. Räkning utförs under ett mikroskop, och förstoringsgraden möjliggör adekvat provtagning av kornen. Att tilldela ASTM-kornstorleksnummer indikerar en rimlig nivå av enhetlighet i kornform och diameter. Det kan till och med vara fördelaktigt att begränsa variationen i kornstorlek till två eller tre punkter för att säkerställa konsekvent prestanda över hela arbetsstycket.
Vid deformationshärdning har hållfasthet och duktilitet ett omvänt förhållande. Förhållandet mellan ASTM-kornstorlek och hållfasthet tenderar att vara positivt och starkt, generellt sett är töjning omvänt relaterad till ASTM-kornstorlek. Emellertid kan överdriven korntillväxt göra att "döda mjuka" material inte längre deformationshärdar effektivt.
Kornstorlek kallas ofta för ett enhetslöst tal, någonstans mellan 5 och 15. Detta är ett relativt förhållande och är relaterat till den genomsnittliga korndiametern. Ju högre ASTM-kornstorleksvärde, desto fler korn per ytenhet.
Kornstorleken hos det glödgade materialet varierar med tid, temperatur och kylningshastighet. Glödgning utförs vanligtvis mellan omkristallisationstemperaturen och legeringens smältpunkt. Det rekommenderade glödgningstemperaturintervallet för austenitisk rostfri stållegering 301 ligger mellan 1 900 och 2 050 grader Fahrenheit. Det börjar smälta vid cirka 2 550 grader Fahrenheit. Däremot bör kommersiellt ren titan av grad 1 glödgas vid 1 292 grader Fahrenheit och smälta vid cirka 3 000 grader Fahrenheit.
Under glödgningen konkurrerar återhämtnings- och omkristallisationsprocesserna med varandra tills de omkristalliserade kornen förbrukar alla deformerade korn. Omkristallisationshastigheten varierar med temperaturen. När omkristallisationen är klar tar korntillväxten över. Ett arbetsstycke i rostfritt stål 301 som glödgas vid 1 900 °F i en timme kommer att ha en finare kornstruktur än samma arbetsstycke som glödgas vid 2 000 °F under samma tid.
Om materialet inte hålls inom rätt glödgningsområde tillräckligt länge kan den resulterande strukturen bli en kombination av gamla och nya korn. Om enhetliga egenskaper önskas i hela metallen bör glödgningsprocessen sträva efter att uppnå en enhetlig likaxlig kornstruktur. Likformig betyder att alla korn har ungefär samma storlek, och likaxlig betyder att de har ungefär samma form.
För att erhålla en enhetlig och likaxlig mikrostruktur bör varje arbetsstycke utsättas för samma mängd värme under samma tid och svalna med samma hastighet. Detta är inte alltid lätt eller möjligt vid satsvis glödgning, så det är viktigt att åtminstone vänta tills hela arbetsstycket är mättat vid rätt temperatur innan man beräknar blötläggningstiden. Längre blötläggningstider och högre temperaturer kommer att resultera i en grövre kornstruktur/mjukare material och vice versa.
Om kornstorlek och hållfasthet är relaterade, och hållfastheten är känd, varför beräkna korn, eller hur? Alla destruktiva tester har variationer. Draghållfasthetstestning, särskilt vid lägre tjocklekar, är till stor del beroende av provberedning. Draghållfasthetsresultat som inte representerar faktiska materialegenskaper kan drabbas av för tidigt brott.
Om egenskaperna inte är enhetliga i hela arbetsstycket kanske det inte räcker med att ta ett dragprov eller ett prov från en kant. Provberedning och testning kan också vara tidskrävande. Hur många tester är möjliga för en given metall, och i hur många riktningar är det genomförbart? Att utvärdera kornstrukturen är en extra försäkring mot överraskningar.
Anisotropisk, isotropisk. Anisotropi avser riktningen hos mekaniska egenskaper. Förutom hållfasthet kan anisotropi bättre förstås genom att undersöka kornstrukturen.
En enhetlig och likaxlig kornstruktur bör vara isotropisk, vilket innebär att den har samma egenskaper i alla riktningar. Isotropi är särskilt viktigt i djupdragningsprocesser där koncentricitet är avgörande. När ämnet dras in i formen kommer det anisotropa materialet inte att flyta jämnt, vilket kan leda till en defekt som kallas öring. Öringen uppstår där den övre delen av koppen bildar en vågig silhuett. Att undersöka kornstrukturen kan avslöja var det finns inhomogeniteter i arbetsstycket och hjälpa till att diagnostisera grundorsaken.
Korrekt glödgning är avgörande för att uppnå isotropi, men det är också viktigt att förstå omfattningen av deformationen före glödgning. När materialet deformeras plastiskt börjar kornen deformeras. Vid kallvalsning, där tjocklek omvandlas till längd, kommer kornen att förlängas i valsningsriktningen. När kornens aspektförhållande förändras, ändras även isotropin och de övergripande mekaniska egenskaperna. Vid kraftigt deformerade arbetsstycken kan en viss orientering bibehållas även efter glödgning. Detta resulterar i anisotropi. För djupdragna material är det ibland nödvändigt att begränsa mängden deformation före slutglödgning för att undvika slitage.
Apelsinskal. Upptagning är inte den enda djupdragningsdefekten som är förknippad med form. Apelsinskal uppstår när råmaterial med för grova partiklar dras. Varje korn deformeras oberoende och som en funktion av dess kristallorientering. Skillnaden i deformation mellan intilliggande korn resulterar i ett texturerat utseende som liknar apelsinskal. Textur är den granulära strukturen som avslöjas på ytan av koppväggen.
Precis som pixlarna på en TV-skärm, med en finkornig struktur, kommer skillnaden mellan varje korn att vara mindre märkbar, vilket effektivt ökar upplösningen. Att enbart specificera mekaniska egenskaper kanske inte är tillräckligt för att säkerställa en tillräckligt fin kornstorlek för att förhindra apelsinskalseffekten. När arbetsstyckets dimensionsvariation är mindre än 10 gånger korndiametern, kommer egenskaperna hos de enskilda kornen att styra formningsbeteendet. Det deformeras inte lika över många korn, utan återspeglar den specifika storleken och orienteringen för varje korn. Detta kan ses från apelsinskalseffekten på väggarna i de dragna kopparna.
För en ASTM-kornstorlek på 8 är den genomsnittliga korndiametern 885 µin. Detta innebär att en tjockleksreduktion på 0,00885 tum eller mindre kan påverkas av denna mikroformningseffekt.
Även om grova korn kan orsaka djupdragningsproblem rekommenderas de ibland för prägling. Stämpling är en deformationsprocess där ett ämne komprimeras för att ge en önskad yttopografi, såsom en fjärdedel av George Washingtons ansiktskonturer. Till skillnad från tråddragning involverar stämpling vanligtvis inte mycket bulkmaterialflöde, men kräver mycket kraft, vilket bara kan deformera ämnets yta.
Av denna anledning kan minimering av ytflödesspänning genom att använda en grövre kornstruktur bidra till att lindra de krafter som krävs för korrekt formfyllning. Detta gäller särskilt för friformsprängning, där dislokationer på ytkornen kan flyta fritt, snarare än att ackumuleras vid korngränser.
Trenderna som diskuteras här är generaliseringar som kanske inte gäller specifika sektioner. De lyfte dock fram fördelarna med att mäta och standardisera råmaterialens kornstorlek vid design av nya delar för att undvika vanliga defekter och optimera gjutparametrar.
Tillverkare av precisionsstansmaskiner för metall och djupdragningsoperationer på metall för att forma sina delar kommer att samarbeta bra med metallurger på tekniskt kvalificerade precisionsvalsar som kan hjälpa dem att optimera material ner till kornnivå. När metallurgiska och tekniska experter på båda sidor av samarbetet integreras i ett team kan det ha en transformerande inverkan och ge mer positiva resultat.
STAMPING Journal är den enda branschtidskriften som är dedikerad till att tillgodose behoven på metallpräglingsmarknaden. Sedan 1989 har publikationen bevakat banbrytande teknologier, branschtrender, bästa praxis och nyheter för att hjälpa präglingsproffs att driva sin verksamhet mer effektivt.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The FABRICATOR, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu helt tillgänglig och ger enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Få fullständig tillgång till den digitala utgåvan av STAMPING Journal, som ger de senaste tekniska framstegen, bästa praxis och branschnyheter för metallstämplingsmarknaden.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The Fabricator på spanska, enkel åtkomst till värdefulla branschresurser.