Paslanmaz çeliğin mekanik davranışını kontrol eden tane yapısının bir katmanına dair bilgi edinmenin faydaları olabilir. (Getty Images)
Paslanmaz çelik ve alüminyum alaşımlarının seçimi genellikle mukavemet, süneklik, uzama ve sertlik özelliklerine odaklanır. Bu özellikler, metalin yapı taşlarının uygulanan yüklere nasıl tepki verdiğini gösterir. Hammadde kısıtlamalarını yönetmek için etkili bir göstergedir; yani, kırılmadan önce ne kadar büküleceğini gösterir. Hammaddenin kalıplama işlemine kırılmadan dayanabilmesi gerekir.
Tahribatlı çekme ve sertlik testleri, mekanik özellikleri belirlemek için güvenilir ve uygun maliyetli bir yöntemdir. Bununla birlikte, ham maddenin kalınlığı test numunesinin boyutunu sınırlamaya başladığında bu testler her zaman aynı derecede güvenilir olmayabilir. Düz metal ürünlerin çekme testi elbette hala faydalıdır, ancak mekanik davranışını kontrol eden tane yapısının bir katmanına daha derinlemesine bakarak fayda sağlanabilir.
Metaller, tanecik adı verilen bir dizi mikroskobik kristalden oluşur. Bu tanecikler metalin her yerine rastgele dağılmıştır. Östenitik paslanmaz çeliklerde demir, krom, nikel, manganez, silisyum, karbon, azot, fosfor ve kükürt gibi alaşım elementlerinin atomları tek bir taneciğin parçasıdır. Bu atomlar, paylaşılan elektronları aracılığıyla kristal kafese bağlanan metal iyonlarının katı çözeltisini oluşturur.
Alaşımın kimyasal bileşimi, taneciklerdeki atomların termodinamik olarak tercih edilen dizilimini, yani kristal yapıyı belirler. Tekrarlayan bir kristal yapı içeren metalin homojen kısımları, faz adı verilen bir veya daha fazla tanecik oluşturur. Bir alaşımın mekanik özellikleri, alaşımdaki kristal yapının bir fonksiyonudur. Aynı durum, her fazın taneciklerinin boyutu ve dizilimi için de geçerlidir.
Çoğu insan suyun hallerini bilir. Sıvı su donduğunda katı buza dönüşür. Ancak metaller söz konusu olduğunda, tek bir katı faz yoktur. Bazı alaşım aileleri, hallerine göre adlandırılır. Paslanmaz çelikler arasında, östenitik 300 serisi alaşımlar, tavlandığında esas olarak östenitten oluşur. Bununla birlikte, 400 serisi alaşımlar, 430 paslanmaz çelikte ferrit veya 410 ve 420 paslanmaz çelik alaşımlarında martensit içerir.
Aynı durum titanyum alaşımları için de geçerlidir. Her alaşım grubunun adı, oda sıcaklığında baskın fazını gösterir – alfa, beta veya her ikisinin karışımı. Alfa, alfa-yakın, alfa-beta, beta ve beta-yakın alaşımlar vardır.
Sıvı metal katılaştığında, termodinamik olarak tercih edilen fazın katı parçacıkları, basınç, sıcaklık ve kimyasal bileşimin izin verdiği yerlerde çökelir. Bu genellikle arayüzlerde olur, tıpkı soğuk bir günde sıcak bir göletin yüzeyindeki buz kristalleri gibi. Tanecikler çekirdeklendiğinde, kristal yapı başka bir tanecikle karşılaşana kadar tek yönde büyür. Tanecik sınırları, kristal yapıların farklı yönelimlerinden dolayı uyumsuz kafeslerin kesişim noktalarında oluşur. Bir kutuya farklı boyutlarda bir sürü Rubik küpü koyduğunuzu hayal edin. Her küpün kare bir ızgara düzeni vardır, ancak hepsi farklı rastgele yönlerde düzenlenecektir. Tamamen katılaşmış bir metal iş parçası, görünüşte rastgele yönlendirilmiş bir dizi tanecikten oluşur.
Bir tane oluştuğu her an, çizgi kusurları oluşma olasılığı vardır. Bu kusurlar, dislokasyon adı verilen kristal yapısının eksik parçalarıdır. Bu dislokasyonlar ve bunların tane boyunca ve tane sınırları boyunca hareketleri, metalin sünekliği için temel öneme sahiptir.
İş parçasının kesiti monte edilir, taşlanır, parlatılır ve tane yapısını görmek için dağlanır. Düzgün ve eş eksenli olduğunda, optik mikroskopta gözlemlenen mikro yapılar biraz yapboz parçalarına benzer. Gerçekte, taneler üç boyutludur ve her bir tanenin kesiti, iş parçasının kesitinin yönüne bağlı olarak değişir.
Bir kristal yapı tüm atomlarıyla dolduğunda, atom bağlarının gerilmesi dışında hareket için yer kalmaz.
Bir atom sırasının yarısını çıkardığınızda, başka bir atom sırasının o konuma kayması için bir fırsat yaratırsınız ve bu da dislokasyonu etkili bir şekilde hareket ettirir. İş parçasına bir kuvvet uygulandığında, mikro yapıdaki dislokasyonların toplu hareketi, iş parçasının kırılmadan veya çatlamadan bükülmesini, gerilmesini veya sıkıştırılmasını sağlar.
Bir metal alaşımına bir kuvvet etki ettiğinde, sistem enerji artışı gösterir. Plastik deformasyona neden olacak kadar enerji eklendiğinde, kafes yapısı bozulur ve yeni dislokasyonlar oluşur. Bu durumun, daha fazla alan açarak daha fazla dislokasyon hareket potansiyeli yarattığı için sünekliği artırması mantıklı görünmektedir. Ancak, dislokasyonlar çarpıştığında birbirlerini sabitleyebilirler.
Dislokasyonların sayısı ve yoğunluğu arttıkça, giderek daha fazla dislokasyon birbirine kenetlenir ve süneklik azalır. Sonunda o kadar çok dislokasyon oluşur ki, soğuk şekillendirme artık mümkün olmaz. Mevcut kenetleyici dislokasyonlar artık hareket edemediğinden, kafesteki atomik bağlar kırılana veya kopana kadar gerilir. Bu nedenle metal alaşımları işlenerek sertleşir ve bir metalin kırılmadan önce dayanabileceği plastik deformasyon miktarının bir sınırı vardır.
Tane yapısı, tavlama işleminde de önemli bir rol oynar. İşlenerek sertleştirilmiş bir malzemenin tavlanması, esasen mikroyapıyı sıfırlar ve böylece sünekliği geri kazandırır. Tavlama işlemi sırasında taneler üç aşamada dönüşüme uğrar:
Kalabalık bir tren vagonunda yürüyen birini hayal edin. Kalabalıklar ancak sıralar arasında boşluklar bırakılarak sıkıştırılabilir, tıpkı bir kafes yapısındaki yer değiştirmeler gibi. İlerledikçe, arkalarındaki insanlar bıraktıkları boşluğu doldururken, önlerinde yeni bir alan yaratırlar. Vagonun diğer ucuna ulaştıklarında, yolcuların düzeni değişir. Çok fazla insan aynı anda geçmeye çalışırsa, hareket alanı açmaya çalışan yolcular birbirleriyle çarpışır ve tren vagonlarının duvarlarına çarparak herkesi yerinde sıkıştırır. Ne kadar çok yer değiştirme oluşursa, aynı anda hareket etmeleri o kadar zorlaşır.
Yeniden kristalleşmeyi tetiklemek için gereken minimum deformasyon seviyesini anlamak önemlidir. Bununla birlikte, metal ısıtılmadan önce yeterli deformasyon enerjisine sahip değilse, yeniden kristalleşme meydana gelmez ve taneler orijinal boyutlarının ötesine doğru büyümeye devam eder.
Mekanik özellikler, tane büyümesinin kontrol edilmesiyle ayarlanabilir. Tane sınırı esasen dislokasyonlardan oluşan bir duvardır. Hareketi engellerler.
Tane büyümesi kısıtlanırsa, daha fazla sayıda küçük tane oluşur. Bu küçük taneler, tane yapısı açısından daha ince kabul edilir. Daha fazla tane sınırı, daha az dislokasyon hareketi ve daha yüksek mukavemet anlamına gelir.
Tane büyümesi kısıtlanmazsa, tane yapısı daha iri hale gelir, taneler daha büyük olur, sınırlar azalır ve mukavemet düşer.
Tane boyutu genellikle 5 ile 15 arasında birimsiz bir sayı olarak ifade edilir. Bu, ortalama tane çapıyla ilişkili göreceli bir orandır. Sayı ne kadar yüksekse, tane boyutu o kadar ince olur.
ASTM E112, tane boyutunu ölçme ve değerlendirme yöntemlerini özetler. Bu, belirli bir alandaki tane miktarını saymayı içerir. Bu genellikle ham maddenin bir kesitinin alınması, öğütülmesi ve parlatılması ve ardından parçacıkları ortaya çıkarmak için asitle aşındırılmasıyla yapılır. Sayım mikroskop altında gerçekleştirilir ve büyütme, tanelerin yeterli şekilde örneklenmesine olanak tanır. ASTM tane boyutu numaralarının atanması, tane şekli ve çapında makul bir homojenlik seviyesini gösterir. İş parçasında tutarlı performans sağlamak için tane boyutundaki varyasyonu iki veya üç noktayla sınırlamak bile avantajlı olabilir.
İş sertleşmesi durumunda, mukavemet ve süneklik ters orantılıdır. ASTM tane boyutu ile mukavemet arasındaki ilişki genellikle pozitif ve güçlüdür; uzama ise ASTM tane boyutu ile ters orantılıdır. Bununla birlikte, aşırı tane büyümesi, "çok yumuşak" malzemelerin artık etkili bir şekilde iş sertleşmesi göstermemesine neden olabilir.
Tane boyutu genellikle 5 ile 15 arasında birimsiz bir sayı olarak ifade edilir. Bu, ortalama tane çapıyla ilişkili göreceli bir orandır. ASTM tane boyutu değeri ne kadar yüksekse, birim alan başına düşen tane sayısı o kadar fazladır.
Tavlanmış malzemenin tane boyutu, zamana, sıcaklığa ve soğutma hızına bağlı olarak değişir. Tavlama genellikle alaşımın yeniden kristalleşme sıcaklığı ile erime noktası arasında gerçekleştirilir. Östenitik paslanmaz çelik alaşımı 301 için önerilen tavlama sıcaklığı aralığı 1.900 ile 2.050 derece Fahrenheit arasındadır. Yaklaşık 2.550 derece Fahrenheit'te erimeye başlar. Buna karşılık, ticari olarak saf 1. sınıf titanyum 1.292 derece Fahrenheit'te tavlanmalı ve yaklaşık 3.000 derece Fahrenheit'te erimelidir.
Tavlama sırasında, yeniden kristalleşme ve toparlanma süreçleri, yeniden kristalleşmiş taneler tüm deforme olmuş taneleri tüketene kadar birbirleriyle rekabet eder. Yeniden kristalleşme hızı sıcaklıkla değişir. Yeniden kristalleşme tamamlandıktan sonra, tane büyümesi devreye girer. 1900°F'de bir saat süreyle tavlanmış 301 paslanmaz çelik iş parçası, aynı iş parçasının aynı süre boyunca 2000°F'de tavlanmasına göre daha ince bir tane yapısına sahip olacaktır.
Malzeme yeterince uzun süre uygun tavlama aralığında tutulmazsa, ortaya çıkan yapı eski ve yeni tanelerin bir kombinasyonu olabilir. Metalin tamamında homojen özellikler isteniyorsa, tavlama işlemi homojen eş eksenli bir tane yapısı elde etmeyi hedeflemelidir. Homojen, tüm tanelerin yaklaşık olarak aynı boyutta olduğu anlamına gelir ve eş eksenli, yaklaşık olarak aynı şekilde oldukları anlamına gelir.
Düzgün ve eş eksenli bir mikro yapı elde etmek için, her iş parçası aynı süre boyunca aynı miktarda ısıya maruz bırakılmalı ve aynı hızda soğutulmalıdır. Bu, toplu tavlama ile her zaman kolay veya mümkün olmayabilir, bu nedenle bekleme süresini hesaplamadan önce tüm iş parçasının uygun sıcaklıkta doygun hale gelmesini beklemek önemlidir. Daha uzun bekleme süreleri ve daha yüksek sıcaklıklar daha kaba taneli bir yapıya/daha yumuşak bir malzemeye neden olurken, bunun tersi de geçerlidir.
Tane boyutu ve mukavemet arasında bir ilişki varsa ve mukavemet biliniyorsa, neden tane boyutunu hesaplayalım ki, değil mi? Tüm tahribatlı testlerde değişkenlik vardır. Çekme testi, özellikle daha düşük kalınlıklarda, büyük ölçüde numune hazırlığına bağlıdır. Gerçek malzeme özelliklerini yansıtmayan çekme mukavemeti sonuçları, erken arızaya yol açabilir.
Eğer iş parçasının özellikleri her yerinde homojen değilse, çekme testi numunesi veya örneğini bir kenarından almak tüm gerçeği yansıtmayabilir. Numune hazırlama ve test etme de zaman alıcı olabilir. Belirli bir metal için kaç test mümkündür ve kaç yönde yapılabilir? Tane yapısının değerlendirilmesi, sürprizlere karşı ek bir güvence sağlar.
Anizotropik, izotropik. Anizotropi, mekanik özelliklerin yönlülüğünü ifade eder. Mukavemete ek olarak, anizotropi, tane yapısını inceleyerek daha iyi anlaşılabilir.
Düzgün ve eş eksenli bir tane yapısı izotropik olmalıdır; yani her yönde aynı özelliklere sahip olmalıdır. İzotropi, özellikle eş merkezliliğin kritik olduğu derin çekme işlemlerinde önemlidir. İş parçası kalıba çekildiğinde, anizotropik malzeme düzgün bir şekilde akmaz ve bu da kulakçıklanma adı verilen bir kusura yol açabilir. Kulakçıklanma, kupanın üst kısmının dalgalı bir silüet oluşturduğu yerde meydana gelir. Tane yapısını incelemek, iş parçasındaki homojen olmayan bölgelerin yerini ortaya çıkarabilir ve temel nedeni teşhis etmeye yardımcı olabilir.
İzotropi elde etmek için uygun tavlama kritik öneme sahiptir, ancak tavlamadan önce deformasyonun boyutunu anlamak da önemlidir. Malzeme plastik olarak deforme olurken, taneler de deforme olmaya başlar. Soğuk haddeleme durumunda, kalınlığı uzunluğa dönüştürürken, taneler haddeleme yönünde uzar. Tane en boy oranı değiştikçe, izotropi ve genel mekanik özellikler de değişir. Ağır deforme olmuş iş parçalarında, tavlamadan sonra bile bazı yönelimler korunabilir. Bu, anizotropiye neden olur. Derin çekme malzemeleri için, aşınmayı önlemek amacıyla son tavlamadan önce deformasyon miktarını sınırlamak bazen gereklidir.
Portakal kabuğu görünümü. Kalıpla ilgili tek derin çekme kusuru bu değildir. Portakal kabuğu görünümü, çok iri taneli ham maddeler çekildiğinde ortaya çıkar. Her tane, kristal yönelimine bağlı olarak bağımsız olarak deforme olur. Bitişik taneler arasındaki deformasyon farkı, portakal kabuğuna benzer dokulu bir görünümle sonuçlanır. Doku, kap duvarının yüzeyinde ortaya çıkan tanecikli yapıdır.
Tıpkı bir televizyon ekranındaki pikseller gibi, ince taneli bir yapıda, her bir tane arasındaki fark daha az fark edilir hale gelir ve bu da çözünürlüğü etkili bir şekilde artırır. Yalnızca mekanik özellikleri belirtmek, portakal kabuğu etkisini önlemek için yeterince ince bir tane boyutu sağlamak için yeterli olmayabilir. İş parçasının boyut varyasyonu tane çapının 10 katından az olduğunda, tek tek tanelerin özellikleri şekillendirme davranışını yönlendirecektir. Birçok tane üzerinde eşit olarak deforme olmaz, ancak her bir tanenin özel boyutunu ve yönünü yansıtır. Bu, çekme yöntemiyle üretilen kapların duvarlarındaki portakal kabuğu etkisinden görülebilir.
ASTM tane boyutu 8 için ortalama tane çapı 885 µin'dir. Bu, 0,00885 inç veya daha az herhangi bir kalınlık azalmasının bu mikro şekillendirme etkisinden etkilenebileceği anlamına gelir.
Kaba taneli malzemeler derin çekme sorunlarına neden olabilse de, bazen baskı için önerilirler. Damgalama, bir malzemenin sıkıştırılarak istenen bir yüzey topografyası kazandırıldığı bir deformasyon işlemidir; örneğin George Washington'ın yüz hatlarının dörtte biri gibi. Tel çekmenin aksine, damgalama genellikle çok fazla malzeme akışı içermez, ancak çok fazla kuvvet gerektirir ki bu da malzemenin yüzeyini deforme edebilir.
Bu nedenle, daha kaba taneli bir yapı kullanarak yüzey akış gerilimini en aza indirmek, kalıbın düzgün doldurulması için gereken kuvvetleri hafifletmeye yardımcı olabilir. Bu durum, özellikle yüzey tanelerindeki dislokasyonların tane sınırlarında birikmek yerine serbestçe akabildiği serbest kalıp baskılama için geçerlidir.
Burada ele alınan eğilimler, belirli bölümlere uygulanmayabilecek genellemelerdir. Bununla birlikte, yaygın kusurları önlemek ve kalıplama parametrelerini optimize etmek için yeni parçalar tasarlanırken ham madde tane boyutunun ölçülmesinin ve standartlaştırılmasının faydalarını vurgulamışlardır.
Hassas metal damgalama makineleri ve metal üzerinde derin çekme işlemleriyle parça üreten firmalar, malzemeleri tanecik düzeyine kadar optimize etmelerine yardımcı olabilecek, teknik olarak yetkin hassas haddeleme makineleri konusunda uzman metalurjicilerle iyi bir işbirliği içinde çalışacaklardır. İlişkinin her iki tarafındaki metalurji ve mühendislik uzmanları tek bir ekipte bir araya geldiğinde, dönüştürücü bir etki yaratabilir ve daha olumlu sonuçlar doğurabilir.
STAMPING Journal, metal damgalama pazarının ihtiyaçlarına hizmet etmeye adanmış tek sektör dergisidir. 1989'dan beri, yayın, damgalama profesyonellerinin işlerini daha verimli bir şekilde yürütmelerine yardımcı olmak için en son teknolojileri, sektör trendlerini, en iyi uygulamaları ve haberleri ele almaktadır.
Artık The FABRICATOR'ın dijital baskısına tam erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca ulaşabilirsiniz.
Tube & Pipe Journal'ın dijital baskısına artık tamamen erişilebilir ve değerli sektör kaynaklarına kolay erişim sağlanmaktadır.
Metal damgalama pazarı için en son teknolojik gelişmeleri, en iyi uygulamaları ve sektör haberlerini sunan STAMPING Journal'ın dijital baskısına tam erişimin keyfini çıkarın.
Artık The Fabricator en Español'un dijital baskısına tam erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca ulaşabilirsiniz.