Paslanmaz çeliğin mekanik davranışını kontrol eden tane yapısının bir katmanına ilişkin bilgi edinilerek faydalar elde edilebilir.Getty Images
Paslanmaz çelik ve alüminyum alaşımlarının seçimi genellikle mukavemet, süneklik, uzama ve sertlik etrafında merkezlenir. Bu özellikler, metalin yapı taşlarının uygulanan yüklere nasıl tepki verdiğini gösterir. Hammadde kısıtlamalarını yönetmenin etkili bir göstergesidir; yani, kırılmadan önce ne kadar büküleceği. Hammadde, kırılmadan kalıplama sürecine dayanabilmelidir.
Tahribatlı çekme ve sertlik testi, mekanik özellikleri belirlemek için güvenilir ve uygun maliyetli bir yöntemdir. Ancak, ham maddenin kalınlığı test numunesinin boyutunu sınırlamaya başladığında bu testler her zaman güvenilir değildir. Düz metal ürünlerin çekme testi elbette hala faydalıdır, ancak mekanik davranışını kontrol eden tane yapısının bir katmanına daha derinlemesine bakılarak faydalar elde edilebilir.
Metaller, tanecik adı verilen bir dizi mikroskobik kristalden oluşur. Bunlar metal boyunca rastgele dağılmıştır. Austenitik paslanmaz çeliklerdeki demir, krom, nikel, manganez, silisyum, karbon, azot, fosfor ve kükürt gibi alaşım elementlerinin atomları tek bir taneciğin parçasıdır. Bu atomlar, paylaşılmış elektronları aracılığıyla kristal kafese bağlanan metal iyonlarının katı bir çözeltisini oluşturur.
Alaşımın kimyasal bileşimi, tanelerdeki atomların termodinamik olarak tercih edilen düzenlemesini belirler; buna kristal yapı denir. Tekrarlayan bir kristal yapı içeren bir metalin homojen kısımları, faz adı verilen bir veya daha fazla tane oluşturur. Bir alaşımın mekanik özellikleri, alaşımdaki kristal yapının bir fonksiyonudur. Aynısı, her fazın tanelerinin boyutu ve düzenlenmesi için de geçerlidir.
Çoğu kişi suyun evrelerine aşinadır. Sıvı su donduğunda katı buza dönüşür. Ancak, metaller söz konusu olduğunda, tek bir katı faz yoktur. Belirli alaşım aileleri, fazlarına göre adlandırılır. Paslanmaz çelikler arasında, ostenitik 300 serisi alaşımlar, tavlandığında öncelikle ostenitten oluşur. Bununla birlikte, 400 serisi alaşımlar, 430 paslanmaz çelikte ferritten veya 410 ve 420 paslanmaz çelik alaşımlarında martensitten oluşur.
Aynısı titanyum alaşımları için de geçerlidir. Her alaşım grubunun adı, oda sıcaklığındaki baskın fazını belirtir - alfa, beta veya her ikisinin karışımı. Alfa, alfaya yakın, alfa-beta, beta ve betaya yakın alaşımlar vardır.
Sıvı metal katılaştığında, termodinamik olarak tercih edilen fazın katı parçacıkları, basınç, sıcaklık ve kimyasal bileşimin izin verdiği yerlerde çöker. Bu genellikle, soğuk bir günde sıcak bir göletin yüzeyindeki buz kristalleri gibi, arayüzlerde gerçekleşir. Taneler çekirdekleştiğinde, kristal yapı, başka bir taneyle karşılaşana kadar bir yönde büyür. Tane sınırları, kristal yapıların farklı yönelimleri nedeniyle uyumsuz kafeslerin kesişimlerinde oluşur. Bir kutuya farklı boyutlarda bir sürü Rubik küpü koyduğunuzu düşünün. Her küpün kare bir ızgara düzeni vardır, ancak hepsi farklı rastgele yönlerde düzenlenecektir. Tamamen katılaşmış bir metal iş parçası, görünüşte rastgele yönelimli bir dizi taneden oluşur.
Herhangi bir tane oluştuğunda çizgisel kusurların oluşma olasılığı vardır. Bu kusurlar, dislokasyon adı verilen kristal yapının eksik parçalarıdır. Bu dislokasyonlar ve bunların tane boyunca ve tane sınırları boyunca daha sonraki hareketleri, metal sünekliği için temeldir.
İş parçasının bir kesiti, tane yapısını görüntülemek için monte edilir, taşlanır, cilalanır ve aşındırılır. Üniform ve eş eksenli olduğunda, optik mikroskopta gözlenen mikro yapılar bir yapboz bulmacasına benzer. Gerçekte, taneler üç boyutludur ve her bir tanenin kesiti, iş parçası kesitinin yönüne bağlı olarak değişecektir.
Bir kristal yapı tüm atomlarıyla dolduğunda, atomik bağların gerilmesi dışında hareket edecek yer kalmaz.
Bir atom sırasının yarısını çıkardığınızda, başka bir atom sırasının o pozisyona kayması için fırsat yaratırsınız ve bu da dislokasyonu etkili bir şekilde hareket ettirir. İş parçasına bir kuvvet uygulandığında, mikro yapıdaki dislokasyonların toplam hareketi, parçanın kırılmadan veya parçalanmadan bükülmesini, gerilmesini veya sıkışmasını sağlar.
Bir kuvvet bir metal alaşımına etki ettiğinde, sistem enerjisini artırır. Plastik deformasyona neden olacak kadar enerji eklenirse, kafes deforme olur ve yeni dislokasyonlar oluşur. Bunun sünekliği artırması mantıklı görünüyor, çünkü daha fazla alan açıyor ve böylece daha fazla dislokasyon hareketi potansiyeli yaratıyor. Ancak, dislokasyonlar çarpıştığında birbirlerini sabitleyebilirler.
Dislokasyonların sayısı ve yoğunluğu arttıkça, daha fazla dislokasyon birbirine sabitlenir ve bu da sünekliği azaltır. Sonunda o kadar çok dislokasyon ortaya çıkar ki, soğuk şekillendirme artık mümkün olmaz. Mevcut sabitleme dislokasyonları artık hareket edemediğinden, kafes içindeki atomik bağlar kırılıncaya veya kopana kadar gerilir. Metal alaşımlarının neden sertleştiği ve bir metalin kırılmadan önce dayanabileceği plastik deformasyon miktarının bir sınırının olmasının nedeni budur.
Tahıl da tavlamada önemli bir rol oynar. Sertleştirilmiş bir malzemenin tavlanması esasen mikro yapıyı sıfırlar ve böylece sünekliği geri kazandırır. Tavlama işlemi sırasında taneler üç adımda dönüştürülür:
Kalabalık bir tren vagonunda yürüyen birini hayal edin. Kalabalıklar ancak sıralar arasında boşluklar bırakarak sıkıştırılabilir, tıpkı bir kafesteki çıkıklar gibi. İlerledikçe, arkalarındaki insanlar onların bıraktığı boşluğu doldururken, önlerinde yeni bir alan yaratırlar. Vagonun diğer ucuna ulaştıklarında, yolcuların düzeni değişir. Çok fazla insan aynı anda geçmeye çalışırsa, hareketlerine yer açmaya çalışan yolcular birbirleriyle çarpışacak ve tren vagonlarının duvarlarına çarparak herkesi yerlerine mıhlayacaktır. Ne kadar çok çıkık oluşursa, aynı anda hareket etmeleri o kadar zorlaşır.
Yeniden kristalleşmeyi tetiklemek için gereken minimum deformasyon seviyesinin anlaşılması önemlidir. Ancak, metal ısıtılmadan önce yeterli deformasyon enerjisine sahip değilse, yeniden kristalleşme meydana gelmeyecek ve taneler orijinal boyutlarından daha büyük bir şekilde büyümeye devam edecektir.
Mekanik özellikler, tane büyümesinin kontrol edilmesiyle ayarlanabilir. Tane sınırı esasen bir dislokasyon duvarıdır. Hareketi engellerler.
Tane büyümesi kısıtlanırsa, daha fazla sayıda küçük tane üretilecektir. Bu daha 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 kaba, taneler daha büyük, sınırlar daha az ve mukavemet daha düşük olur.
Tane boyutu genellikle 5 ile 15 arasında bir yerde bulunan birimsiz bir sayı olarak ifade edilir. Bu göreceli bir orandır ve ortalama tane çapıyla ilişkilidir. Sayı ne kadar yüksekse, granülerlik o kadar incedir.
ASTM E112, tane boyutunu ölçmek ve değerlendirmek için yöntemleri ana hatlarıyla belirtir. Belirli bir alandaki tane miktarını saymayı içerir. Bu genellikle ham maddenin bir kesitinin kesilmesi, öğütülmesi ve parlatılması ve ardından parçacıkları açığa çıkarmak için asitle aşındırılmasıyla yapılır. Sayım mikroskop altında yapılır ve büyütme, tanelerin yeterli şekilde örneklenmesini sağlar. ASTM tane boyutu numaralarının atanması, tane şekli ve çapında makul düzeyde bir tekdüzelik olduğunu gösterir. İş parçasında tutarlı bir performans sağlamak için tane boyutundaki değişimi iki veya üç noktayla sınırlamak bile avantajlı olabilir.
İş sertleştirme durumunda, mukavemet ve süneklik ters orantılıdır. ASTM tane boyutu ile mukavemet arasındaki ilişki genellikle pozitif ve güçlüdür, genellikle uzama ASTM tane boyutu ile ters orantılıdır. Ancak, aşırı tane büyümesi "tamamen yumuşak" malzemelerin artık etkili bir şekilde iş sertleştirmesine izin vermeyebilir.
Tane boyutu genellikle 5 ile 15 arasında bir yerde bulunan birimsiz bir sayı olarak ifade edilir. Bu, göreceli bir orandır ve ortalama tane çapıyla ilişkilidir. ASTM tane boyutu değeri ne kadar yüksekse, birim alan başına o kadar fazla tane vardır.
Tavlanmış malzemenin tane boyutu zamana, sıcaklığa ve soğutma hızına göre değişir. Tavlama genellikle alaşımın yeniden kristalleşme sıcaklığı ile erime noktası arasında gerçekleştirilir. 301 ostenitik paslanmaz çelik alaşımı için önerilen tavlama sıcaklığı aralığı 1.900 ile 2.050 Fahrenheit derece arasındadır. Yaklaşık 2.550 Fahrenheit derece civarında erimeye başlayacaktır. Buna karşılık, ticari olarak saf 1. sınıf titanyum 1.292 Fahrenheit derecede tavlanmalı ve yaklaşık 3.000 Fahrenheit derece civarında erimelidir.
Tavlama sırasında, yeniden kristalleşen taneler tüm deforme olmuş taneleri tüketene kadar toparlanma ve yeniden kristalleşme süreçleri birbirleriyle rekabet eder. Yeniden kristalleşme hızı sıcaklığa göre değişir. Yeniden kristalleşme tamamlandıktan sonra, tane büyümesi devreye girer. 1.900 °F'de bir saat tavlanan 301 paslanmaz çelik bir iş parçası, aynı süre boyunca 2.000 °F'de tavlanan aynı iş parçasından daha ince bir tane yapısına sahip olacaktır.
Malzeme uygun tavlama aralığında yeterince uzun süre tutulmazsa, ortaya çıkan yapı eski ve yeni tanelerin bir kombinasyonu olabilir. Metalin tamamında tekdüze özellikler isteniyorsa, tavlama işlemi tekdüze eş eksenli tane yapısı elde etmeyi hedeflemelidir. Tekdüze, tüm tanelerin yaklaşık olarak aynı boyutta olduğu anlamına gelir ve eş eksenli, yaklaşık olarak aynı şekle sahip oldukları anlamına gelir.
Üniform ve eş eksenli bir mikro yapı elde etmek için, her bir iş parçası aynı miktarda ısıya aynı süre boyunca maruz bırakılmalı ve aynı oranda soğutulmalıdır. Bu, parti tavlamada her zaman kolay veya mümkün olmayabilir, bu nedenle ıslatma süresini hesaplamadan önce en azından tüm iş parçasının uygun sıcaklığa doyurulmasını beklemek önemlidir. Daha uzun ıslatma süreleri ve daha yüksek sıcaklıklar, daha kaba taneli bir yapı/daha yumuşak bir malzeme ile sonuçlanacaktır ve bunun tersi de geçerlidir.
Tane boyutu ve mukavemet ilişkiliyse ve mukavemet biliniyorsa, taneler neden hesaplanır, değil mi? Tüm yıkıcı testler değişkenlik gösterir. Özellikle düşük kalınlıklarda yapılan çekme testleri büyük ölçüde numune hazırlamaya bağlıdır. Gerçek malzeme özelliklerini temsil etmeyen çekme mukavemeti sonuçları erken bozulmaya neden olabilir.
Özellikler iş parçasının her yerinde aynı değilse, bir kenardan çekme testi numunesi veya örneği almak tüm hikayeyi anlatmayabilir. Numune hazırlama ve test etme de zaman alıcı olabilir. Belirli bir metal için kaç test mümkündür ve kaç yönde uygulanabilir? Tane yapısının değerlendirilmesi sürprizlere karşı ekstra bir sigortadır.
Anizotropik, izotropik. Anizotropi, mekanik özelliklerin yönlülüğünü ifade eder. Mukavemete ek olarak anizotropi, tane yapısını inceleyerek daha iyi anlaşılabilir.
Üniform ve eş eksenli bir tane yapısı izotropik olmalıdır, yani her yönde aynı özelliklere sahiptir. İzotropi, özellikle eşmerkezliliğin kritik olduğu derin çekme işlemlerinde önemlidir. Boşluk kalıba çekildiğinde, anizotropik malzeme düzgün bir şekilde akmaz ve bu da küpe adı verilen bir kusura yol açabilir. Küpe, bardağın üst kısmının dalgalı bir siluet oluşturduğu yerde oluşur. Tane yapısının incelenmesi, iş parçasındaki homojensizliklerin yerini ortaya çıkarabilir ve temel nedeni teşhis etmeye yardımcı olabilir.
Uygun tavlama, izotropi elde etmek için kritik öneme sahiptir, ancak tavlamadan önce deformasyonun derecesini anlamak da önemlidir. Malzeme plastik olarak deforme oldukça, taneler de deforme olmaya başlar. Soğuk haddeleme durumunda, kalınlığı uzunluğa dönüştürerek, taneler haddeleme yönünde uzar. Tane en boy oranı değiştikçe, izotropi ve genel mekanik özellikler de değişir. Ağır şekilde deforme olmuş iş parçaları durumunda, tavlamadan sonra bile bir miktar yönelim korunabilir. Bu, anizotropiye neden olur. Derin çekilmiş malzemeler için, aşınmayı önlemek amacıyla bazen son tavlamadan önce deformasyon miktarını sınırlamak gerekir.
Portakal kabuğu. Toplama, kalıpla ilişkili tek derin çekme kusuru değildir. Portakal kabuğu, çok kaba parçacıklara sahip ham maddeler çekildiğinde oluşur. Her tane, bağımsız olarak ve kristal yöneliminin bir fonksiyonu olarak deforme olur. Bitişik taneler arasındaki deformasyon farkı, portakal kabuğuna benzer dokulu bir görünümle sonuçlanır. Doku, kap duvarının yüzeyinde ortaya çıkan granüler yapıdır.
Tıpkı bir televizyon ekranındaki pikseller gibi, ince taneli bir yapıya sahip olduklarından, her bir tane arasındaki fark daha az fark edilir olacak ve bu da çözünürlüğü etkili bir şekilde artıracaktır. Sadece mekanik özellikleri belirlemek, portakal kabuğu etkisini önlemek için yeterince ince bir tane boyutunu garantilemek için yeterli olmayabilir. İş parçasının boyutsal değişimi tane çapının 10 katından az olduğunda, tek tek tanelerin özellikleri şekillendirme davranışını yönlendirecektir. Birçok tane üzerinde eşit şekilde deforme olmaz, ancak her bir tanenin belirli boyutunu ve yönünü yansıtır. Bu, çekilen kapların duvarlarındaki portakal kabuğu etkisinden görülebilir.
ASTM'ye göre 8 tane boyutu için ortalama tane çapı 885 µin'dir. Bu, 0,00885 inç veya daha az herhangi bir kalınlık azalmasının bu mikroformlama etkisinden etkilenebileceği anlamına gelir.
Kaba taneler derin çekme sorunlarına yol açabilse de, bazen baskı için önerilirler.Damgalama, bir boşluğun George Washington'ın yüz hatlarının dörtte biri gibi istenen bir yüzey topografisini vermek için sıkıştırıldığı bir deformasyon işlemidir.Tel çekmenin aksine, damgalama genellikle çok fazla toplu malzeme akışı içermez, bunun yerine boşluğun yüzeyini deforme edebilecek çok fazla kuvvet gerektirir.
Bu nedenle, daha kaba taneli bir yapı kullanarak yüzey akış gerilimini en aza indirmek, kalıbın düzgün doldurulması için gereken kuvvetlerin hafifletilmesine yardımcı olabilir. Bu, özellikle yüzey tanelerindeki çıkıkların tane sınırlarında birikmek yerine serbestçe akabildiği serbest kalıp baskı için geçerlidir.
Burada tartışılan eğilimler, belirli bölümlere uygulanmayabilecek genellemelerdir. Ancak, yaygın kusurlardan kaçınmak ve kalıplama parametrelerini optimize etmek için yeni parçalar tasarlarken ham madde tane boyutunu ölçmenin ve standartlaştırmanın faydalarını vurguladılar.
Hassas metal damgalama makineleri ve parçalarını şekillendirmek için metal üzerinde derin çekme işlemleri üreten üreticiler, malzemeleri tanecik seviyesine kadar optimize etmelerine yardımcı olabilecek teknik olarak kalifiye hassas yeniden haddeleme makinelerindeki metalurjistlerle iyi çalışacaklardır. İlişkinin her iki tarafındaki metalurji ve mühendislik uzmanları tek bir ekipte bir araya geldiğinde, dönüştürücü bir etki yaratabilir ve daha olumlu sonuçlar üretebilir.
STAMPING Dergisi, metal damgalama pazarının ihtiyaçlarını karşılamaya adanmış tek endüstri dergisidir. Yayın, 1989'dan bu yana damgalama profesyonellerinin işlerini daha verimli bir şekilde yürütmelerine yardımcı olmak için en son teknolojileri, endüstri trendlerini, en iyi uygulamaları ve haberleri ele almaktadır.
Artık The FABRICATOR'ın dijital edisyonuna tam erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca erişin.
The Tube & Pipe Journal'ın dijital versiyonu artık tamamen erişilebilir durumda ve değerli sektör kaynaklarına kolay erişim sağlıyor.
Metal damgalama pazarı için en son teknolojik gelişmeleri, en iyi uygulamaları ve sektör haberlerini sağlayan STAMPING Dergisi'nin dijital baskısına tam erişimin keyfini çıkarın.
Artık The Fabricator en Español'un dijital edisyonuna tam erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca erişin.