Переваги можна отримати, вивчивши один шар зернистої структури, який контролює механічну поведінку нержавіючої сталі. Getty Images
Вибір нержавіючої сталі та алюмінієвих сплавів зазвичай зосереджується на міцності, пластичності, видовженні та твердості. Ці властивості вказують на те, як будівельні блоки металу реагують на прикладені навантаження. Вони є ефективним показником управління обмеженнями сировини, тобто наскільки вона зігнеться, перш ніж зламається. Сировина повинна бути здатною витримувати процес формування без руйнування.
Руйнівний контроль на розтяг та твердість – це надійний та економічно ефективний метод визначення механічних властивостей. Однак ці випробування не завжди є такими надійними, як тільки товщина сировини починає обмежувати розмір випробуваного зразка. Випробування на розтяг плоских металевих виробів, звичайно, все ще корисні, але переваги можна отримати, якщо глибше розглянути один шар зернистої структури, який контролює його механічну поведінку.
Метали складаються з серії мікроскопічних кристалів, які називаються зернами. Вони хаотично розподілені по всьому металу. Атоми легуючих елементів, таких як залізо, хром, нікель, марганець, кремній, вуглець, азот, фосфор і сірка в аустенітних нержавіючих сталях, є частиною одного зерна. Ці атоми утворюють твердий розчин іонів металів, які зв'язані в кристалічній решітці через свої спільні електрони.
Хімічний склад сплаву визначає термодинамічно переважне розташування атомів у зернах, відоме як кристалічна структура. Однорідні частини металу, що містять повторювану кристалічну структуру, утворюють одне або кілька зерен, які називаються фазами. Механічні властивості сплаву є функцією кристалічної структури сплаву. Те саме стосується розміру та розташування зерен кожної фази.
Більшість людей знайомі зі стадіями води. Коли рідка вода замерзає, вона перетворюється на твердий лід. Однак, коли йдеться про метали, існує не лише одна тверда фаза. Деякі сімейства сплавів називаються на честь їхніх фаз. Серед нержавіючих сталей аустенітні сплави серії 300 складаються переважно з аустеніту після відпалу. Однак сплави серії 400 складаються з фериту в нержавіючій сталі 430 або мартенситу в сплавах нержавіючої сталі 410 та 420.
Те саме стосується титанових сплавів. Назва кожної групи сплавів вказує на їх переважну фазу за кімнатної температури – альфа, бета або суміш обох. Існують альфа, майже альфа, альфа-бета, бета та майже бета сплави.
Коли рідкий метал затвердіє, тверді частинки термодинамічно переважної фази осідатимуть там, де дозволяють тиск, температура та хімічний склад. Зазвичай це відбувається на поверхнях розділу фаз, як-от кристали льоду на поверхні теплого ставка в холодний день. Коли зерна зароджуються, кристалічна структура зростає в одному напрямку, доки не зустрінеться інше зерно. Межі зерен утворюються на перетинах невідповідних ґраток через різну орієнтацію кристалічних структур. Уявіть, що ви кладете купу кубиків Рубіка різного розміру в коробку. Кожен кубик має квадратну сітку, але всі вони будуть розташовані в різних випадкових напрямках. Повністю затверділа металева заготовка складається з серії, здавалося б, випадково орієнтованих зерен.
Щоразу, коли утворюється зерно, існує ймовірність появи лінійних дефектів. Ці дефекти – це відсутні частини кристалічної структури, які називаються дислокаціями. Ці дислокації та їх подальший рух по всьому зерну та через межі зерен є основоположними для пластичності металу.
Поперечний переріз заготовки монтується, шліфується, полірується та травиться для огляду структури зерен. Коли мікроструктури, що спостерігаються під оптичним мікроскопом, однорідні та рівновісні, вони трохи нагадують пазл. Насправді зерна є тривимірними, і поперечний переріз кожного зерна змінюватиметься залежно від орієнтації поперечного перерізу заготовки.
Коли кристалічна структура заповнена всіма своїми атомами, немає місця для руху, окрім розтягування атомних зв'язків.
Коли ви видаляєте половину ряду атомів, ви створюєте можливість для іншого ряду атомів прослизнути в це положення, ефективно переміщуючи дислокацію. Коли до заготовки прикладається сила, агрегований рух дислокацій у мікроструктурі дозволяє їй згинатися, розтягуватися або стискатися без руйнування або розриву.
Коли на металевий сплав діє сила, енергія системи збільшується. Якщо додається достатньо енергії для виникнення пластичної деформації, решітка деформується і утворюються нові дислокації. Здається логічним, що це має збільшити пластичність, оскільки звільняє більше простору і таким чином створює потенціал для більшого руху дислокацій. Однак, коли дислокації стикаються, вони можуть фіксувати одна одну.
Зі збільшенням кількості та концентрації дислокацій все більше дислокацій закріплюються разом, що знижує пластичність. Зрештою, з'являється так багато дислокацій, що холодне формування стає неможливим. Оскільки існуючі закріплені дислокації більше не можуть рухатися, атомні зв'язки в решітці розтягуються, доки не розірвуться або не зламаються. Ось чому металеві сплави тверднуть під дією робочого тиску, і чому існує обмеження на величину пластичної деформації, яку метал може витримати до руйнування.
Зерно також відіграє важливу роль у відпалі. Відпал зміцненого матеріалу по суті скидає мікроструктуру і таким чином відновлює пластичність. Під час процесу відпалу зерна трансформуються у три етапи:
Уявіть собі людину, яка йде крізь переповнений вагон поїзда. Натовп можна стиснути, лише залишаючи проміжки між рядами, як дислокації в решітці. У міру просування люди позаду них заповнювали порожнечу, яку вони залишили, створюючи при цьому новий простір попереду. Як тільки вони досягають іншого кінця вагона, розташування пасажирів змінюється. Якщо забагато людей намагаються пройти одночасно, пасажири, які намагаються звільнити місце для свого руху, зіштовхуватимуться один з одним і вдарятимуться об стіни вагонів, притискаючи всіх до місця. Чим більше дислокацій з'являється, тим важче їм рухатися одночасно.
Важливо розуміти мінімальний рівень деформації, необхідний для запуску рекристалізації. Однак, якщо метал не має достатньої енергії деформації перед нагріванням, рекристалізація не відбудеться, і зерна просто продовжуватимуть рости понад свій початковий розмір.
Механічні властивості можна налаштувати, контролюючи ріст зерен. Межа зерен – це, по суті, стіна дислокацій. Вони перешкоджають руху.
Якщо ріст зерен обмежений, утворюватиметься більша кількість дрібних зерен. Ці менші зерна вважаються дрібнішими з точки зору структури зерен. Більше меж зерен означає менший рух дислокацій та вищу міцність.
Якщо ріст зерен не обмежується, структура зерен стає грубішою, зерна більшими, межі меншими, а міцність нижчою.
Розмір зерна часто називають числом без одиниць вимірювання, десь між 5 і 15. Це відносне співвідношення, яке пов'язане із середнім діаметром зерна. Чим більше число, тим дрібніша зернистість.
Стандарт ASTM E112 описує методи вимірювання та оцінки розміру зерна. Він включає підрахунок кількості зерна в заданій області. Зазвичай це робиться шляхом розрізання поперечного перерізу сировини, її шліфування та полірування, а потім травлення кислотою для виявлення частинок. Підрахунок проводиться під мікроскопом, а збільшення дозволяє адекватно відбирати зразки зерен. Присвоєння чисел розміру зерна за стандартом ASTM вказує на прийнятний рівень однорідності форми та діаметра зерна. Може бути навіть вигідним обмежити варіацію розміру зерна двома або трьома точками, щоб забезпечити стабільну продуктивність по всій заготовці.
У випадку зміцнення під тиском, міцність та пластичність мають обернену залежність. Зв'язок між розміром зерна ASTM та міцністю, як правило, позитивний та сильний, зазвичай видовження обернено пропорційне розміру зерна ASTM. Однак надмірне зростання зерна може призвести до того, що «мертві м'які» матеріали більше не зміцнюються ефективно під тиском.
Розмір зерна часто називають числом без одиниць вимірювання, десь між 5 і 15. Це відносне співвідношення, яке пов'язане із середнім діаметром зерна. Чим вище значення розміру зерна за стандартом ASTM, тим більше зерен на одиницю площі.
Розмір зерна відпаленого матеріалу змінюється залежно від часу, температури та швидкості охолодження. Відпал зазвичай проводиться між температурою рекристалізації та температурою плавлення сплаву. Рекомендований діапазон температур відпалу для аустенітного нержавіючого сплаву 301 становить від 1900 до 2050 градусів за Фаренгейтом. Він почне плавитися приблизно за 2550 градусів за Фаренгейтом. На противагу цьому, комерційно чистий титан 1-го класу слід відпалювати при 1292 градусах за Фаренгейтом і плавитися приблизно за 3000 градусів за Фаренгейтом.
Під час відпалу процеси відновлення та рекристалізації конкурують один з одним, доки рекристалізовані зерна не поглинуть усі деформовані зерна. Швидкість рекристалізації змінюється залежно від температури. Після завершення рекристалізації відбувається ріст зерен. Заготовка з нержавіючої сталі 301, відпалена при температурі 1900°F протягом однієї години, матиме дрібнішу структуру зерна, ніж така ж заготовка, відпалена при температурі 2000°F протягом того ж часу.
Якщо матеріал не витримується в належному діапазоні відпалу достатньо довго, отримана структура може бути комбінацією старих і нових зерен. Якщо бажані однорідні властивості по всьому металу, процес відпалу повинен бути спрямований на досягнення однорідної рівновісної структури зерен. Однорідна означає, що всі зерна приблизно однакового розміру, а рівновісна означає, що вони приблизно однакової форми.
Щоб отримати однорідну та рівноосьову мікроструктуру, кожну заготовку слід піддавати впливу однакової кількості тепла протягом однакового часу та охолоджувати з однаковою швидкістю. Це не завжди легко або можливо при пакетному відпалі, тому важливо принаймні почекати, поки вся заготовка не насичується при відповідній температурі, перш ніж розраховувати час витримки. Довший час витримки та вищі температури призведуть до грубішої зернистої структури/м'якшого матеріалу і навпаки.
Якщо розмір зерна та міцність пов'язані, а міцність відома, то навіщо розраховувати зерна, чи не так? Усі руйнівні випробування мають мінливість. Випробування на розтяг, особливо при меншій товщині, значною мірою залежать від підготовки зразка. Результати вимірювання міцності на розтяг, які не відображають фактичних властивостей матеріалу, можуть передчасно вийти з ладу.
Якщо властивості не є однорідними по всій заготовці, взяття зразка для випробування на розтяг або зразка з одного краю може не дати всієї інформації. Підготовка та випробування зразка також можуть зайняти багато часу. Скільки випробувань можна провести для даного металу та в скількох напрямках це можливо? Оцінка структури зерна є додатковим захистом від несподіванок.
Анізотропний, ізотропний. Анізотропія стосується спрямованості механічних властивостей. Окрім міцності, анізотропію можна краще зрозуміти, досліджуючи структуру зерен.
Однорідна та рівноосьова структура зерна повинна бути ізотропною, що означає, що вона має однакові властивості в усіх напрямках. Ізотропія особливо важлива в процесах глибокого витягування, де концентричність є критично важливою. Коли заготовку втягують у форму, анізотропний матеріал не буде текти рівномірно, що може призвести до дефекту, який називається «серьезкою». Серьга виникає там, де верхня частина чашки утворює хвилястий силует. Дослідження структури зерна може виявити розташування неоднорідностей у заготовці та допомогти діагностувати першопричину.
Правильний відпал має вирішальне значення для досягнення ізотропії, але також важливо розуміти ступінь деформації перед відпалом. У міру пластичної деформації матеріалу зерна починають деформуватися. У випадку холодного прокату, перетворення товщини на довжину, зерна видовжуються в напрямку прокату. Зі зміною співвідношення сторін зерен змінюється ізотропія та загальні механічні властивості. У випадку сильно деформованих заготовок деяка орієнтація може зберігатися навіть після відпалу. Це призводить до анізотропії. Для матеріалів глибокої витяжки іноді необхідно обмежити величину деформації перед остаточним відпалом, щоб уникнути зносу.
Апельсинова шкірка. Набрякання – не єдиний дефект глибокої витяжки, пов'язаний з матрицею. Апельсинова шкірка виникає, коли витягують сировину з занадто грубими частинками. Кожне зерно деформується незалежно та залежно від його кристалічної орієнтації. Різниця в деформації між сусідніми зернами призводить до текстурованого вигляду, подібного до апельсинової шкірки. Текстура – ​​це зерниста структура, що проявляється на поверхні стінки чашки.
Так само, як і пікселі на екрані телевізора, з дрібнозернистою структурою різниця між кожним зерном буде менш помітною, що ефективно збільшує роздільну здатність. Одного лише визначення механічних властивостей може бути недостатньо для забезпечення достатньо дрібного розміру зерна, щоб запобігти ефекту «апельсинової кірки». Коли розмірна варіація заготовки менша ніж у 10 разів перевищує діаметр зерна, властивості окремих зерен визначатимуть поведінку формування. Воно не деформується однаково по багатьох зернах, а відображає конкретний розмір та орієнтацію кожного зерна. Це можна побачити з ефекту «апельсинової кірки» на стінках витягнутих чашок.
Для розміру зерна ASTM 8 середній діаметр зерна становить 885 мкдюймів. Це означає, що будь-яке зменшення товщини на 0,00885 дюйма або менше може бути вплинуте на цей ефект мікроформування.
Хоча грубі зерна можуть спричиняти проблеми з глибоким витягуванням, їх іноді рекомендують для тиснення. Штампування – це процес деформації, під час якого заготовка стискається для надання бажаної топографії поверхні, наприклад, чверті контурів обличчя Джорджа Вашингтона. На відміну від волочіння дротом, штампування зазвичай не передбачає великого потоку сипучого матеріалу, але вимагає великої сили, що може лише деформувати поверхню заготовки.
З цієї причини мінімізація поверхневого напруження потоку шляхом використання більш грубої зернистої структури може допомогти зменшити сили, необхідні для належного заповнення форми. Це особливо актуально для вільного штампування, де дислокації на поверхневих зернах можуть вільно текти, а не накопичуватися на межах зерен.
Обговорені тут тенденції є узагальненнями, які можуть не стосуватися конкретних розділів. Однак вони підкреслюють переваги вимірювання та стандартизації розміру зерна сировини під час проектування нових деталей, щоб уникнути поширених дефектів та оптимізувати параметри лиття.
Виробники прецизійних штампувальних верстатів для металу та машин для глибокого витягування металу для формування своїх деталей добре співпрацюватимуть з металургами, які працюють на технічно кваліфікованих прецизійних верстатах для повторного вальцьування, що допоможе їм оптимізувати матеріали аж до рівня зерна. Коли експерти з металургії та інженерії з обох сторін взаємодії об'єднані в одну команду, це може мати трансформаційний вплив та призвести до більш позитивних результатів.
Журнал «ШТАМПУВАННЯ» – єдиний галузевий журнал, присвячений обслуговуванню потреб ринку штампування металу. З 1989 року видання висвітлює передові технології, галузеві тенденції, передовий досвід та новини, щоб допомогти фахівцям зі штампування вести свій бізнес ефективніше.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The FABRICATOR, легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Цифрове видання журналу «The Tube & Pipe Journal» тепер повністю доступне, забезпечуючи легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Насолоджуйтесь повним доступом до цифрового видання журналу STAMPING, який містить найновіші технологічні досягнення, передовий досвід та новини галузі для ринку штампування металу.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The Fabricator en Español, легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.