Có thể đạt được lợi ích bằng cách hiểu sâu hơn về một lớp cấu trúc hạt kiểm soát hành vi cơ học của thép không gỉ.Getty Images
Việc lựa chọn hợp kim thép không gỉ và nhôm thường tập trung vào độ bền, độ dẻo, độ giãn dài và độ cứng. Các đặc tính này cho biết các khối xây dựng của kim loại phản ứng như thế nào với tải trọng tác dụng. Chúng là chỉ báo hiệu quả để quản lý các hạn chế về nguyên liệu thô; nghĩa là, nguyên liệu sẽ uốn cong bao nhiêu trước khi gãy. Nguyên liệu thô phải có khả năng chịu được quá trình đúc mà không bị gãy.
Kiểm tra độ bền kéo và độ cứng phá hủy là phương pháp đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí để xác định các tính chất cơ học. Tuy nhiên, các thử nghiệm này không phải lúc nào cũng đáng tin cậy khi độ dày của nguyên liệu thô bắt đầu hạn chế kích thước của mẫu thử. Tất nhiên, thử nghiệm độ bền kéo của các sản phẩm kim loại phẳng vẫn hữu ích, nhưng có thể đạt được lợi ích bằng cách quan sát sâu hơn một lớp cấu trúc hạt kiểm soát hành vi cơ học của nó.
Kim loại được tạo thành từ một loạt các tinh thể cực nhỏ gọi là hạt. Chúng phân bố ngẫu nhiên trong toàn bộ kim loại. Các nguyên tử của các nguyên tố hợp kim, chẳng hạn như sắt, crom, niken, mangan, silic, cacbon, nitơ, phốt pho và lưu huỳnh trong thép không gỉ austenit, là một phần của một hạt duy nhất. Các nguyên tử này tạo thành dung dịch rắn của các ion kim loại, được liên kết vào mạng tinh thể thông qua các electron chung của chúng.
Thành phần hóa học của hợp kim quyết định sự sắp xếp ưu tiên về mặt nhiệt động lực học của các nguyên tử trong các hạt, được gọi là cấu trúc tinh thể. Các phần đồng nhất của kim loại chứa cấu trúc tinh thể lặp lại tạo thành một hoặc nhiều hạt được gọi là pha. Các tính chất cơ học của hợp kim là một hàm của cấu trúc tinh thể trong hợp kim. Tương tự như vậy đối với kích thước và sự sắp xếp của các hạt trong mỗi pha.
Hầu hết mọi người đều quen thuộc với các giai đoạn của nước. Khi nước lỏng đóng băng, nó trở thành đá rắn. Tuy nhiên, khi nói đến kim loại, không chỉ có một pha rắn. Một số họ hợp kim được đặt tên theo pha của chúng. Trong số các loại thép không gỉ, hợp kim austenit loại 300 chủ yếu bao gồm austenit khi ủ. Tuy nhiên, hợp kim loại loại 400 bao gồm ferit trong thép không gỉ 430 hoặc martensite trong hợp kim thép không gỉ 410 và 420.
Tương tự như vậy đối với hợp kim titan. Tên của mỗi nhóm hợp kim chỉ ra pha chủ yếu của chúng ở nhiệt độ phòng – alpha, beta hoặc hỗn hợp của cả hai. Có các hợp kim alpha, gần alpha, alpha-beta, beta và gần beta.
Khi kim loại lỏng đông đặc, các hạt rắn của pha được ưa thích về mặt nhiệt động lực học sẽ kết tủa ở nơi áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học cho phép. Điều này thường xảy ra tại các giao diện, như tinh thể băng trên bề mặt của một ao nước ấm vào một ngày lạnh. Khi các hạt hình thành, cấu trúc tinh thể phát triển theo một hướng cho đến khi gặp một hạt khác. Các ranh giới hạt hình thành tại các giao điểm của các mạng không khớp nhau do các hướng khác nhau của các cấu trúc tinh thể. Hãy tưởng tượng việc đặt một loạt các khối Rubik có kích thước khác nhau vào một hộp. Mỗi khối có một cách sắp xếp lưới vuông, nhưng tất cả chúng sẽ được sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Một phôi kim loại đông đặc hoàn toàn bao gồm một loạt các hạt có vẻ như được định hướng ngẫu nhiên.
Bất cứ khi nào một hạt được hình thành, đều có khả năng xuất hiện các khuyết tật đường. Những khuyết tật này là những phần bị thiếu trong cấu trúc tinh thể được gọi là sai lệch. Những sai lệch này và chuyển động tiếp theo của chúng trong toàn bộ hạt và qua các ranh giới hạt là yếu tố cơ bản đối với tính dẻo của kim loại.
Mặt cắt ngang của phôi được gắn, mài, đánh bóng và khắc để xem cấu trúc hạt. Khi đồng nhất và cân bằng trục, các cấu trúc vi mô quan sát được trên kính hiển vi quang học trông giống như một câu đố ghép hình. Trên thực tế, các hạt có ba chiều và mặt cắt ngang của mỗi hạt sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng của mặt cắt ngang của phôi.
Khi một cấu trúc tinh thể chứa đầy các nguyên tử, sẽ không còn chỗ cho chuyển động nào khác ngoài sự kéo giãn của các liên kết nguyên tử.
Khi bạn loại bỏ một nửa hàng nguyên tử, bạn sẽ tạo cơ hội cho một hàng nguyên tử khác trượt vào vị trí đó, làm dịch chuyển vị trí một cách hiệu quả. Khi có lực tác dụng vào phôi, chuyển động tổng hợp của các vị trí sai lệch trong cấu trúc vi mô cho phép phôi uốn cong, kéo giãn hoặc nén mà không bị gãy hoặc vỡ.
Khi một lực tác động lên hợp kim kim loại, hệ thống sẽ tăng năng lượng. Nếu đủ năng lượng được bổ sung để gây ra biến dạng dẻo, mạng lưới sẽ biến dạng và các sai lệch mới hình thành. Có vẻ hợp lý khi điều này sẽ làm tăng độ dẻo, vì nó giải phóng nhiều không gian hơn và do đó tạo ra khả năng cho nhiều chuyển động sai lệch hơn. Tuy nhiên, khi các sai lệch va chạm, chúng có thể cố định lẫn nhau.
Khi số lượng và nồng độ các vị trí sai lệch tăng lên, ngày càng có nhiều vị trí sai lệch bị ghim lại với nhau, làm giảm độ dẻo. Cuối cùng, quá nhiều vị trí sai lệch xuất hiện khiến việc tạo hình nguội không còn khả thi nữa. Vì các vị trí sai lệch ghim hiện có không còn có thể di chuyển được nữa nên các liên kết nguyên tử trong mạng tinh thể giãn ra cho đến khi chúng bị đứt hoặc vỡ. Đây là lý do tại sao hợp kim kim loại khi làm việc trở nên cứng hơn và tại sao có giới hạn về lượng biến dạng dẻo mà kim loại có thể chịu được trước khi bị gãy.
Hạt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình ủ. Quá trình ủ vật liệu đã được tôi cứng về cơ bản là thiết lập lại cấu trúc vi mô và do đó khôi phục lại độ dẻo. Trong quá trình ủ, các hạt được chuyển đổi theo ba bước:
Hãy tưởng tượng một người đi qua một toa tàu đông đúc. Đám đông chỉ có thể bị chen lấn bằng cách chừa ra những khoảng trống giữa các hàng, giống như những chỗ lệch trong một lưới mắt cáo. Khi họ tiến lên, những người phía sau họ lấp đầy khoảng trống mà họ để lại, trong khi họ tạo ra không gian mới ở phía trước. Khi họ đến đầu bên kia của toa tàu, sự sắp xếp của hành khách thay đổi. Nếu quá nhiều người cố gắng đi qua cùng một lúc, những hành khách cố gắng nhường chỗ cho họ sẽ va vào nhau và đập vào thành toa tàu, ghim chặt mọi người tại chỗ. Càng có nhiều chỗ lệch xuất hiện, họ càng khó di chuyển cùng lúc.
Điều quan trọng là phải hiểu mức độ biến dạng tối thiểu cần thiết để kích hoạt quá trình kết tinh lại. Tuy nhiên, nếu kim loại không có đủ năng lượng biến dạng trước khi bị nung nóng, quá trình kết tinh lại sẽ không xảy ra và các hạt sẽ tiếp tục phát triển vượt quá kích thước ban đầu của chúng.
Tính chất cơ học có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát sự phát triển của hạt. Về cơ bản, ranh giới hạt là một bức tường sai lệch. Chúng cản trở chuyển động.
Nếu sự phát triển của hạt bị hạn chế, số lượng hạt nhỏ được tạo ra sẽ nhiều hơn. Những hạt nhỏ hơn này được coi là mịn hơn về mặt cấu trúc hạt. Nhiều ranh giới hạt hơn có nghĩa là ít chuyển động sai lệch hơn và cường độ cao hơn.
Nếu sự phát triển của hạt không bị hạn chế, cấu trúc hạt sẽ trở nên thô hơn, các hạt lớn hơn, ranh giới ít hơn và độ bền thấp hơn.
Kích thước hạt thường được gọi là số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là tỷ lệ tương đối và liên quan đến đường kính hạt trung bình. Số càng cao thì độ mịn càng cao.
ASTM E112 phác thảo các phương pháp đo lường và đánh giá kích thước hạt. Nó bao gồm việc đếm lượng hạt trong một khu vực nhất định. Điều này thường được thực hiện bằng cách cắt một mặt cắt ngang của nguyên liệu thô, nghiền và đánh bóng, sau đó khắc bằng axit để lộ các hạt. Việc đếm được thực hiện dưới kính hiển vi và độ phóng đại cho phép lấy mẫu đầy đủ các hạt. Việc chỉ định số kích thước hạt ASTM cho thấy mức độ đồng đều hợp lý về hình dạng và đường kính của hạt. Thậm chí có thể có lợi khi giới hạn sự thay đổi về kích thước hạt ở hai hoặc ba điểm để đảm bảo hiệu suất nhất quán trên toàn bộ phôi.
Trong trường hợp làm cứng khi làm việc, độ bền và độ dẻo có mối quan hệ nghịch đảo. Mối quan hệ giữa kích thước hạt ASTM và độ bền có xu hướng tích cực và mạnh mẽ, nhìn chung độ giãn dài có mối quan hệ nghịch đảo với kích thước hạt ASTM. Tuy nhiên, sự phát triển quá mức của hạt có thể khiến vật liệu "mềm chết" không còn làm cứng hiệu quả khi làm việc.
Kích thước hạt thường được gọi là số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là tỷ lệ tương đối và liên quan đến đường kính hạt trung bình. Giá trị kích thước hạt ASTM càng cao thì số lượng hạt trên một đơn vị diện tích càng nhiều.
Kích thước hạt của vật liệu ủ thay đổi theo thời gian, nhiệt độ và tốc độ làm mát. Quá trình ủ thường được thực hiện ở nhiệt độ kết tinh lại và điểm nóng chảy của hợp kim. Phạm vi nhiệt độ ủ được khuyến nghị cho hợp kim thép không gỉ austenit 301 là từ 1.900 đến 2.050 độ F. Nó sẽ bắt đầu nóng chảy ở khoảng 2.550 độ F. Ngược lại, titan loại 1 tinh khiết thương mại nên được ủ ở nhiệt độ 1.292 độ F và nóng chảy ở khoảng 3.000 độ F.
Trong quá trình ủ, quá trình phục hồi và tái kết tinh cạnh tranh với nhau cho đến khi các hạt tái kết tinh tiêu thụ hết tất cả các hạt bị biến dạng. Tốc độ tái kết tinh thay đổi theo nhiệt độ. Khi quá trình tái kết tinh hoàn tất, quá trình phát triển của hạt sẽ diễn ra. Một phôi thép không gỉ 301 được ủ ở nhiệt độ 1.900°F trong một giờ sẽ có cấu trúc hạt mịn hơn so với cùng một phôi được ủ ở nhiệt độ 2.000°F trong cùng thời gian.
Nếu vật liệu không được giữ trong phạm vi ủ thích hợp đủ lâu, cấu trúc thu được có thể là sự kết hợp của các hạt cũ và mới. Nếu muốn kim loại có các tính chất đồng nhất, quá trình ủ nên hướng tới mục tiêu đạt được cấu trúc hạt đồng đều theo trục. Đồng đều có nghĩa là tất cả các hạt có kích thước gần bằng nhau, và đồng đều theo trục có nghĩa là chúng có hình dạng gần bằng nhau.
Để có được cấu trúc vi mô đồng nhất và cân bằng trục, mỗi phôi phải được tiếp xúc với cùng một lượng nhiệt trong cùng một khoảng thời gian và phải nguội với cùng một tốc độ. Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng hoặc khả thi với phương pháp ủ mẻ, do đó, điều quan trọng là phải đợi ít nhất cho đến khi toàn bộ phôi được bão hòa ở nhiệt độ thích hợp trước khi tính toán thời gian ngâm. Thời gian ngâm dài hơn và nhiệt độ cao hơn sẽ tạo ra cấu trúc hạt thô hơn/vật liệu mềm hơn và ngược lại.
Nếu kích thước và độ bền của hạt có liên quan và độ bền đã biết, tại sao lại phải tính toán hạt, đúng không?Tất cả các thử nghiệm phá hủy đều có tính biến thiên.Thử nghiệm kéo, đặc biệt là ở độ dày thấp hơn, phụ thuộc phần lớn vào quá trình chuẩn bị mẫu.Kết quả độ bền kéo không thể hiện các đặc tính thực tế của vật liệu có thể bị hỏng sớm.
Nếu các tính chất không đồng đều trên toàn bộ phôi, việc lấy mẫu thử kéo hoặc mẫu từ một cạnh có thể không cho biết toàn bộ câu chuyện. Việc chuẩn bị và thử nghiệm mẫu cũng có thể tốn thời gian. Có bao nhiêu thử nghiệm có thể thực hiện đối với một kim loại nhất định và có thể thực hiện theo bao nhiêu hướng? Đánh giá cấu trúc hạt là một biện pháp bảo hiểm bổ sung chống lại những điều bất ngờ.
Dị hướng, đẳng hướng. Dị hướng đề cập đến tính hướng của các đặc tính cơ học. Ngoài độ bền, tính dị hướng có thể được hiểu rõ hơn bằng cách kiểm tra cấu trúc hạt.
Cấu trúc hạt đồng nhất và đẳng trục phải đẳng hướng, nghĩa là có cùng tính chất theo mọi hướng. Tính đẳng hướng đặc biệt quan trọng trong các quy trình kéo sâu, nơi mà tính đồng tâm là yếu tố quan trọng. Khi phôi được kéo vào khuôn, vật liệu dị hướng sẽ không chảy đồng đều, có thể dẫn đến khuyết tật gọi là rỗ. Rỗ xảy ra khi phần trên của cốc tạo thành hình bóng lượn sóng. Kiểm tra cấu trúc hạt có thể phát hiện vị trí không đồng nhất trong phôi và giúp chẩn đoán nguyên nhân gốc rễ.
Ủ đúng cách là rất quan trọng để đạt được tính đẳng hướng, nhưng cũng quan trọng không kém là phải hiểu mức độ biến dạng trước khi ủ. Khi vật liệu biến dạng dẻo, các hạt bắt đầu biến dạng. Trong trường hợp cán nguội, chuyển đổi độ dày thành chiều dài, các hạt sẽ kéo dài theo hướng cán. Khi tỷ lệ khía cạnh của các hạt thay đổi, tính đẳng hướng và các đặc tính cơ học tổng thể cũng thay đổi. Trong trường hợp phôi bị biến dạng nặng, một số hướng có thể được giữ lại ngay cả sau khi ủ. Điều này dẫn đến tính dị hướng. Đối với vật liệu kéo sâu, đôi khi cần phải hạn chế lượng biến dạng trước khi ủ cuối cùng để tránh mài mòn.
Vỏ cam. Nhặt không phải là lỗi kéo sâu duy nhất liên quan đến khuôn. Vỏ cam xảy ra khi nguyên liệu thô có hạt quá thô được kéo. Mỗi hạt biến dạng độc lập và theo chức năng của hướng tinh thể của nó. Sự khác biệt về biến dạng giữa các hạt liền kề dẫn đến hình dạng có kết cấu tương tự như vỏ cam. Kết cấu là cấu trúc dạng hạt lộ ra trên bề mặt thành cốc.
Giống như các điểm ảnh trên màn hình TV, với cấu trúc hạt mịn, sự khác biệt giữa mỗi hạt sẽ ít đáng chú ý hơn, giúp tăng độ phân giải một cách hiệu quả. Chỉ xác định các tính chất cơ học có thể không đủ để đảm bảo kích thước hạt đủ mịn để ngăn ngừa hiệu ứng vỏ cam. Khi sự thay đổi kích thước phôi nhỏ hơn 10 lần đường kính hạt, các tính chất của từng hạt sẽ thúc đẩy hành vi tạo hình. Nó không biến dạng như nhau trên nhiều hạt, nhưng phản ánh kích thước và hướng cụ thể của từng hạt. Điều này có thể thấy từ hiệu ứng vỏ cam trên thành cốc kéo.
Đối với kích thước hạt ASTM là 8, đường kính hạt trung bình là 885 µin. Điều này có nghĩa là bất kỳ sự giảm độ dày nào là 0,00885 inch trở xuống đều có thể bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng vi tạo hình này.
Mặc dù hạt thô có thể gây ra các vấn đề về kéo sâu, nhưng đôi khi chúng được khuyến khích sử dụng để in. Dập là một quá trình biến dạng trong đó phôi được nén để tạo ra địa hình bề mặt mong muốn, chẳng hạn như một phần tư đường nét khuôn mặt của George Washington. Không giống như kéo bằng dây, dập thường không liên quan đến nhiều dòng vật liệu rời, nhưng lại đòi hỏi nhiều lực, có thể chỉ làm biến dạng bề mặt của phôi.
Vì lý do này, việc giảm thiểu ứng suất chảy bề mặt bằng cách sử dụng cấu trúc hạt thô hơn có thể giúp giảm bớt các lực cần thiết để lấp đầy khuôn đúng cách. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp in khuôn tự do, trong đó các vị trí sai lệch trên các hạt bề mặt có thể chảy tự do thay vì tích tụ ở ranh giới hạt.
Các xu hướng được thảo luận ở đây là những khái quát có thể không áp dụng cho các phần cụ thể. Tuy nhiên, chúng đã nêu bật những lợi ích của việc đo lường và chuẩn hóa kích thước hạt nguyên liệu thô khi thiết kế các bộ phận mới để tránh những sai lầm thường gặp và tối ưu hóa các thông số đúc.
Các nhà sản xuất máy dập kim loại chính xác và các hoạt động kéo sâu trên kim loại để tạo thành các bộ phận của họ sẽ làm việc tốt với các nhà luyện kim trên các máy cán chính xác có trình độ kỹ thuật, những người có thể giúp họ tối ưu hóa vật liệu xuống đến cấp độ hạt. Khi các chuyên gia về luyện kim và kỹ thuật ở cả hai bên của mối quan hệ được tích hợp thành một nhóm, điều này có thể tạo ra tác động chuyển đổi và tạo ra nhiều kết quả tích cực hơn.
Tạp chí STAMPING là tạp chí chuyên ngành duy nhất phục vụ nhu cầu của thị trường dập kim loại. Từ năm 1989, ấn phẩm này đã đưa tin về các công nghệ tiên tiến, xu hướng ngành, các phương pháp hay nhất và tin tức để giúp các chuyên gia dập điều hành doanh nghiệp của mình hiệu quả hơn.
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị trong ngành.
Phiên bản kỹ thuật số của The Tube & Pipe Journal hiện đã có thể truy cập đầy đủ, giúp bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị trong ngành.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của Tạp chí STAMPING, nơi cung cấp những tiến bộ công nghệ mới nhất, các phương pháp hay nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Fabricator en Español, dễ dàng truy cập vào các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.