Việc hiểu rõ một lớp cấu trúc hạt kiểm soát tính chất cơ học của thép không gỉ có thể mang lại nhiều lợi ích. (Ảnh: Getty Images)
Việc lựa chọn thép không gỉ và hợp kim nhôm thường tập trung vào độ bền, độ dẻo, độ giãn dài và độ cứng. Những đặc tính này cho biết các thành phần cấu tạo của kim loại phản ứng như thế nào với tải trọng tác dụng. Chúng là một chỉ số hiệu quả để quản lý các hạn chế của nguyên liệu thô; tức là, nó có thể uốn cong đến mức nào trước khi bị gãy. Nguyên liệu thô phải có khả năng chịu được quá trình tạo hình mà không bị gãy.
Kiểm tra độ bền kéo và độ cứng bằng phương pháp phá hủy là một 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 vật liệu thô bắt đầu hạn chế kích thước của mẫu thử. Tất nhiên, việc kiểm tra độ bền kéo của các sản phẩm kim loại phẳng vẫn hữu ích, nhưng có thể thu được lợi ích bằng cách nghiên cứu sâu hơn một lớp cấu trúc hạt kiểm soát hành vi cơ học của nó.
Kim loại được cấu tạo từ một loạt các tinh thể siêu nhỏ gọi là hạt. Chúng được phân bố ngẫu nhiên khắp 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 một dung dịch rắn của các ion kim loại, được liên kết vào mạng tinh thể thông qua các electron dùng chung.
Thành phần hóa học của hợp kim quyết định sự sắp xếp các nguyên tử ưu tiên về mặt nhiệt động học 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. Tính chất cơ học của hợp kim là một hàm của cấu trúc tinh thể trong hợp kim. Điều tương tự cũng đúng với kích thước và sự sắp xếp của các hạt trong mỗi pha.
Hầu hết mọi người đều quen thuộc với các trạng thái của nước. Khi nước lỏng đóng băng, nó trở thành đá rắn. Tuy nhiên, đối với kim loại, không chỉ có một pha rắn duy nhất. Một số nhóm hợp kim được đặt tên theo các pha của chúng. Trong số các loại thép không gỉ, hợp kim austenit dòng 300 chủ yếu bao gồm austenit khi được ủ. Tuy nhiên, hợp kim dòng 400 bao gồm ferit trong thép không gỉ 430 hoặc mactenxit trong hợp kim thép không gỉ 410 và 420.
Điều tương tự cũng áp dụng cho hợp kim titan. Tên của mỗi nhóm hợp kim cho biết pha chiếm ưu thế của chúng ở nhiệt độ phòng – alpha, beta hoặc hỗn hợp 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 ưu tiên về mặt nhiệt động lực học sẽ kết tủa ở những nơi áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học cho phép. Điều này thường xảy ra ở các giao diện, giống như các tinh thể băng trên bề mặt 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 điểm giao nhau của các mạng tinh thể không khớp do sự định hướng khác nhau của các cấu trúc tinh thể. Hãy tưởng tượng đặt một loạt các khối Rubik có kích thước khác nhau vào một hộp. Mỗi khối có một lưới vuông, nhưng chúng sẽ được sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau. Một phôi kim loại đã đông đặc hoàn toàn bao gồm một loạt các hạt dường như được định hướng ngẫu nhiên.
Bất cứ khi nào một hạt tinh thể được hình thành, đều có khả năng xuất hiện các khuyết tật đường thẳng. Những khuyết tật này là những phần bị thiếu trong cấu trúc tinh thể được gọi là lệch mạng. Các lệch mạng này và sự di chuyển tiếp theo của chúng trong toàn bộ hạt và qua các ranh giới giữa các hạt là yếu tố cơ bản quyết định độ dẻo của kim loại.
Một mặt cắt ngang của phôi được gắn, mài, đánh bóng và khắc để quan sát cấu trúc hạt. Khi đồng nhất và có hình dạng đều, cấu trúc vi mô quan sát được dưới kính hiển vi quang học trông giống như một bức tranh ghép hình. Trên thực tế, các hạt có cấu trúc ba chiều, và mặt cắt ngang của mỗi hạt sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng của mặt cắt ngang phôi.
Khi một cấu trúc tinh thể được lấp đầy bởi tất cả các nguyên tử, sẽ không còn chỗ cho chuyển động nào khác ngoài sự giãn nở của các liên kết nguyên tử.
Khi bạn loại bỏ một nửa hàng nguyên tử, bạn tạo ra cơ hội cho một hàng nguyên tử khác trượt vào vị trí đó, làm dịch chuyển hiệu quả sự lệch mạng. Khi một lực tác dụng lên phôi, chuyển động tổng hợp của các lệch mạng trong cấu trúc vi mô cho phép nó 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 thêm vào để gây ra biến dạng dẻo, mạng tinh thể sẽ biến dạng và hình thành các lệch mạng mới. Có vẻ hợp lý khi cho rằng điều này sẽ làm tăng độ dẻo, vì nó giải phóng thêm không gian và do đó tạo ra tiềm năng cho sự chuyển động của nhiều lệch mạng hơn. Tuy nhiên, khi các lệch mạng va chạm, chúng có thể cố định lẫn nhau.
Khi số lượng và nồng độ các sai lệch mạng tăng lên, ngày càng nhiều sai lệch mạng bị ghim lại với nhau, làm giảm độ dẻo. Cuối cùng, số lượng sai lệch mạng xuất hiện quá nhiều đến nỗi việc tạo hình nguội không còn khả thi nữa. Vì các sai lệch mạng bị ghim hiện có không thể di chuyển được nữa, các liên kết nguyên tử trong mạng tinh thể bị kéo giãn cho đến khi chúng bị đứt hoặc gãy. Đây là lý do tại sao hợp kim kim loại bị cứng do biến dạng dẻo, và tại sao có giới hạn về lượng biến dạng dẻo mà kim loại có thể chịu được trước khi bị gãy.
Cấu trúc hạt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình ủ. Việc ủ vật liệu đã được làm cứng bằng gia công cơ học về cơ bản sẽ thiết lập lại cấu trúc vi mô và do đó khôi phục độ dẻo. Trong quá trình ủ, các hạt được biến đổi qua ba bước:
Hãy tưởng tượng một người đang đi bộ qua một toa tàu đông đúc. Chỉ có thể chen chúc đám đông bằng cách để lại khoảng trống giữa các hàng người, giống như những khoảng trống không đồng đều trong một mạng lưới. Khi họ tiến lên, những người phía sau sẽ lấp đầy khoảng trống mà họ để lại, đồng thời tạo ra không gian mới phía trước. Khi đến cuối toa tàu, sự sắp xếp của hành khách sẽ thay đổi. Nếu quá nhiều người cố gắng đi qua cùng một lúc, các hành khách cố gắng tạo chỗ cho sự di chuyển của họ sẽ va chạm vào nhau và đập vào thành toa tàu, khiến mọi người bị kẹt lại. Càng nhiều khoảng trống không đồng đều xuất hiện, việc di chuyển cùng một lúc càng khó khăn hơn.
Điều quan trọng là phải hiểu mức độ biến dạng tối thiểu cần thiết để kích hoạt quá trình tái kết tinh. Tuy nhiên, nếu kim loại không có đủ năng lượng biến dạng trước khi nung nóng, quá trình tái kết tinh sẽ không xảy ra và các hạt sẽ tiếp tục phát triển vượt quá kích thước ban đầu của chúng.
Các tính chất cơ học có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát sự phát triển của hạt. Ranh giới hạt về cơ bản là một bức tường gồm các sai lệch cấu trúc. Chúng cản trở sự chuyển động.
Nếu sự phát triển của hạt bị hạn chế, số lượng hạt nhỏ hơn sẽ được tạo ra sẽ nhiều hơn. Những hạt nhỏ hơn này được coi là mịn hơn về cấu trúc hạt. Nhiều ranh giới hạt hơn có nghĩa là ít chuyển động lệch mạng hơn và độ bền 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 giữa các hạt ít hơn và độ bền thấp hơn.
Kích thước hạt thường được biểu thị bằng một số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là một tỷ lệ tương đối và có liên quan đến đường kính hạt trung bình. Số càng cao thì độ mịn của hạt càng lớn.
Tiêu chuẩn ASTM E112 quy định các phương pháp đo lường và đánh giá kích thước hạt. Phương pháp này bao gồm việc đếm số lượng hạt trong một khu vực nhất định. Thông thường, việc này được thực hiện bằng cách cắt ngang vật liệu thô, mài và đánh bóng, sau đó khắc bằng axit để làm lộ các hạt. Việc đếm được thực hiện dưới kính hiển vi, và độ phóng đại cho phép lấy mẫu hạt một cách đầy đủ. Việc gán số kích thước hạt ASTM cho thấy mức độ đồng nhất hợp lý về hình dạng và đường kính hạt. Thậm chí, việc hạn chế sự biến đổi về kích thước hạt chỉ ở hai hoặc ba điểm có thể mang lại lợi ích trong việc đảm bảo hiệu suất nhất quán trên toàn bộ phôi.
Trong trường hợp làm cứng vật liệu do gia công, độ bền và độ dẻo có mối quan hệ nghịch đảo. Mối quan hệ giữa kích thước hạt ASTM và độ bền thường là tích cực và mạnh, nói chung độ giãn dài tỷ lệ nghịch với kích thước hạt ASTM. Tuy nhiên, sự phát triển hạt quá mức có thể khiến các vật liệu "mềm chết" không còn làm cứng hiệu quả nữa.
Kích thước hạt thường được biểu thị bằng một số không có đơn vị, nằm trong khoảng từ 5 đến 15. Đây là một tỷ lệ tương đối và có liên quan đến đường kính hạt trung bình. Giá trị kích thước hạt ASTM càng cao, số lượng hạt trên một đơn vị diện tích càng nhiều.
Kích thước hạt của vật liệu được ủ thay đổi theo thời gian, nhiệt độ và tốc độ làm nguội. Quá trình ủ thường được thực hiện giữa nhiệt độ tái kết tinh 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 tinh khiết cấp 1 thương mại nên được ủ ở 1.292 độ F và nóng chảy ở khoảng 3.000 độ F.
Trong quá trình ủ nhiệt, các quá trình phục hồi và tái kết tinh cạnh tranh với nhau cho đến khi các hạt tái kết tinh tiêu thụ hết các hạt bị biến dạng. Tốc độ tái kết tinh thay đổi theo nhiệt độ. Sau khi quá trình tái kết tinh hoàn tất, quá trình tăng trưởng hạt sẽ diễn ra. Một phôi thép không gỉ 301 được ủ ở 1.900°F trong một giờ sẽ có cấu trúc hạt mịn hơn so với cùng một phôi được ủ ở 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 giữa các hạt cũ và hạt mới. Nếu muốn có các đặc tính đồng nhất trong toàn bộ kim loại, quá trình ủ nên hướng đến việc đạt được cấu trúc hạt đẳng trục đồng nhất. Đồng nhất có nghĩa là tất cả các hạt có kích thước xấp xỉ nhau, và đẳng trục có nghĩa là chúng có hình dạng xấp xỉ nhau.
Để có được cấu trúc vi mô đồng nhất và đẳng hướng, mỗi phôi cần được nung nóng với cùng một lượng nhiệt trong cùng một khoảng thời gian và làm nguội với cùng tốc độ. Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng hoặc khả thi với phương pháp ủ theo mẻ, vì vậy điều quan trọng là phải đợi ít nhất cho đến khi toàn bộ phôi đạt đến nhiệt độ bão hòa thích hợp trước khi tính toán thời gian giữ nhiệt. Thời gian giữ nhiệt lâu hơn và nhiệt độ cao hơn sẽ dẫn đến cấu trúc hạt thô hơn/vật liệu mềm hơn và ngược lại.
Nếu kích thước hạt và độ bền có liên quan với nhau, và độ bền đã biết, vậy tại sao lại phải tính toán kích thước hạt, đúng không? Tất cả các thử nghiệm phá hủy đều có sự biến thiên. Thử nghiệm kéo, đặc biệt là ở độ dày nhỏ hơn, phụ thuộc rất nhiều vào quá trình chuẩn bị mẫu. Kết quả độ bền kéo không phản ánh đúng tính chất thực tế của vật liệu có thể dẫn đến hỏng sớm.
Nếu các đặc tính không đồng nhất trên toàn bộ phôi, việc lấy mẫu thử độ bền kéo từ một cạnh có thể không phản ánh đầy đủ toàn bộ vấn đề. Việc chuẩn bị mẫu và thử nghiệm cũng có thể tốn nhiều thời gian. Có thể thực hiện bao nhiêu phép thử 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 để tránh những bất ngờ không mong muốn.
Dị hướng, đẳng hướng. Tính dị hướng đề cập đến tính định hướng của các đặc tính cơ học. Ngoài độ bền, tính dị hướng có thể được hiểu rõ hơn bằng cách xem xét cấu trúc hạt.
Cấu trúc hạt đồng nhất và đều phải có tính đẳng hướng, nghĩa là nó có cùng các đặc tính theo mọi hướng. Tính đẳng hướng đặc biệt quan trọng trong các quy trình dập sâu, nơi độ đồng tâm là yếu tố then chốt. Khi phôi được kéo vào khuôn, vật liệu không đẳng hướng sẽ không chảy đều, điều này có thể dẫn đến một khuyết tật gọi là hiện tượng "tai thỏ". Hiện tượng "tai thỏ" xảy ra khi phần trên của cốc tạo thành hình dạng lượn sóng. Việc kiểm tra cấu trúc hạt có thể tiết lộ vị trí của các điểm không đồng nhất trong phôi và giúp chẩn đoán nguyên nhân gốc rễ.
Quá trình ủ đúng cách rất quan trọng để đạt được tính đẳng hướng, nhưng điều 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 chiều dài/chiều rộng của hạt thay đổi, tính đẳng hướng và các tính chất cơ học tổng thể cũng thay đổi. Trong trường hợp các chi tiết bị biến dạng mạnh, một số định hướng có thể vẫn được giữ lại ngay cả sau khi ủ. Điều này dẫn đến tính dị hướng. Đối với vật liệu được kéo sâu, đôi khi cần phải hạn chế lượng biến dạng trước khi ủ cuối cùng để tránh mài mòn.
Hiện tượng sần vỏ cam. Hiện tượng sần vỏ cam không phải là khuyết tật duy nhất liên quan đến khuôn dập sâu. Hiện tượng sần vỏ cam xảy ra khi nguyên liệu thô có các hạt quá thô được kéo vào. Mỗi hạt biến dạng độc lập và phụ thuộc vào hướng tinh thể của nó. Sự khác biệt về biến dạng giữa các hạt liền kề dẫn đến bề mặt có kết cấu tương tự như vỏ cam. Kết cấu là cấu trúc dạng hạt được thể hiện 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 dễ nhận thấy hơn, giúp tăng độ phân giải hiệu quả. Chỉ riêng việc xác định các tính chất cơ học có thể không đủ để đảm bảo kích thước hạt đủ mịn nhằm ngăn ngừa hiệu ứng vỏ cam. Khi sự biến thiên kích thước của phôi nhỏ hơn 10 lần đường kính hạt, các đặc tính của từng hạt riêng lẻ sẽ chi phối hành vi tạo hình. Nó không biến dạng đồng đều trên nhiều hạt, mà phản ánh kích thước và hướng cụ thể của từng hạt. Điều này có thể thấy rõ từ hiệu ứng vỏ cam trên thành của các cốc được kéo.
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 từ 0,00885 inch trở xuống đều có thể bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tạo hình vi mô này.
Mặc dù hạt thô có thể gây ra các vấn đề về kéo sâu, nhưng đôi khi chúng lại được khuyến nghị sử dụng cho việc dập nổi. Dập là một quá trình biến dạng trong đó phôi được nén để tạo ra hình dạng bề mặt mong muốn, chẳng hạn như một phần tư đường nét khuôn mặt của George Washington. Không giống như kéo dây, dập thường không liên quan đến nhiều sự dịch chuyển vật liệu khối lượng lớn, nhưng lại đòi hỏi rất nhiều lực, điều này có thể làm biến dạng bề mặt của phôi.
Vì lý do này, việc giảm thiểu ứng suất dòng chảy bề mặt bằng cách sử dụng cấu trúc hạt thô hơn có thể giúp giảm bớt lực cần thiết cho việc điền đầy khuôn đúng cách. Điều này đặc biệt đúng đối với việc in dập tự do, nơi các sai lệch trên các hạt bề mặt có thể di chuyển tự do, thay vì tích tụ tại các 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 làm nổi bật lợi ích của việc đo lường và tiêu chuẩn hóa kích thước hạt nguyên liệu thô khi thiết kế các bộ phận mới để tránh các khuyết tật thường gặp và tối ưu hóa các thông số đúc.
Các nhà sản xuất máy dập kim loại chính xác và các hoạt động dập sâu trên kim loại để tạo hình các bộ phận sẽ hợp tác tốt với các nhà luyện kim có trình độ kỹ thuật cao về cán lại kim loại chính xác, những người có thể giúp họ tối ưu hóa vật liệu đến từng chi tiết nhỏ nhất. Khi các chuyên gia luyện kim và kỹ thuật ở cả hai phía được tích hợp vào một nhóm, điều đó có thể tạo ra tác động mang tính đột phá và mang lại 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 liên tục cập nhật các công nghệ tiên tiến, xu hướng ngành, các phương pháp thực hành tốt nhất và tin tức để giúp các chuyên gia trong ngành dập kim loại điều hành công việc kinh doanh hiệu quả hơn.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, bạn có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên quý giá trong ngành.
Phiên bản điện tử của Tạp chí Tube & Pipe Journal hiện đã hoàn toàn có thể truy cập được, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá trong ngành.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của tạp chí STAMPING Journal, nơi cung cấp những tiến bộ công nghệ mới nhất, các phương pháp thực hành tốt nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Fabricator en Español, bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá trong ngành.