г. Екатеринбург, проспект
Космонавтов, 107
Космонавтов, 107
Пн-Пт с 9:00 до 18:00 Сб,
Вс выходной
Вс выходной
Металлические изделия из металлопроката обычно классифицируются по набору механических свойств. Предел прочности на растяжение, предел текучести смещения, процентное удлинение и твердость являются прикладными представлениями того, как строительные блоки данного материала ведут себя в ответ на приложенную нагрузку.
Растяжение, текучесть и удлинение являются эффективными показателями для управления процессами обработки заготовки: насколько она может согнуться, прежде чем сломается.
Это особенно актуально для штамповки, гнутья. Эти механические свойства полностью определяются структурой, которую образуют металлические зерна.
Металл состоит из массива микроскопических кристаллов, называемых зернами, хаотично ориентированных по всему материалу. Строительными блоками, из которых состоит отдельное зерно, являются атомы составляющих элементов сплава, таких как углерод, железо, никель, хром и т. д., смешанные в твердый раствор.
Зерна сплава возникают из-за повторяющегося расположения атомов, называемого кристаллической структурой, которую определяет химический состав сплава.
Однородный участок металла, состоящий из повторяющейся кристаллической структуры, состоящей из одного или нескольких зерен, можно назвать фазой. Механические свойства сплава являются функцией кристаллических структур, существующих в сплаве, а также размера и расположения зерен каждой фазы.
Зерна сплава формируются во время его затвердевания, перехода из жидкого состояния в твердое. Если не принять явных мер для облегчения осаждения и роста конкретного зерна при затвердевании металла из жидкой формы, твердые зерна термодинамически предпочтительной фазы будут осаждаться везде, где им позволяют давление, температура и химический состав материала.
Это происходит потому, что отдельные зерна будут зарождаться везде, где только смогут, и расти, пока не встретят другое зерно. Из-за их по-разному ориентированных кристаллических структур на пересечении несовпадающих решеток образуется «граница зерен». В конце концов, весь металл будет состоять из этих, казалось бы, хаотично ориентированных зерен.
Всякий раз, когда формируется металлическое зерно, существует вероятность существования одного или нескольких линейных дефектов или отсутствующих частей кристаллической структуры, известных как дислокация.
Эти несовершенства, дислокации в кристаллической структуре и их последующее перемещение по зерну и через границы зерен являются основой пластичности металла. Когда все атомы находятся там, где им положено быть, в кристаллической структуре нет места для перемещения за пределами растяжения атомных связей и колебаний.
Когда удаляется атом, создается возможность для другого атома скользнуть в это место, эффективно перемещая дислокацию. Когда сила действует на объемный сплав, совокупное перемещение дислокаций в микроструктуре допускает пластическую деформацию без разрушения.
Когда сила, например, нажима валков прокатного стана воздействует на сплав, над ним совершается работа, то есть в систему добавляется энергия. Если к пластической деформации добавляется достаточно энергии, кристаллические решетки деформируются, и образуются новые дислокации.
Может показаться, что это должно повысить пластичность, поскольку появляется больше свободного пространства и больше возможностей для движения дислокаций. Однако, когда одна дислокация сталкивается с другой, они могут скрепить друг друга вместе.
По мере увеличения количества и концентрации дислокаций все больше и больше дислокаций скрепляются вместе, что снижает пластичность. В конце концов, дислокаций будет так много, что больше не сможет продолжаться холодная обработку, поскольку существующие закрепленные дислокации больше не могут двигаться; атомные связи в решетке растягиваются и растягиваются, пока не разорвутся, вызывая трещину.
Зерна также играют важную роль в отжиге. Отжиг достаточно деформированного материала по сути перестраивает микроструктуру для восстановления пластичности. Во время отжига зерна трансформируются в 3 этапа:
Важно понимать, что существует минимальный уровень деформации, необходимый для запуска рекристаллизации. Если материал не имеет достаточного запаса энергии деформации до нагрева, рекристаллизация не произойдет, и зерна продолжат расти за пределами своего первоначального размера.
Механические свойства могут быть настроены производителями металла, контролирующими рост зерен. Границы зерен по сути являются стеной дислокаций и также препятствуют их движению. Если рост зерен ограничен, будет большее количество более мелких зерен с точки зрения структуры.
Больше границ зерен при их уменьшении означает меньшее движение дислокаций и более высокую прочность. Если зернам позволяют расти дальше, структура становится «грубее», с более крупными зернами, меньшим количеством границ и низкой прочностью.
Размер зерна часто упоминается как безразмерное число, часто между 5 и 15. Это относительная шкала, связанная со средним диаметром зерна; чем больше число, тем мельче размер зерна.
Методология измерения и оценки размера зерна изложена в международном стандарте ASTM E112 и включает подсчет количества зерен в заданной области. Это часто достигается путем разрезания поперечного сечения сырья, шлифования и полирования, а также травления кислотой для выявления зерен.
Подсчет металлических зерен выполняется на микроскопе под увеличением, что позволяет производить адекватный отбор зерен и может быть автоматизирован. Присвоение номера размера зерна ASTM предполагает разумный уровень однородности формы и диаметра зерна.
Существует прямая связь между размером зерна ASTM и прочностью, при этом чрезмерный рост зерна может привести к «мертво-мягкому» материалу, который больше не сможет эффективно обрабатываться.
Размер зерна отожженного материала будет меняться со временем при температуре и скорости охлаждения. Температура, при которой происходит рекристаллизация, определяется химическим составом и часто находится в пределах от 30 до 50% от температуры плавления.
При температуре процессы восстановления и рекристаллизации будут конкурировать друг с другом до тех пор, пока рекристаллизованные зерна не поглотят все деформированные зерна. После завершения рекристаллизации начинается рост зерна.
Если материал не выдерживается при температуре достаточно долго, результирующая структура может представлять собой комбинацию старых и новых зерен.
Если требуются однородные свойства по всему металлу, процесс отжига должен быть направлен на достижение однородной и равноосной структуры зерна. Однородность означает, что все зерна примерно одинакового размера, а равноосность – что все они примерно одинаковой формы.
Для достижения однородной и равноосной микроструктуры каждая заготовка должна получить одинаковое количество тепла в течение одинакового количества времени и охлаждаться с одинаковой скоростью.
При пакетном отжиге это не всегда легко или возможно, поэтому важно, по крайней мере, дождаться, пока вся заготовка достигнет температуры, прежде чем подсчитывать время выдержки. Более длительное время выдержки и/или более высокая температура приведут к более грубой зернистой структуре/более мягкому материалу и наоборот.
Хотя крупные зерна могут вызывать проблемы при глубокой вытяжке, их иногда рекомендуют для чеканки. Чеканка — это процесс деформации, при котором заготовка сжимается для придания желаемой топографии поверхности, например, герба на монете.
В отличие от вытяжки, чеканка обычно не предполагает большого потока объемного материала и требует большой силы, которая может только пластически деформировать поверхность заготовки.
По этой причине минимизация напряжения течения на поверхности путем использования более грубой структуры зерна может помочь смягчить силу, необходимую для надлежащего заполнения штампа.
Это особенно применимо при чеканке в открытых штампах, где дислокации на поверхностных зернах могут свободно течь вместо того, чтобы накапливаться на границах зерен.
Лист
Круг
Труба
Полоса
Уголок
Квадрат
Швеллер
Арматура
Проволока
Профнастил
Откатные ворота