Szybkość utwardzania przez zgniot austenitycznej stali nierdzewnej: konsekwencje dla formowania na zimno

Co to jest szybkość utwardzania przez zgniot i dlaczego kontroluje zachowanie-formowania na zimno austenitycznej stali nierdzewnej?

Równanie Hollomona opisuje krzywą rzeczywistego naprężenia-prawdziwego odkształcenia w jednolitym obszarze-odkształcenia plastycznego przed rozpoczęciem przewężania. K jest współczynnikiem wytrzymałości, a n jest wykładnikiem-utwardzania odkształceniowego: im wyższe n, tym bardziej wzrasta odporność materiału na dalsze odkształcenia przy danym przyroście odkształcenia. Ponieważ n równa się również rzeczywistemu odkształceniu na początku przewężania (według kryterium Considère'a), wysoka wartość n-jest bezpośrednim wskaźnikiem tego, jak bardzo arkusz może zostać rozciągnięty lub rozciągnięty, zanim zacznie lokalnie się przerzedzać i pękać.

Dla producenta ta pojedyncza liczba wyjaśnia kilka rzeczy zaobserwowanych jednocześnie w warsztacie: dlaczego blacha nierdzewna wymaga większego tonażu niż stal miękka do tego samego gięcia lub rozciągania, dlaczego powierzchnia uformowanej części ze stali nierdzewnej jest mierzalnie twardsza niż-otrzymany arkusz i dlaczego część, która wyglądała dobrze w połowie-rozciągania, może nadal z powodzeniem rozciągać się w głębokiej operacji, która spowodowałaby rozszczepienie materiału o niższym-n materiale.

Dlaczego gatunki austenityczne-twardnieją szybciej niż stal ferrytyczna, stal dupleksowa i węglowa?

Energia błędu układania (SFE) reguluje, jak łatwo dyslokacje mogą się zmienić podczas deformacji. W austenitycznej stali nierdzewnej niski SFE powoduje, że dyslokacje dzielą się na częściowe dyslokacje, które nie mogą łatwo-ześlizgnąć się na nową płaszczyznę. Zamiast anihilować lub przekształcać się w konfiguracje o niższej-energii, dyslokacje gromadzą się i splatają, a opór materiału przy dalszym przepływie gwałtownie rośnie wraz z naprężeniem. Stale ferrytyczne i węglowe mają siatkę sześcienną-centrowaną na ciele (BCC) o wyższym SFE, dzięki czemu dyslokacje łatwiej się regenerują, a szybkość utwardzania jest mniejsza.

Metastabilne gatunki austenitu - w szczególności 301 - dodają efekt TRIP. W miarę odkształcania się materiału część austenitu (FCC, niemagnetyczna) przekształca się w martenzyt (-tetragonalny ze środkiem ciała, magnetyczny i znacznie twardszy). Ta przemiana pochłania energię i wprowadza twardą drugą fazę do plastycznej osnowy, dlatego w szczególności 301 może osiągnąć bardzo wysoką wytrzymałość wyłącznie poprzez obróbkę na zimno, bez konieczności stosowania obróbki cieplnej. Gatunki dupleksowe znajdują się pomiędzy: ponieważ mniej więcej połowa ich struktury jest już ferrytyczna, ich wartość n-w masie jest na ogół niższa niż w przypadku gatunku w pełni austenitycznego, mimo że frakcja austenitu w mikrostrukturze dupleksowej może nadal twardnieć dzięki tym samym mechanizmom związanym z TRIP-.

Porównawcze odkształcenie-Wykładniki utwardzania według rodziny stali

n-wartości zebrane z opublikowanej-literatury dotyczącej testów rozciągania i danych technicznych walcowania w warunkach testowych ASTM E646. Rzeczywiste wartości różnią się w zależności od zakresu odkształcenia, kierunku walcowania, grubości i wcześniejszej pracy na zimno; traktuj je jako zakres-etapu projektowania, a nie certyfikowane właściwości mechaniczne. Potwierdź w raporcie z testu młyna (MTR) dla określonej temperatury i temperamentu.

Jak efekt TRIP zmienia utwardzanie przez zgniot w gatunkach metastabilnych, takich jak 301?

Md30 definiuje się jako temperaturę, w której 30% rzeczywistego odkształcenia powoduje 50% przemiany w martenzyt. Jest to właściwość zależna-od składu: niższa zawartość niklu i niższa zawartość substancji międzywęzłowych (węgla i azotu) zwiększa Md30, co oznacza, że ​​materiał łatwiej ulega przemianie w temperaturze pokojowej. Dokładnie na tym polega logika projektowania stali 301 w porównaniu do stali 304 - 301, która zawiera mniej niklu, więc będzie-twardnieć i szybciej zyskiwać na wytrzymałości podczas formowania na zimno, kosztem odporności na korozję i marginesu formowania w porównaniu ze stalą 304.

Praktyczne implikacje dla linii formującej są dwojakie. Po pierwsze, wytrzymałość i twardość nie są stałymi właściwościami materiału w przypadku gatunku metastabilnego, tak jak ma to miejsce w przypadku-stopu poddanego obróbce cieplnej-. Są one funkcją tego, jak duże odkształcenie oraz przy jakiej prędkości i temperaturze faktycznie widzi część, co oznacza, że ​​powtarzalność procesu (siła półfabrykatu, prędkość ciągnienia, temperatura matrycy) jest częścią specyfikacji, a nie tylko certyfikatu walcowni. Po drugie, ponieważ ryzyko opóźnionego pękania w-częściach głęboko ciągnionych jest skorelowane z kombinacją zawartości Md30 i (C+N), gatunki i wytopy o wyższej zawartości Md30 wymagają bardziej konserwatywnych współczynników ciągnienia, większej liczby etapów formowania i dokładniejszej kontroli części, w przypadku których podczas eksploatacji wystąpią utrzymujące się naprężenia szczątkowe.

Na które procesy-formowania na zimno najbardziej wpływa wysoki współczynnik umocnienia przez zgniot?

Głębokie tłoczenie i tłoczenie

Ponieważ naprężenie płynięcia gwałtownie rośnie wraz z odkształceniem, obciążenie stempla i siła-uchwytu półfabrykatu zwiększają się w miarę postępu rozciągania, a ryzyko rozszczepienia wzrasta w kierunku promienia stempla i narożnika matrycy, gdzie odkształcenie koncentruje się najpierw. Standardowym rozwiązaniem jest-ciągnienie wieloetapowe: zmniejszenie współczynnika rozciągania stosowanego na każdym etapie i wprowadzenie wyżarzania procesowego (roztworowego) pomiędzy etapami w celu przywrócenia plastyczności przed następną redukcją, zamiast podejmować próbę pełnej redukcji w jednym przejściu, jak można to zrobić w przypadku stali miękkiej.

Gięcie i walcowanie

Gięcie stali austenitycznej nierdzewnej wymaga większego minimalnego promienia zgięcia niż stal węglowa- o tej samej grubości, aby uniknąć pęknięć powierzchniowych na zewnętrznym włóknie, a także powoduje większe sprężynowanie, ponieważ powrót modułu sprężystości po odciążeniu oddziałuje z materiałem, który już znacznie stwardniał w strefie zgięcia. Kompensacja sprężynowania - nadmiernego wygięcia lub zwiększenia przyłożonej siły zginania - jest standardową praktyką i należy ją zweryfikować metodą prób lub symulacji, a nie zakładać na podstawie danych dotyczących narzędzi ze stali węglowej-.

Obróbka po formowaniu

Powiązany, często niedoceniany efekt pojawia się w dalszej części obróbki wtórnej: każde cięcie pozostawia cienką-utwardzoną warstwę na powierzchni, więc kolejne lekkie lub przerywane cięcie może przesuwać się po powierzchni hartowanego materiału zamiast go przecinać, przyspieszając zużycie narzędzia. Dane dotyczące skrawalności stali 304 w porównaniu z typową-stalą średniowęglową (1045) ilustrują tę samą różnicę wartości n-opisaną powyżej i stanowią użyteczną miarę zachowania materiału w każdej powtarzającej się-operacji odkształcania, łącznie z formowaniem.

301 vs. 304 vs. 316: Który gatunek wybrać do-formowania na zimno?

Zestawiono na podstawie danych specyfikacji ASTM A240 / A666 i opublikowanych arkuszy danych technicznych walcowni dla stali odprężonych i-walcowanych na zimno. Przed sfinalizowaniem projektu oprzyrządowania sprawdź dokładne właściwości mechaniczne i oznaczenie stanu w porównaniu z konkretnym raportem z testu walcarki.

Jak zrekompensować wysoką szybkość utwardzania podczas pracy w oprzyrządowaniu i projektowaniu procesów?

Zwiększ luz matrycy i stempla w porównaniu z narzędziami ze stali-węglowej, aby wytrzymać większe naprężenia przepływu i zmniejszyć zatarcie; potwierdzić konkretny luz metodą próbną dla używanego gatunku, stanu i grubości.

Używaj większych promieni zgięcia i stempla niż odpowiednik stali-węglowej, aby uniknąć pękania-włókien zewnętrznych, ponieważ ciągliwość materiału stopniowo zmniejsza się w wyniku obróbki na zimno.

Zmniejsz współczynnik ciągnienia na etap głębokiego tłoczenia i zastosuj wyżarzanie procesowe (roztwór) -, zwykle w zakresie 1010-1100 stopni, z szybkim chłodzeniem w przypadku standardowych gatunków austenitu – pomiędzy etapami, aby przywrócić ciągliwość przed następną redukcją.

Wybierz odporne na zużycie stale narzędziowe (takie jak D2 lub M2) lub matryce powlekane, ponieważ ta sama wysoka wartość n-, która wzmacnia część, przyspiesza również zużycie narzędzia ściernego.

Stosuj smary-wolne od chlorków; resztkowe chlorki uwięzione w uformowanej części ze stali nierdzewnej pod wpływem naprężenia szczątkowego rozciągającego stanowią uznane ryzyko-korozyjnego-pęknięcia naprężeniowego.

Sprawdź sprężynowanie za pomocą części próbnych lub symulacji formowania, a nie przesunięć narzędzi ze stali węglowej-, a następnie w razie potrzeby uwzględnij nadmierne wygięcie lub zwiększoną siłę zginania.

W przypadku gatunków metastabilnych o temperaturze zbliżonej do ich temperatury Md30 należy kontrolować prędkość wyciągania i temperaturę części, ponieważ frakcja martenzytu -, a zatem ostateczna wytrzymałość, plastyczność i ryzyko pękania - zależy- od procesu, a nie jest ustalana wyłącznie przez certyfikat walcowni.

Jakie metody i standardy testowe określają ilościowo stopień utwardzania przez zgniot na potrzeby zaopatrzenia i kontroli jakości?

ASTM E646 definiuje, w jaki sposób wartość n-jest obliczana z krzywej naprężenia rzeczywistego-prawdziwego odkształcenia w określonym zakresie-odkształcenia plastycznego, co jest istotne, ponieważ n nie jest pojedynczą stałą stałą dla materiału - może się nieco różnić w zależności od zastosowanego przedziału odkształcenia, temperatury badania i kierunku walcowania arkusza. Jeśli zachowanie podczas utwardzania jest krytycznym elementem projektu, a nie tylko ogólnym oczekiwaniem, w zamówieniu należy określić zakres testowy E646 wraz z materiałem podstawowym i normą temperamentu oraz zażądać rzeczywistych danych testowych w raporcie z testów walcarki (MTR), zamiast polegać wyłącznie na opublikowanych typowych zakresach.

Często zadawane pytania

P: Czy wyższa szybkość utwardzania oznacza, że ​​austenityczna stal nierdzewna jest trudniejsza do formowania na zimno niż stal węglowa?

O: Nie koniecznie. Ta sama wysoka wartość n-, która zwiększa obciążenia formujące, opóźnia także początek zlokalizowanego przewężenia, dlatego też austenityczna stal nierdzewna często może być rozciągana lub rozciągana dalej niż stal węglowa, zanim ulegnie rozszczepieniu. Kompromisem jest-wyższy wymagany tonaż prasy, większe sprężynowanie i szybsze zużycie narzędzia, a nie mniejsza odkształcalność.

P: Dlaczego stal nierdzewna 301 staje się magnetyczna po uformowaniu, gdy na początku jest niemagnetyczna?

Odp.: Obróbka na zimno poniżej temperatury Md30 stopu przekształca część niemagnetycznego austenitu FCC w-centrowany-ciał magnetyczny martenzyt tetragonalny. Ta plastyczność-indukowana transformacją (efekt TRIP) jest zamierzona w przypadku stali 301 i jest głównym powodem, dla którego może on osiągnąć bardzo wysoką wytrzymałość wyłącznie w wyniku pracy na zimno.

P: Który standard testowy mierzy wykładnik-odkształcenia i umocnienia (wartość n-)?

Odp.: ASTM E646 to standardowa metoda testowa służąca do określania wykładnika-odkształcenia i utwardzania oraz współczynnika wytrzymałości na podstawie próby rozciągania. Należy go określić obok normy dotyczącej materiału podstawowego (ASTM A240 dla blach i arkuszy lub ASTM A666 dla-taśmy walcowanej na zimno), gdy wartość n- jest krytycznym parametrem wejściowym podczas formowania.

P: Czy wyżarzanie może przywrócić plastyczność stali nierdzewnej po formowaniu na zimno?

O: Tak. Wyżarzanie procesowe (rozpuszczające), zwykle w zakresie temperatur 1010–1100 stopni, po którym następuje szybkie chłodzenie w przypadku standardowych gatunków austenitu, rozpuszcza węgliki i przywraca strukturę austenitu FCC, przywracając plastyczność przed następnym etapem formowania.

P: Czy stal nierdzewna typu duplex jest w większym stopniu-utwardzalna przez zgniot niż gatunki austenityczne, takie jak 304?

Odp.: Generalnie mniej, hurtowo. Ponieważ mniej więcej połowę mikrostruktury dupleksowej stanowi ferryt, który-twardnieje po zgniotu wolniej niż austenit, ogólna wartość n-gatunku dupleksowego jest zazwyczaj niższa niż gatunku w pełni austenitycznego, mimo że frakcja austenitu w strukturze dupleksowej może nadal przyczyniać się do hartowania związanego z TRIP-.

P: Który gatunek austenitu jest wyborem domyślnym, gdy zachowanie podczas utwardzania nie jest czynnikiem decydującym?

O: 304 to wartość domyślna-ogólnego przeznaczenia dla wytłoczek i części ciągnionych. Sięgnij po numer 301, szczególnie wtedy, gdy projekt przewiduje wykorzystanie-wzmocnienia poprzez pracę na zimno, i podaj numer 316, gdy narażenie na działanie chlorków lub środków chemicznych podczas pracy przeważa nad czynnikami związanymi z formowaniem.

Streszczenie

Szybkość umocnienia przez zgniot nie jest efektem ubocznym projektowania procesu formowania na zimno austenitycznej stali nierdzewnej - jest to właściwość materiału rdzenia, która od samego początku powinna decydować o wyborze gatunku, wyborze hartowania i projektowaniu narzędzi. Wykładnik-odkształcenia utwardzającego wynoszący od 0,40 do 0,55, napędzany niską energią uskoku ułożenia, a w gatunkach metastabilnych efektem TRIP, zapewnia gatunkom austenitycznym zarówno przewagę (odporność na miejscowe przewężenie), jak i zestaw wymagań procesowych (wyższy tonaż, większe prześwity, wyżarzanie międzyściegowe, kontrola sprężynowania), które znacznie różnią się od praktyki w przypadku stali węglowej.

Dopasowanie gatunku, stanu i procesu do konkretnej operacji formowania - zamiast domyślnego stosowania jednego gatunku lub receptury procesu-stal węglowej - to różnica między częścią, która formuje się prawidłowo, a tą, która pęka, marszczy się lub ulega uszkodzeniu w dalszej części eksploatacji.