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Aug 10, 2023

Verständnis der Formbarkeit von Edelstahl auf atomarer Ebene

Korn, Duktilität, plastische und elastische Verformung, Bruch und Kaltumformung sind

Korn, Duktilität, plastische und elastische Verformung, Bruch und Kaltumformung sind für den Umformprozess wichtig, um Brüche und Risse zu verhindern und die Umformbarkeit zu optimieren. Bilder zur Verfügung gestellt

Metallverarbeitende Hersteller wählen Metalle zur Erfüllung einer Funktion auf der Grundlage ihrer physikalischen Eigenschaften aus. Ein Auspuffrohr aus Edelstahl sollte rostbeständig sein. Ein Wärmetauscher in einem Strahl muss im aggressiven Betrieb hohen Temperaturen standhalten.

Offensichtlich ist die Art und Weise, wie sich ein Metall verhält oder verhalten kann, entscheidend für die Funktion. In diesen Beispielen würden aufgrund der Unterschiede in ihren Anwendungen bestimmte Legierungen ausgewählt. Metallverarbeiter müssen das Verhalten von Edelstahl verstehen, um erfolgreich Edelstahlprodukte für die Industrie herstellen zu können.

Eine der wichtigsten Metalleigenschaften, die Hersteller berücksichtigen müssen, ist die Duktilität. Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen.

Der historische Prozess der Schmiedekunst bestand darin, Metalle in Formen zu hämmern. Formen wie Klingen sind relativ einfach herzustellen, da für ihre Herstellung keine komplizierten Biegungen oder Formen erforderlich sind. Gehämmerte Klingen und Formen waren jedoch Einzelstücke. Jedes Stück war in gewisser Weise ein einzigartiges Kunstwerk. Heutzutage müssen Metallverarbeiter immer wieder Edelstahlteile nach Spezifikationen herstellen. Anders als beim Schmieden gibt es weniger Spielraum für spontane Korrekturen.

Durch die Verformung können Metalle in bestimmte Geometrien gebracht werden. Das Verständnis ihrer Duktilitätseigenschaften ist entscheidend für den Erfolg. Hersteller müssen eine Legierung entsprechend ihrer mechanischen Eigenschaften auswählen, um die erforderliche Formgebung zu erleichtern, sodass die endgültige Form den erforderlichen physikalischen Eigenschaften entspricht.

Metallverarbeiter können einen guten Einblick in die Duktilität von Legierungen gewinnen, indem sie Eigenschaften wie die Materialdehnung (wie in Materialzertifizierungen angegeben), häufige Anwendungen und Kaltverfestigungsraten beobachten. Aber Duktilität tritt auf atomarer Ebene auf. Es ist wichtig, die atomare Ebene zu betrachten, um ein umfassendes Verständnis davon zu entwickeln, was Duktilität ist und warum sie für Prozesse wichtig ist.

Metalle verhalten sich anders als andere Materialien. Ihre Fähigkeit, sich plastisch zu verformen, ihre Form beizubehalten und ihre Verformungsfestigkeit beizubehalten, ist einzigartig. Diese einzigartigen Eigenschaften ergeben sich aus der Art der Atome im Metall und ihren Bindungen. Die Atombindung bestimmt im Wesentlichen, wie Elektronen zwischen Atomen in einem Material übertragen oder geteilt werden. Bindung hält Atome zu kohärenten Materialien zusammen.

Metallatome bleiben durch metallische Bindungen zusammen, wenn Elektronen frei zwischen Atomen geteilt werden. Die Atome richten sich in geordneten dreidimensionalen Reihen aus, die als Kristallgitter bekannt sind.

Metallische Bindungen ermöglichen die Bewegung von Atomen durch das Gitter. Es ist diese atomare Bewegung, die die Fähigkeit zur plastischen Verformung definiert.

Bei Druck- oder Zugbeanspruchung kann es zu Verformungen kommen. Diese Belastungsarten bestimmen alle Fertigungsprozesse.

Metallatome können sich leichter durch die Kornmasse bewegen als durch die falsch ausgerichtete Korngrenze. Stellen Sie sich vor, Sie fahren eine Autobahn entlang, auf der alle Ausfahrten abrupt 10 Fuß höher liegen als die Autobahn. Um auf die Ausfahrt zu gelangen, müsste ein Fahrer das Auto 3 m in die Luft heben.

Die Bewegung von Metallatomen bei Druck wird als Formbarkeit bezeichnet, bei Zug als Duktilität. Beide Begriffe werden unter Plastizität definiert, die die Fähigkeit eines Materials ausdrückt, sich ohne Rissbildung zu verformen.

Beim Prägen handelt es sich um einen Druckherstellungsprozess, der auf Formbarkeit beruht. Beim Tiefziehen handelt es sich um einen Zugprozess, der auf Duktilität beruht.

Bei beiden Prozessen werden Atome auf unterschiedliche Weise bewegt, aber beide erfordern eine atomare Bewegung, um zu funktionieren. Erwägen Sie den Versuch, einen Porzellanteller zu prägen. Porzellan ist eine Keramik, die im Gegensatz zu metallischen Bindungen kovalente Bindungen enthält. Im Gegensatz zu metallischen Bindungen geben kovalente Bindungen Elektronen nicht frei weiter, was die Bewegung von Atomen verhindert. Unter Druck wird die Platte aufgrund dieser fehlenden Atombewegung zerbrechen; es kann sich nicht plastisch verformen. Aus diesem Grund ist Metall das beste Material für Prägevorgänge.

Metallatome verfestigen sich beim Glühen zu einer kristallinen Ordnung, ähnlich wie Eiskristalle, die auf einer kalten Oberfläche wachsen. Atome bilden an bestimmten Punkten Keime und wachsen nach außen, wenn sich immer mehr Atome der Reihe nach anordnen. Die wachsenden Teile treffen schließlich auf einen nahe gelegenen wachsenden Keimbildungspunkt. Diese Grenzflächen zusammengesetzter Atome, die nicht zueinander ausgerichtet sind, werden als Korngrenzen bezeichnet.

Die zugehörigen Gruppen unterschiedlich ausgerichteter Atome werden als Körner bezeichnet. Metallatome können sich leichter durch die Kornmasse bewegen als durch die falsch ausgerichtete Korngrenze. Stellen Sie sich vor, Sie fahren eine Autobahn entlang, auf der alle Ausfahrten abrupt 10 Fuß höher liegen als die Autobahn. Um auf die Ausfahrt zu gelangen, müsste ein Fahrer das Auto 3 m in die Luft heben. Sowohl die Autobahn als auch die Ausfahrt sind zwar leicht zu befahren, der Weg von der Autobahn zur falsch ausgerichteten Ausfahrt wäre jedoch schwieriger und erfordert mehr Energie und andere Bedingungen.

Die Körner selbst im Kristallgitter weisen Ausrichtungsfehler auf, die als Versetzungen bezeichnet werden. Während der Rekristallisation können Versetzungen auftreten, die jedoch hauptsächlich durch Kaltumformung entstehen. Bestimmte Arten von Versetzungen verschieben sich, wenn genügend Belastung ausgeübt wird. Daher ist die Bewegung von Luxationen eine Bewegung der Fehlausrichtung. Atome gleiten von einer Seite der Fehlausrichtung zur anderen, was zu einer scheinbaren Versetzungsbewegung führt.

Auch Versetzungen selbst können durch diese Bewegung kollidieren. Ähnlich wie bei einem Stau können die Ansammlungen von Versetzungen eine weitere Versetzungsbewegung verhindern.

Duktilität ist das Maß für die mögliche plastische Verformung infolge atomarer Bewegung. Bewegungseinschränkungen schränken die Duktilität ein; Daher führt die Anhäufung von Versetzungen zu einer geringeren Duktilität. Darüber hinaus erfordert die Massenkarambolage eine größere Kraft, um Atome zu bewegen. Dieser Effekt wird als Kaltverfestigung bezeichnet.

Eine angelegte Spannung, die dazu führt, dass sich Metallatome dauerhaft im Kristallgitter bewegen, ist die Streckgrenze. Die Anhäufung führt zu einer höheren Streckgrenze, da mehr Kraft erforderlich ist, um Atome zu bewegen. Aus diesem Grund weisen vergütete Metalle eine höhere Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte auf.

Bei Kaltverformung nimmt die Dehnung ab. Dies ist wichtig zu wissen, da die Dehnung ein Maß für die Duktilität eines Materials ist. Genauer gesagt ist es das Maß für die gesamte plastische Verformung, die ein Material ertragen kann, bevor es bricht. Es macht Sinn, dass die Duktilität durch die Kaltverfestigung abnimmt, wenn man bedenkt, dass ein Teil der gesamten potenziellen plastischen Verformung bei Umformvorgängen verbraucht wird.

Metalle verhalten sich anders als andere Materialien. Ihre Fähigkeit, sich plastisch zu verformen, ihre Form beizubehalten und ihre Verformungsfestigkeit beizubehalten, ist einzigartig. Diese einzigartigen Eigenschaften ergeben sich aus der Art der Atome im Metall und ihren Bindungen.

Bei Umformvorgängen, die die Zugfestigkeit des Materials auch lokal überschreiten, besteht die Gefahr von Rissen und Brüchen. Dies ist ein kritischer Materialfehler. Der Beweis für dieses Versagen kann von mikroskopisch bis katastrophal sein.

Mikroskopische Fehler sind gefährlich, weil sie Gefahr laufen, nicht entdeckt zu werden. Obwohl Teile mit katastrophalen Ausfällen offensichtlich sind und eindeutig nicht verkauft werden, können sie dennoch Probleme verursachen, weil sie Werkzeugschäden verursachen. Fremdkörper, die durch den Fehler oder durch grobe, fehlerhafte Abschnitte entstehen, können großen Schaden anrichten.

Mit zunehmender Zugfestigkeit nimmt die Dehnung ab. Daher wird die Zugfestigkeit eines Materials als der minimale Druck aller verfügbaren Duktilität angesehen. Diese Überlegung erfolgt unter bestimmten Voraussetzungen. Der Impuls der ausgeübten Kraft kann zu Duktilität und Bruch beitragen.

Schmelzmühlen fügen reinen Metallen Elemente hinzu, um Legierungen herzustellen. Diese Legierungselemente verändern Metalleigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften. Beispielsweise wird Chrom zu Stahl hinzugefügt, um eine Chromoxid-Oberflächenschicht zu bilden, die die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Nickel wird hinzugefügt, um die Bildung der Austenitkristallphase zu beeinflussen, die den Festigkeitsgrad verändert. Die legierenden Atome nehmen Platz im Kristallgitter ein und verändern die Bewegungsfreiheit der Atome. Darüber hinaus können sie die Keimbildung und das Wachstum von Körnern verändern und dadurch das Volumen der Korngrenzen verändern. Die Veränderung der Atombewegung aufgrund dieser kristallographischen Veränderungen wirkt sich auf die Duktilität aus.

Das Verständnis der Legierungselemente beeinflusst die Entwicklung neuer Legierungen. Die rostfreien Stähle 301 und 305 sind gute Beispiele für die praktischen Auswirkungen der Duktilität. Edelstahl vom Typ 305 weist im geglühten Zustand eine etwas größere Dehnung auf als Edelstahl 301. Darüber hinaus erfährt 305 bei gleicher Verformung eine geringere Gesamtverhärtungszunahme als 301. Das bedeutet, dass 305 bei gleicher Verformung von 305 und 301 eine geringere Streckgrenze, aber eine höhere Dehnung aufweist. Es wird mit mehr Duktilität bei gleicher Verformung beginnen und enden.

Die Duktilität nach der Kaltverfestigung ist ein wichtiger Gesichtspunkt. Genauer gesagt beeinflusst die Duktilität die Funktionsweise des Endteils.

Wenn beispielsweise 301 und 305 in gleichen Abmessungen gebogen werden, ergeben sich unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Das liegt daran, dass sie unterschiedliche Duktilitätseigenschaften haben und unterschiedlich schnell kaltverfestigt werden, sodass am Ende unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Nehmen wir in einer Teilabmessung an, dass 305 eine Streckgrenze von 150.000 PSI und 301 eine Streckgrenze von 180.000 PSI hat. Wenn auf diese Dimension eine Belastung von 170.000 PSI einwirken würde, würde dies die Streckgrenze des 305 überschreiten, nicht jedoch die des 301. Das bedeutet, dass 305 theoretisch nachgibt und sich daher verformt. Es ist ein großes Problem, wenn sich das Teil nicht verformen soll!

Tiefziehen ist ein extremer Verformungsprozess, der die Grenzen der Duktilität testen kann. Der Prozess erfordert eine erhebliche Duktilität in alle Richtungen. Rohstoffe müssen entsprechend produziert werden.

Das tiefgezogene Material muss ordnungsgemäß gezogen und gebügelt werden, um die kolossale Bewegung der Atome zu ermöglichen. Darüber hinaus muss das Rohmaterial zunächst gewalzt und geglüht werden, um die Duktilität des Materials als Vorbereitung für das Tiefziehen sorgfältig zu bewahren.

Auch die Auswahl der Legierung ist von größter Bedeutung. Es macht keinen Sinn, die Duktilität einer Legierung zu verbessern, wenn es eine bessere Legierungsalternative gibt. Außerdem müssen die Überlegungen zur Duktilität mit anderen erforderlichen Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit oder magnetischen Eigenschaften in Einklang gebracht werden.

Tiefziehen ist ein extremer Verformungsprozess, der die Grenzen der Duktilität testen kann. Das tiefgezogene Material muss ordnungsgemäß gezogen und gebügelt werden, um die kolossale Bewegung der Atome zu ermöglichen. Darüber hinaus muss das Rohmaterial zunächst gewalzt und geglüht werden, um die Duktilität des Materials als Vorbereitung für das Tiefziehen sorgfältig zu bewahren.

Andere Umformprozesse erfordern andere Überlegungen zur Duktilität. Gestanzte Teile müssen beispielsweise häufig in die endgültige Form gebogen werden. Durch plastische Verformung entsteht eine permanente atomare Bewegung. Daher behält das Endteil seine gebogene Konfiguration.

Das Metallelement muss in Form gebogen werden, ohne zu brechen, und dann muss es seine Form behalten. Das wirft viele Bedenken hinsichtlich der Duktilität auf. Zunächst muss die richtige Legierung ausgewählt werden, die den erforderlichen Grad an Duktilität aufweist.

Zweitens müssen die Prozesse so eingerichtet sein, dass sie die Kaltverfestigung des Materials erleichtern. Während die Biegung stattfindet, erzeugen Atome Unvollkommenheiten (Versetzungen), die sich mit fortschreitender Biegung anhäufen. Diese angehäuften Unvollkommenheiten bestimmen, wie bereits erwähnt, die durch die Biegung erzielte Verfestigung und erhöhen dadurch die Härte sowie die Zug- und Streckgrenze in diesem Bereich. Dadurch wird der Biegebereich stärker.

Diese Überlegung ist von entscheidender Bedeutung, da die Härte der Biegung direkt zur Rückfederung dieser Biegung und damit zur Dimensionskontrolle des Teils beiträgt. Obwohl Härte und Zug- und Streckgrenze zunehmen, nimmt die Dehnung ab. Daher nimmt die Duktilität in einem kaltverfestigten Bereich ab.

Bei der Formung des endgültigen Teils ist das Gleichgewicht zwischen Duktilität und Festigkeit von entscheidender Bedeutung.