Как определить размер зерна металла


Определение размера зерна — Студопедия

сплавы, имеющие мелкие зерна обладают более высокими механическими свойствами: прочностью, пластичностью и вязкостью. Поэтому размер зерна зависит от состава и технологического процесса изготовления сплава (условий выплавки, разливки, обработки давлением, термической обработки) и могут быть не одинаковыми в различных плавках одного и того же состава, то во многих случаях необходимо экспериментальное определение их размеров.

Величина действительного зерна, т.е. зерна, которое имеет сплав в условиях эксплуатации и которое образуется при принятой обработке, определяется на микрошлифах путем травления. Для выявления структуры углеродистых, легированных сталей и чугунов наиболее часто используют реактивы:

1. Спиртовой раствор азотной кислоты (реактив Ржешотарского) - азотная кислота (плотность 1,4) 1-5 мл, этиловый спирт 100 мл.

2. Спиртовой раствор пикриновой кислоты (реактив Ижевского) - пикриновая кислота (кристаллическая) 4 г, этиловый спирт 100 мл.

Зерна попадают в плоскость шлифа произвольными сечениями. Поэтому даже если бы зерна имели в пространстве идеально одинаковую форму и размеры, их сечения плоскостью шлифа все равно были бы не одинаковыми.

Основными параметрами размера зерен металла, однофазного сплава, а также любой фазы является среднее число зерен в единице площади шлифа (Ncp) средняя площадь сечения зерна в плоскости шлифа (Fcp) и средний линейный размер зерна (Дср).

Для приближенной оценки размера зерна применяют сравнение исследуемой структуры с эталонными структурами при 100 - кратном увеличении. При этом размер зерен характеризуется условным порядковым номером (баллом) эталонной структуры, соответствующей определенной Fcp (или Nср).


Большой точностью отличается широко известный метод Джеффриса. На матовом стекле микроскопа или на микрофотографии подсчитывают число зерен внутри квадрата или круга с известной площадью. Для этого удобно использовать картонный шаблон с квадратным отверстием.

Приведенное число зерен внутри квадрата

N=N1+0,5N2+1,

где N1 - число зерен, целиком располагающихся внутри квадрата, N2 - число зерен, пересеченных сторонами квадрата.

Коэффициент 0,5 учитывает, что сторона квадрата, пересекает ряд зерен, оставляет по обе стороны от себя статистически одинаковые суммарные площади зерен, т.е. каждое пересеченное зерно принадлежит квадрату своей 0,5 частью. Зерно, попавшее в вершину квадрата, принадлежит ему на 1/4 часть, а так как таких вершинных зерен четыре, то их вклад в величину N составит 1.


Увеличение микроскопа или размер квадрата выбирают так, чтобы N=10-20, чтобы не сбиваться со счета. Общее число зерен, подсчитанное в разных участках шлифа должно быть не менее 150 -200. При подсчете следует учитывать все зерна, в том числе и самые малые, т. к. они в действительности могут оказаться случайными сечениями крупных зерен. Зная площадь квадрата на матовом стекле (Q мм2), легко подсчитать действительную площадь на шлифе – Q/M2, где М – линейное увеличение микроскопа на матовом стекле.

Среднее число зерен в единице площади шлифа, получаем делением приведенного числа зерен в квадрате ( N)на его действительную площадь (Q/M2)

Nср=N· M2/Q (1/мм2)

Средняя площадь зерна

Fcр=Q·106/N·M2(мкм2)

Величина Fср всегда меньше максимальной площади сечения зерна в объеме шлифа.

Линейный размер зерна часто характеризуют величиной, называемой средним диаметром (Дср). Но следует отметить, что зерна не сферичны. Как правило, они имеют форму многогранников. При выборе характерного линейного размера таких тел имеется неопределенность. Линейным размером многогранника является длина его ребра, расстояние между противоположными гранями др. Для характеристики среднего линейного размера зерна в объеме можно использовать диаметр сферы, вписанный в многогранник, и его условно называть диаметром зерна. Приближенно величину Дср рассчитывают, исходя из измеренного по способу Джеффриса числа зерен в единице площади шлифа.

(мкм)

Средний линейный размер зерна однофазного сплава матричной фазы в многофазном сплаве, а также средний линейный размер частиц фаз и участков структурных составляющих любой формы часто определяют прямо в плоскости шлифа методом произвольных секущих, измеряя отрезки секущих, приходящиеся на изучаемые микрообъекты (всего измеряют 100-300 таких отрезков).

3.3. Определение объемного отношения структурных составляющих

Объемное отношение структурных составляющих или объемную долю одной из структурных составляющих можно определить объемным методом Розиваля, используя при этом принцип Кавальери - Акера, в соответствии с которыми, доля объема сплава, занятая данной структурной составляющей, равна доле площади, занятой этой составляющей в случайном сечении, или равна приходящейся на эту составляющую доле длины случайной секущей. Если провести прямую на шлифе, подсчитать суммарную длину отрезков, приходящихся на определяемую составляющую (Sl), и отнести эту, суммарную длину отрезков к общей длине секущей (L), то получим объемную долю структурной составляющей в сплаве

Секущие следует располагать равномерно по площади шлифа. Они могут располагаться параллельно друг другу. Секущие можно "нанести" на матовое стекло микроскопа, используя при этом масштабную линейку окуляр - микрометра.

Линейка окуляр - микрометра разделена на 100 равных частей. При рассмотрении структуры через окуляр - микрометр подсчитывают число целых делений его шкалы укладывающихся на участки определяемой структурной составляющей. Это число характеризует в процентах искомую долю объема сплава, приходящуюся на данную структурную составляющую. Приотношении Sl/L абсолютный масштаб измерения и увеличение микроскопа в расчет не принимается.

Точность определения объемной доли структурной составляющей в сплаве тем больше, чем больше число измеренных отрезков, приходящихся на определяемую структурную составляющую. Увеличивать число этих отрезков следует путем большего числа полей структуры микрошлифа. Уменьшение увеличения микроскопа не следует производить, т. к. при этом видимые участки измеряемой структурной составляющей становятся меньше и точность измерения длины каждого из них снижается. Длины отрезков линейки окуляр - микрометра, приходящиеся на отдельные участки измеряемой структурной составляющей могут быть не равны числу целых делений. Подсчитывается только число целых делений шкалы. Следовательно, погрешность измерения будет тем больше, чем короче измеряемые участки. Поэтому следует выбирать такое увеличение микроскопа, при котором длина каждого участка измеряемой структурной составляющей составляла бы не меньше 5-10 делений шкалы окуляр - микрометра.

Industrial: Руководство по дизайну - размер зерна

Фотография любезно предоставлена ​​AMP Incorporated

Размер зерна металла или однофазного сплава - это оценка среднего диаметра зерна, обычно выражаемая в миллиметрах. Металлургические методы, используемые для определения размера зерна, не являются необходимыми для этого обсуждения, главное помнить, что размер зерна является важной характеристикой материала. По мере уменьшения среднего размера зерна металл становится более прочным (более устойчивым к пластическому течению), а по мере увеличения размера зерна происходит обратное влияние на прочность.Как правило, для данного сплава и толщины пластичность увеличивается с размером зерна, а прочность уменьшается. Это происходит потому, что чем мельче зерна, тем на меньшее расстояние могут перемещаться дислокации. Поэтому желательно использовать металл с наименьшим средним размером зерна, который можно экономично превратить в желаемую деталь.

Помимо прочности, размер зерна также влияет на формуемость, направленность, текстуру и внешний вид поверхности. Таблица 1 показывает влияние изменения размера зерна на предел прочности на разрыв, предел текучести и удлинение.

Таблица 1 . Отожженные механические свойства, плоский прокат из сплава C26000, толщина 0,04 дюйма
Размер зерна отпуска Предел прочности на разрыв, тыс. Фунтов / кв. Дюйм Предел текучести
(0,5% экст.) Тыс. Фунтов / кв. Дюйм
Удлинение в 2,0 дюйма,%
0,070 мм 46,0 14,0 65
0,050 мм 47,0 15,0 62
0.035 мм 49,0 17,0 57
0,025 мм 51,0 19,0 54
0,015 мм 53,0 22,0 50
Восемь жестких 50,0 35,0 43
Четверть жесткости 54,0 40,0 23

В таблице 2 описаны некоторые общие диапазоны размеров зерен и их рекомендуемые области применения для изготовления деталей.

Таблица 2 . Доступные диапазоны размера зерна и рекомендуемые области применения
Средний размер зерна, мм. Типовые операции и характеристики поверхности
0,005 - 0,015 Штамповка и неглубокая штамповка. Детали будут иметь хорошую прочность и очень гладкую поверхность.
0,010 - 0,025 Штамповки и мелкотянутые детали. Детали будут иметь высокую прочность и гладкую поверхность.Обычно используется для металла толщиной менее 0,010 дюйма.
0,015 - 0,030 Штамповки, мелко вытянутые детали и детали глубокой вытяжки, требующие полируемой поверхности. Обычно используется для металлов толщиной менее 0,12 дюйма.
0,020 - 0,035 Используется для многих тянутых деталей. Этот диапазон размера зерна включает самый большой средний размер зерна, при котором получаются детали, практически не содержащие апельсиновой корки. Обычно используется для металла толщиной до 0,032 дюйма.
0.025 - 0,040 Глубокая вытяжка, особенно для материалов толщиной от 0,015 "до 0,020". Латунь с размером зерна 0,040 мм может иметь шероховатость поверхности при сильном растяжении.
0,030 - 0,050 Штамповки, не требующие шлифовки или полировки, и детали из тянутой латуни с относительно хорошей обработкой поверхности. Обычно используется для металла толщиной от 0,015 до 0,025 дюйма.
0,040 - 0,060 Общая глубокая и мелкая волочение латуни. На поверхностях может образоваться умеренная апельсиновая корка.Нормальный диапазон размеров от 0,020 дюйма до 0,040 дюйма.
0,015 - 0,030
0,060 - 0,090
Глубокая вытяжка сложных форм и глубокая вытяжка металла и более толстых металлов. Детали будут иметь шероховатые поверхности с апельсиновой коркой, если они не будут сглажены утюгом.
.

Анализ размера зерна в металлах и сплавах

Задний план

В металлографической лаборатории анализ зерен в образцах металлов и сплавов, таких как алюминий или сталь, важен для контроля качества. Большинство металлов имеют кристаллическую природу и содержат внутренние границы, обычно известные как «границы зерен». При обработке металла или сплава атомы в каждом растущем зерне выстраиваются в определенном порядке, в зависимости от кристаллической структуры образца. По мере роста каждое зерно в конечном итоге будет влиять на другие и образовывать границу раздела, где ориентация атомов различается.Установлено, что механические свойства образца улучшаются с уменьшением размера зерна. Следовательно, для получения желаемого размера зерна необходимо тщательно контролировать состав сплава и обработку.

После металлографической подготовки образца зерна в определенном сплаве часто анализируются с помощью микроскопии, где размер и распределение этих зерен может продемонстрировать целостность и качество образца.

Например, поскольку на кону может быть человеческая жизнь, производители автомобилей изучают размер и распределение зерен в конкретном сплаве, чтобы определить, выдержит ли недавно разработанный автомобильный компонент в экстремальных условиях.Производители компонентов для авиакосмической промышленности должны уделять особое внимание характеристикам зерна алюминиевых компонентов, используемых в шасси коммерческих самолетов. Помимо анализа тенденций в отношении размера зерна и распределения, от инспекторов могут потребоваться строгие процедуры внутреннего контроля качества для тщательного документирования результатов и их архивирования для дальнейшего использования.


Изображение зерен в стали при увеличении 100 ×

Вызов

Несмотря на то, что существует множество международных стандартов, ASTM E112 является доминирующим стандартом, в соответствии с которым анализируются зерна в Северной и Южной Америке.Лаборатории контроля качества использовали и продолжают использовать метод сравнения таблиц ASTM для анализа зерна. С помощью этого метода операторы производят визуальную оценку размера зерна, сравнивая живое изображение под оптическим микроскопом с микрофотографией, часто размещаемой на стене рядом с микроскопом.

Или, вместо того, чтобы сравнивать с плакатом микрофотографии, оператор вставляет сетку окуляра, содержащую изображения шаблонов заранее определенного размера зерна, непосредственно в оптический путь микроскопа.Таким образом, сравнение выполняется непосредственно в микроскопе, где оператор может одновременно видеть как исследуемый образец, так и «золотое» изображение.

Поскольку размер зерна оценивается оператором, эти методы могут давать неточные и неповторимые результаты, часто не воспроизводимые разными операторами. Кроме того, технические специалисты по контролю качества должны вручную вводить свои результаты в компьютерную электронную таблицу или отчет, что дает дополнительную возможность для ошибок.

Как металлургическая лаборатория контроля качества может реализовать полностью автоматизированное решение для анализа зерна под ключ, помогающее устранить потенциальные неточности и субъективность, вызванные человеческим фактором, при соблюдении ASTM E112 или других международных стандартов? Кроме того, как можно автоматически архивировать данные и автоматически создавать отчеты, экономя драгоценное время и снижая затраты?


Пример сетки окуляра микроскопа, используемой для сравнения зернистости с живым изображением

Решение

Войдите в современную лабораторию цифрового металлургического контроля качества (QC).Благодаря достижениям в области программного обеспечения для материаловедческой микроскопии операторы могут использовать анализ изображений для анализа зерен в соответствии с ASTM E112, а также широким спектром международных стандартов.

Одно популярное цифровое решение, в котором это достигается, известно как метод «перехвата». Здесь узор (круги, крестики и круги, линии и т. Д.) Накладывается на цифровое изображение (живое или захваченное). Каждый раз, когда наложенный узор пересекает границу зерна, на изображении рисуется и записывается точка пересечения (см. Пример маркировки на изображении справа).Принимая во внимание калибровку системы, программное обеспечение для анализа изображений автоматически вычисляет ASTM G, или размер зерна, число и среднюю длину пересечения в зависимости от количества пересечений и длины шаблона.



Анализ зерна методом пересечения

Другой популярный метод расчета размера зерна в цифровой металлургической лаборатории известен как «контурный» метод.В отличие от метода перехвата, планиметрический метод определяет размер зерна на изображении (живом или захваченном) путем вычисления количества зерен на единицу площади.



Анализ зерна с использованием планиметрического метода

Поскольку результаты рассчитываются внутри программного обеспечения для анализа изображений, догадки, связанные с человеческим фактором, устранены. Во многих случаях улучшается общая точность и повторяемость, а также воспроизводимость.Кроме того, специальное программное обеспечение для анализа изображений в металлургии некоторых микроскопов может быть настроено на автоматическое архивирование результатов зерна в электронную таблицу или дополнительную интегрированную базу данных.

Отчеты, содержащие соответствующие данные анализа и связанные изображения, также могут быть созданы одним нажатием кнопки, и все это с минимальным обучением.



Результаты анализа ASTM E112

Конфигурация

Типичная конфигурация оборудования для анализа зерен с помощью цифрового анализа изображений состоит из следующих компонентов:

Инвертированный металлургический микроскоп:

Инвертированный микроскоп обычно предпочтительнее вертикальной модели, потому что плоский полированный образец ровно лежит на механическом столике, обеспечивая постоянную фокусировку при маневрировании пользователем предметного столика.

Программное обеспечение для анализа изображений с учетом специфики материаловедения:

Программное обеспечение для анализа изображений, предназначенное для материаловедческих микроскопов, часто предлагает дополнительные дополнительные модули, позволяющие пользователям анализировать зерна в соответствии с ASTM E112, а также различными международными стандартами. При покупке пользователь должен определить, какой метод измерения больше подходит: метод перехвата или контурный.


Типовая конфигурация оборудования: инвертированный металлургический микроскоп, объектив с 10-кратным увеличением и камера микроскопа высокого разрешения

10 × Металлургический объектив объектива:

Это необходимое увеличение объектива для анализа зерна.

Цифровая камера для микроскопа с ПЗС- или КМОП-матрицами высокого разрешения:

Рассматривая цифровую камеру для анализа зернистости, вы должны отдавать приоритет цифровому разрешению над размером пикселей или результирующей плотностью пикселей. Чтобы обеспечить наличие достаточного количества пикселей для выборки и цифрового восстановления мельчайших деталей, многие микроскописты следуют «теореме Найквиста», которая гласит, что для выборки мельчайших деталей или оптического разрешения требуется от 2 до 3 пикселей. Учитывая, что анализ зерна выполняется с помощью 10-кратного объектива (в сочетании с 10-кратным окуляром = равно общему увеличению 100-кратного), оптическое разрешение типичного объектива среднего класса будет приблизительно равно 1.1 мкм. Это означает, что фактический размер откалиброванного пикселя должен быть меньше 366 нм (обеспечивая требуемые 3 пикселя на наименьший различимый элемент). Например, пятимегапиксельная камера с размером пикселя 3,45 мкм дает калиброванный размер пикселя 345 нм (деление фактического размера пикселя на объектив объектива 10 × с использованием адаптера камеры 1 ×). Разделив разрешение линзы (1,1 мкм) на размер калиброванного пикселя (345 нм), получим 3,2. В этом примере присутствуют 3,2 пикселя для выборки наименьшего различимого признака, отвечающего критериям Найквиста от 2 до 3 пикселей на различимый признак.Хотя это может показаться запутанным, общее практическое правило заключается в том, что для анализа зерна рекомендуются наиболее распространенные камеры микроскопов для материаловедческой микроскопии с разрешением 3 мегапикселя или выше (с учетом размера пикселя наиболее распространенных датчиков CCD и CMOS).

Поскольку анализ размера зерна может надежно выполняться в режиме градаций серого (где установка пороговых параметров проще, чем в цветном режиме), выбранная камера должна иметь опцию режима градаций серого. Кроме того, выбор камеры, которая может обеспечить высокую частоту обновления в режиме реального времени, окажется полезным при фокусировке или позиционировании образца.

Рекомендуется кодированная ручная или моторизованная револьверная головка револьверного объектива. Выбранное программное обеспечение для анализа изображений должно быть способно автоматически считывать увеличение линзы объектива в любое время. Это обеспечивает высочайший уровень точности измерения, поскольку автоматическое распознавание помогает исключить риск ручного ввода неправильного увеличения объектива в программное обеспечение.

Требуется ручной или моторизованный столик XY-сканирования для манипулирования образцом и позиционирования интересующей области для наблюдения и анализа.

Выбранный вами ПК должен соответствовать минимальным системным требованиям камеры и программного обеспечения для анализа изображений. Также требуется монитор с высоким разрешением.

Процедура

  1. Выберите линзу объектива с 10-кратным увеличением и затем, в условиях отраженного света и светлого поля, перемещайте образец на предметном столике XY, чтобы просмотреть интересующую область.
  2. Захватите цифровое изображение с помощью программного обеспечения для анализа изображений. Примечание. Если используемая вами программная платформа предлагает возможность анализа изображения в реальном времени, вы можете вместо этого наблюдать изображение в реальном времени.
  3. В программном обеспечении для анализа зернистости примените необходимые фильтры, чтобы обеспечить точное отображение пересечений на изображении. Во многих программных пакетах эта возможность предоставляется в интерактивном режиме, так что оператор может просматривать влияние фильтра на результирующие перехваты.
  4. Программа анализирует изображение в соответствии с выбранным стандартом. Полученные данные записываются непосредственно в электронную таблицу в программе анализа изображений.
  5. Анализ зерен нередко выполняется по 5 случайным полям.Если да, повторите шаги с 1 по 4 пять раз подряд.
  6. На основе заранее заданного пользователем шаблона автоматически создается отчет, включающий результаты анализа, подтверждающие изображения зерна и соответствующие данные.

Резюме

В отличие от ручных методов, при которых операторы производят визуальную оценку размера зерна или числа G на глаз, современное программное обеспечение для анализа изображений, специально предназначенное для микроскопов, позволяет точно и многократно рассчитывать размер зерна, поскольку вмешательство человека сводится к минимуму.Многие программные пакеты разработаны в соответствии с ASTM E112 и широким спектром международных стандартов, и их можно реализовать с минимальными усилиями. Выходя за рамки анализа, многие программы предлагают возможность автоматически создавать отчеты на основе данных анализа и даже доходят до интегрированной базы данных для архивирования и быстрого и легкого поиска изображений и связанных данных. При рассмотрении готового решения для автоматического анализа зерна крайне важно работать напрямую с опытным производителем микроскопов, специализирующихся в области материаловедения, поскольку они могут помочь вам на каждом этапе этого процесса, от выбора оборудования до развертывания.

Ссылки
Кармо Пеллициари, доктор технических наук, консультант по металлургии
Американское общество испытаний и материалов (ASTM) E112-13 Стандарт
ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700,
West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA
«Комитет E-4 и измерения размера зерна: 75 лет прогресса».
Новости стандартизации ASTM, май 1991 г., Джордж Вандер Воорт

.

Как размер зерна металла влияет на операцию гибки

Во второй части этой серии гуру гибки Стив Бенсон описывает, как размер зерна материала влияет на операцию гибки. Getty Images

В прошлом месяце мы погрузились в заросли сорняков, чтобы понять, как зерна материала в листовом металле и листе образуются, а также от того, что определяет их размер и ориентацию. В этом месяце мы рассмотрим, как именно эти зерна влияют на формирование материала на листогибочном прессе.

Мы закончили дихотомией: крупнозернистые материалы более пластичны, мелкозернистые материалы прочнее и менее пластичны, и все же мелкозернистые материалы все же легче формировать на листогибочном прессе, чем некоторые крупнозернистые материалы. Фактически, формируется очень крупнозернистый материал, и вы обнаружите разрыв и апельсиновую корку на внешнем радиусе, особенно если вы делаете резкий изгиб. Что дает? Чтобы узнать, читайте дальше.

Краткий обзор

Сталь и другие металлы состоят из очень маленьких групп молекул, и они расположены так, что обычно напоминают куб.Длина этих групп меньше одной десятой миллионной дюйма с каждой стороны. Хотя вы не сможете увидеть эти группы молекул, мы можем увидеть эффекты их присутствия. Эти группы молекул проявляются в виде кристаллов или кристаллических зерен неправильной формы.

Из-за чрезвычайно большого количества молекул, из которых состоит любой материал, эти кристаллические зерна становятся видимыми невооруженным глазом. Когда металл подвергался холодной прокатке или холодной обработке, кристаллы удлиняются и имеют преимущественное направление в направлении прокатки, создавая зерна, которые мы видим.

Размер и количество зерен в материале определяются скоростью затвердевания металла из жидкого состояния. Производство стали начинается с расплавленного металла, который затвердевает по мере охлаждения материала. По мере охлаждения происходит рекристаллизация, при которой более высокотемпературные, новые, свободные от деформации зерна зарождаются и растут внутри старых искаженных зерен и на границах зерен. При рекристаллизации механические свойства материала возвращаются к исходному, более слабому состоянию, становясь намного более пластичным.

Способность кристаллического материала пластически деформироваться зависит от его способности к дислокации; то есть способность зерен свободно перемещаться в материале. Границы зерен - области с избытком молекул, которые не являются частью какого-либо симметричного кристаллического образования - действуют как барьер для этой дислокации, где кристаллы не скользят легко друг по другу. Уменьшение размера зерна увеличивает количество границ (границ зерен), которые должны уступить место, прежде чем может произойти движение. Чем меньше размер зерна, тем прочнее материал.

Замедление движения зернистых дислокаций также укрепляет материал. И есть множество способов уменьшить движение вывиха. К ним относятся легирование и деформационное упрочнение.

Контроль размера зерна

Крупные зерна снижают прочность и ударную вязкость материала, и зерна могут расти по разным причинам. Например, если материал слишком долго остается при температуре рекристаллизации выше, размер зерен увеличивается по мере того, как происходит диффузия через границы зерен.

Размер зерна материала влияет на прочность материала, потому что, опять же, граница зерна действует как барьер для дислокации, что приводит к движению вдоль плоскости скольжения . Это потому, что соседние зерна имеют разную ориентацию (см. Рисунок 1 ). В материале с мелкими зернами расстояние, на которое частица может перемещаться по плоскости скольжения, меньше. Это уменьшенное перемещение между более мелкими зернами увеличивает прочность материала.

Направление зерна и линия изгиба

Лист или листовой материал является слабым звеном при формовании.Мы всегда должны учитывать как можно больше материальных переменных, прежде чем передавать проект в производство. И размер зерна - одна из основных переменных. В идеале, зернистость материала должна быть тщательно рассмотрена до завершения этапа проектирования и еще раз до выпуска заказа на поставку, то есть, если вы хотите уменьшить количество проблем, которые будут проявляться во время производства.

Рисунок 1
Граница зерен влияет на то, как частицы материала могут перемещаться вдоль плоскости скольжения, действуя как барьер для дислокации.

Если у вас есть трещины или "апельсиновые корки" на внешней поверхности изгибов, проблема может быть в ориентации зерен материала. На листогибочном прессе всегда рекомендуется располагать линии сгиба перпендикулярно направлению волокон материала. Конечно, это не всегда практично или возможно, особенно в деталях с множественными изгибами, которые расположены как по направлению волокон, так и против них. Если сделать линии изгиба, перпендикулярные волокнам, нецелесообразно, попробуйте изогнуть их по диагонали.

Отжиг и нормализация

Когда деформационно-упрочненный материал подвергается воздействию повышенных температур, упрочнение, возникающее в результате пластической деформации формования, может быть потеряно - плохая ситуация, если металлу требуется эта прочность для выдерживания некоторой нагрузки. Тем не менее упрочнение, вызванное деформационным упрочнением, не всегда желательно, особенно если вам требуется более высокая пластичность для выполнения нескольких изгибов. Термическая обработка может устранить эффекты деформационного упрочнения.

Независимо от размера зерна, производимого на мельнице, вы можете изменять размер зерна при изготовлении, даже после формования на тормозе.Кристаллы материала можно сделать более однородными с помощью таких термических процессов, как отжиг и нормализация.

Нормализация - это процесс, в котором материал нагревают до точки чуть ниже точки рекристаллизации, а затем дают остыть на открытом воздухе. Отжиг осуществляется путем повторного нагрева материала до температуры чуть ниже точки рекристаллизации, но вместо охлаждения на воздухе его медленно доводят до комнатной температуры, не удаляя материал из печи.Из двух различных методов нормализация дает наилучшую зернистую структуру.

Во время термообработки происходят три события: восстановление, когда зерна немного восстанавливаются после холодной обработки; перекристаллизация, когда образуются новые зерна; и, наконец, рост зерен, когда более крупные зерна растут за счет более мелких. Как показано на рис. , рис. 2 , твердость и прочность падают во время рекристаллизации, а по мере роста зерен - пластичность материала.

Деформационно-упрочненный материал, выдержанный при повышенной температуре, может уменьшить внутреннюю энергию деформации.Молекулы не находятся в фиксированных местах и ​​могут перемещаться, когда поступает достаточно энергии, чтобы разорвать связи, удерживающие их на месте. Повышение температуры быстро увеличивает степень диффузии. Это позволяет молекулам, находящимся в чрезвычайно напряженных местах, перемещаться в менее напряженные области.

Это фаза восстановления, которая позволяет отрегулировать деформацию в мизерных масштабах. Он изменяет плотность дислокаций и перемещает местоположения в более низкое энергетическое состояние, уменьшая внутреннее остаточное напряжение в заготовке.

Определение размера зерна

ASTM International указывает числа размера зерна, которые можно использовать для определения количества зерен на квадратный дюйм при 100-кратном увеличении (см. Рисунок 3 ). Чем выше значение размера зерна, тем меньше средний размер зерна. У стали HSLA часто есть размер зерна от 10 до 12. Традиционные низкопрочные формовочные стали имеют размер зерна около 6 или 7. Размер зерна 5 и ниже может иметь визуальные поверхностные проблемы, такие как трещины, разрывы и оранжевый цвет. пилинги.

Помните, что границы зерен прочнее, чем их внутренняя часть. Когда сталь растягивается до больших уровней деформации, границы зерен сопротивляются деформации и позволяют сердцевине зерна деформироваться. Очевидно, что это неприемлемо для отделки класса A, поэтому рекомендуется указывать размер зерна 6 или выше.

Ниже 1 ASTM указывает размер зерна 0 и 00, оба из которых имеют менее 1 зерна на квадратный дюйм при 100-кратном увеличении. В результате отжига зерна материала могут вырасти до 00 или даже больше.Любые изгибы этого материала будут подвержены разрывам или трещинам на внешней стороне радиуса изгиба. Внешняя поверхность может напоминать апельсиновую корку или иметь небольшие точки. Если вы столкнулись с одной из этих проблем, причиной является размер зерна, а также слишком маленький внутренний радиус изгиба. Чем глубже вы погружаетесь в область резких изгибов, тем хуже становится эффект.

Рисунок 2
Восстановление, рекристаллизация и рост зерна зависят от размера зерна, твердости, пластичности и остаточного напряжения в материале.

Пластичность, размер зерна и формуемость

Механические свойства листа или пластины изменяются с уменьшением размера зерна. По сравнению с мелкозернистыми материалами, крупнозернистые материалы не такие твердые, имеют более низкий предел текучести и более пластичны. Пластичный материал формируется лучше, с меньшим растрескиванием, разрывом или апельсиновой коркой. Хотя, как описано ранее, чрезмерно крупные зерна тоже могут создавать проблемы.

Более мелкий размер зерна означает больше границ зерен, а больше границ зерен означает большее сопротивление дислокации.Это измеренная способность материала противостоять серьезной пластической деформации, что делает материал менее пластичным.

Но подождите, как может материал с более мелким размером зерна быть менее пластичным и в то же время выдерживать большую пластическую деформацию без разрушения? По большей части все сводится к вероятности. Чем выше количество зерен, тем больше вероятность того, что некоторые из них будут ориентированы таким образом, что деформации будут приложены к плоскостям скольжения. Чем больше у вас зерен, тем больше плоскостей скольжения ориентировано в одном направлении, и, следовательно, будет больше деформаций без сбоев, таких как растрескивание, раскалывание или отслоение апельсина.(В качестве примечания: это суть анизотропии и изотропии; для получения дополнительной информации посетите thefabricator.com и выполните поиск по запросу «Зернистость материала для работы листогибочного пресса».)

Конечно, это не так просто, как вероятность один; играют роль другие факторы. Если зерно или кристаллы достаточно малы, движение дислокаций перестает быть основной модой пластической деформации. В игру вступают и другие компоненты пластического поведения, включая скольжение по границам зерен, , при котором зерна перемещаются относительно друг друга.Скольжение границ зерен может происходить в более крупнозернистом материале, но в ограниченном объеме. Напряжение течения или напряжение, необходимое для поддержания пластической деформации при заданном уровне деформации, также играет важную роль.

Другой движущей силой пластического поведения является локализация сдвига . Если материал предрасположен к локализации сдвига, границы зерен упрочняются. Ориентация зерен может подавить скольжение по границам зерен, позволяя более пластичному металлу легче деформироваться.Опять же, это функция анизотропии и изотропии, которая имеет большое значение для человека, работающего с листогибочным прессом.

Более мелкий размер зерна означает большую плотность границ зерен, что по-разному влияет на пластичность материала. Границы зерен известны своей дислокационной фиксацией, что снижает пластичность. Более мелкие зерна также означают, что границ зерен больше. Чем больше количество границ зерен, тем большая нагрузка требуется для изгиба металла. Это происходит потому, что энергия, необходимая для движения на границах, больше, чем у самого зерна.

В то же время известно, что более тонкая граница зерен повышает пластичность. Когда плотность границ зерен увеличивается, эти дислокации закрепляются и равномерно распределяются в материале.

Размер зерна и пружина

Степень упругости также меняется в зависимости от размера зерна. В ранее опубликованных исследованиях более крупнозернистый материал требовал минимальной компенсации упругого возврата, если вообще требовал компенсации, в то время как мелкозернистые материалы демонстрировали большую упругость, которую необходимо было компенсировать, будь то посредством мониторинга угла в реальном времени или посредством процесса выбора инструмента.

Ценность хорошего материала

Все это новое понимание кристаллизации, зернистости и направления волокон сводится к следующему: приобретая более качественный материал, вы можете сэкономить большое количество часов производственного времени и сэкономить деньги.

Конечно, хотя некоторые клиенты не разрешают вам обновлять материал по механическим и конструктивным причинам, большинство не собираются жаловаться, особенно если вы не взимаете с них плату за обновление. Правда, ваши затраты на материалы немного увеличатся, но вы компенсируете это и многое другое только за счет экономии рабочей силы.

Рисунок 3
ASTM International определяет размер зерен на основе среднего количества зерен, которое имеет материал на определенной площади.

В качестве бонуса вы улучшите качество продукции, что повысит моральный дух в магазинах, сделает клиентов более счастливыми и может привести к увеличению клиентской базы, даже если это будет молва. Почему? Потому что все любят хорошее качество по разумной цене.

Стив Бенсон - член и бывший председатель Совета по технологиям высокоточного листового металла Международной ассоциации производителей и производителей.Он является президентом ASMA LLC, [email protected] Бенсон также проводит Программу сертификации листогибочных прессов FMA, которая проводится по всей стране. Для получения дополнительной информации посетите fmanet.org/training или позвоните по телефону 888-394-4362. Последняя книга автора «Основы изгиба» теперь доступна в книжном магазине FMA по адресу fmanet.org/store.

.

Пошаговое руководство для анализа размера зерна

Анализ размера зерна - это типичный лабораторный тест, проводимый в области механики почвы. Цель анализа - определить гранулометрический состав почвы.

Анализ проводится двумя способами. Анализ размера зерна на сите может определять размер частиц в диапазоне от 0,075 мм до 100 мм. Любая категоризация зерен размером более 100 мм будет проводиться визуально, тогда как частицы размером менее 0.075 мм можно распределить с помощью ареометра Метод .

Анализ размера зерна сита

Испытание проводится с использованием набора сит с различным размером ячеек. Каждое сито имеет отверстия квадратной формы определенного размера. Сито отделяет более крупные частицы от более мелких, распределяя образец почвы на 2 части. Зерна с диаметром больше размера отверстий задерживаются ситом, а зерна меньшего диаметра проходят через сито.Испытание проводится путем размещения ряда сит с постепенно уменьшающимся размером ячеек друг над другом и пропускания образца почвы через уложенную друг на друга «башню» сит. Таким образом, частицы почвы распределяются по мере их удержания на различных ситах. Поддон также используется для сбора тех частиц, которые проходят через последнее сито (№ 200).

Номенклатура сит, обычно используемых для гранулометрического анализа почв, а также соответствующие размеры отверстий представлены в Таблице 1 .Основываясь на диапазоне размеров частиц и Единой системе классификации почв (USCS), почвы можно классифицировать по общим категориям, представленным в Таблице 2 . Дальнейшая категоризация возможна после дальнейшего анализа результатов гранулометрического состава.

Таблица 1 : Сита, обычно используемые в тесте на анализ размера зерна

Таблица 2 : Классификация почвы на основе диапазона размера частиц (USCS)

Компоненты испытательной установки

Типичная установка для анализа ситового анализа состоит из:

  • Сушильный шкаф, поддерживаемый при температуре 110 ± 5 ° C
  • Стандартные сита
  • Разделитель проб
  • Механический встряхиватель сит Уложенные друг на друга сита, помещенные на механический встряхиватель сит, показаны на рис. , рис. 1 .

    Рис. 1 : Типичная установка штабелированных сит на механическом встряхивателе (Авторы: проф. Сьюзан Бернс, Технологический университет Джорджии, Департамент гражданской и экологической инженерии)

    Пошаговый анализ ситового анализа Процедура

    Типичная процедура тестирования состоит из следующих этапов:

    1. Взвешивают образец сухой почвы, который должен быть не менее 500 г.
    2. Запишите вес сит и чашки, который будет использоваться во время анализа.Перед исследованием каждое сито следует тщательно очистить.
    3. Соберите сита в порядке возрастания, поместив сита с большими отверстиями наверх. Следовательно, сито № 4 должно быть сверху, а сито № 200 - снизу стопки.
    4. Поместите образец почвы в верхнее сито и закройте его крышкой.
    5. Поместите стопку в механический шейкер и встряхивайте в течение 10 минут.
    6. Удалите стопку сит из встряхивателя и измерьте вес каждого сита и поддона, помещенного на дно стопки.
    Обработка данных

    Вес почвы, оставшейся на каждом сите, рассчитывается путем вычитания веса пустого сита из зарегистрированного веса сита после испытания. Суммарный вес удерживаемых частиц добавляется и сравнивается с исходным весом образца почвы. Требуется разница менее 2%.

    Процент, оставшийся на каждом сите, определяется делением каждого удерживаемого веса на исходный вес образца почвы.Впоследствии общий процент, прошедший через каждое сито, рассчитывается путем вычитания совокупного процента, оставшегося в этом конкретном сите, и тех, которые находятся над ним, из общего количества.

    Типичный лист данных анализа размера зерна представлен ниже (, таблица 3, ). Более того, типичная кривая гранулометрического состава среднего песка показана на рис. 2 .

    Таблица 3 : Типовой лист анализа размера зерна

    Коэффициент однородности (C u )

    Коэффициент однородности (C u ) выражает разнообразие размеров частиц почвы и равен определяется как отношение D 60 к D 10 (, рисунок 1, ).Значение D 60 - это диаметр зерна, при котором 60% частиц почвы более мелкие и 40% частиц почвы более крупные, а D 10 - диаметр зерна, при котором 10% частиц более мелкие, а 90% - более крупные. частицы крупнее. Таким образом, C u оценивается как:

    . равномерно рассортированы.

    Рис. 2 : Кривая гранулометрического состава средне-мелкого песка

    Анализ размера зерна ареометром

    Ареометрический анализ используется для частиц размером менее 75 мкм. Эти частицы проходят через последнее сито (№ 200) ситового анализа.

    Ареометр - это устройство, предназначенное для измерения относительной плотности жидкости, которая относится к отношению фактической плотности вещества к плотности воды.Устройство состоит из цилиндрического стержня и колбы, на дне которой находится определенная порция ртути или свинца, откалиброванная для вертикального плавания в жидкости. Жидкость наливается в высокий цилиндр, обычно сделанный из стекла, и ареометр помещается внутрь, пока он не стабилизируется. Тест основан на том принципе, что в жидкости с низкой плотностью ареометр погружается глубже, пока не уравновесится.

    Ареометр содержит шкалу, которая используется для регистрации относительной плотности жидкости при ее погружении в воду.

    Анализ гранулометрического состава ареометра основан на изменении относительной плотности водно-почвенной смеси по мере оседания частиц почвы. Тест основан на том факте, что при заливке почвы в жидкость относительная плотность водно-грунтовой смеси повышается. По мере оседания частиц почвы плотность уменьшается, пока не достигнет начальной плотности жидкости. Самые тяжелые частицы (большего диаметра) утонут первыми.

    Компоненты испытательной установки

    Типичная испытательная установка ареометра, показанная на рис. 3 , состоит из

    .

    Смотрите также