Как структура зерен титана и нержавеющей стали влияет на формирование деталей?

Преимущества можно получить, заглянув на один слой глубже в структуру зерен, которая определяет механическое поведение нержавеющей стали. Гетти Изображения

Выбор нержавеющей стали и алюминиевых сплавов часто основывается на прочности, пластичности, относительном удлинении и твердости. Эти свойства показывают, как строительные блоки металла ведут себя в ответ на приложенную нагрузку. Они являются эффективными показателями для управления лимитами сырья; то есть насколько он согнется, прежде чем сломается. Сырье должно выдерживать процесс формования, не разрушаясь.

Разрушающие испытания на растяжение и твердость могут быть надежным и экономичным способом определения механических свойств. Однако эти испытания не всегда столь надежны, если толщина исходного материала начинает ограничивать размеры испытуемого образца. Испытание плоского металлического изделия на растяжение, безусловно, по-прежнему полезно, но преимущества можно получить, заглянув на один слой глубже в зеренную структуру, которая определяет его механическое поведение.

Металл состоит из множества микроскопических кристаллов, называемых зернами. Они хаотично распределены по металлу. Атомы элементов сплава, таких как железо, хром, никель, марганец, кремний, углерод, азот, фосфор и сера в случае аустенитной нержавеющей стали, являются строительными блоками отдельного зерна. Эти атомы образуют твердый раствор ионов металлов, связанных в решетку своими общими электронами.

Химический состав сплава определяет термодинамически предпочтительное повторяющееся расположение атомов зерен, называемое кристаллической структурой. Однородный участок металла, содержащий одну повторяющуюся кристаллическую структуру, образует одно или несколько зерен, называемых фазой. Механические свойства сплава зависят от кристаллической структуры сплава. Также большое значение имеют размер и расположение зерен каждой фазы.

Как образуются зерна?

Фазы воды знакомы большинству. Когда жидкая вода замерзает, она превращается в твердый лед. Однако когда дело доходит до металлов, существует не одна твердая фаза. Некоторые семейства сплавов названы в честь своих фаз. В нержавеющей стали аустенитные сплавы серии 300 при отжиге состоят в основном из аустенита. Однако сплавы серии 400 состоят либо из феррита в нержавеющей стали 430, либо из мартенсита в сплавах нержавеющей стали 410 и 420.

То же самое касается и титановых сплавов. Названия каждой группы сплавов указывают на их доминирующую фазу при комнатной температуре — альфа, бета или смесь обеих. Различают альфа-, около-альфа, альфа-бета, бета и околобета-сплавы.

Когда жидкий металл затвердевает, твердые зерна термодинамически предпочтительной фазы выпадают в осадок там, где это позволяют давление, температура и химический состав. Обычно это происходит на границе раздела, как кристаллы льда на поверхности теплого пруда в холодный день. Когда зерно зарождается, кристаллическая структура растет в одной ориентации, пока не встретит другое зерно. Поскольку кристаллические структуры ориентированы по-разному, граница зерен образуется на пересечении несогласованных решеток. Представьте себе, что вы положили в коробку связку кубиков Рубика разного размера. Каждый куб имеет квадратную сетку, но все они располагаются в разных случайных ориентациях. Полностью затвердевшая металлическая заготовка состоит из множества, казалось бы, хаотично ориентированных зерен.

Каждый раз, когда формируется зерно, существует вероятность развития дефектов линии. Эти дефекты представляют собой недостающие части кристаллической структуры, известные как дислокации. Эти дислокации и их последующее перемещение по зерну и по границам зерен составляют основу пластичности металла.

Поперечное сечение заготовки монтируется, шлифуется, полируется и травится для просмотра зеренной структуры. Однородная и равноосная микроструктура, рассматриваемая в оптическом микроскопе, выглядит как мозаика. На самом деле зерна трехмерны, и поперечное сечение каждого зерна будет выглядеть по-разному в зависимости от ориентации поперечного сечения заготовки.