Wie wirken sich die Kornstrukturen von Titan und Edelstahl auf die Teileformung aus?

Vorteile können erzielt werden, wenn man eine Schicht tiefer in die Kornstruktur blickt, die das mechanische Verhalten von Edelstahl bestimmt. Getty Images

Bei der Auswahl von Edelstahl- und Aluminiumlegierungen stehen häufig Festigkeit, Duktilität, Dehnung und Härte im Mittelpunkt. Diese Eigenschaften geben an, wie sich die Bausteine ​​eines Metalls als Reaktion auf eine aufgebrachte Last verhalten. Sie sind wirksame Maßstäbe für das Management der Grenzen eines Rohstoffs. das heißt, wie weit es sich verbiegen wird, bevor es bricht. Das Rohmaterial muss dem Umformprozess standhalten, ohne zu brechen.

Zerstörende Zug- und Härteprüfungen können eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften sein. Allerdings sind diese Tests nicht immer so zuverlässig, wenn die Dicke des Rohmaterials beginnt, die Abmessungen des Prüfkörpers einzuschränken. Die Zugprüfung eines flachen Metallprodukts ist sicherlich immer noch nützlich, aber es können Vorteile erzielt werden, wenn man eine Schicht tiefer in die Kornstruktur blickt, die sein mechanisches Verhalten bestimmt.

Metall besteht aus einer Reihe mikroskopisch kleiner Kristalle, die als Körner bezeichnet werden. Sie sind zufällig im Metall verteilt. Atome der Elemente einer Legierung, wie Eisen, Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel im Fall von austenitischem Edelstahl, sind die Bausteine ​​eines einzelnen Korns. Diese Atome bilden eine feste Lösung aus Metallionen, die durch ihre gemeinsamen Elektronen zu einem Gitter verbunden sind.

Die chemische Zusammensetzung einer Legierung bestimmt die thermodynamisch bevorzugte sich wiederholende Anordnung der Atome in den Körnern, die sogenannte Kristallstruktur. Ein homogener Metallabschnitt mit einer sich wiederholenden Kristallstruktur bildet ein oder mehrere Körner, die als Phase bezeichnet werden. Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung hängen von den Kristallstrukturen in der Legierung ab. Auch die Größe und Anordnung der Körner jeder Phase spielt eine Rolle.

Wie entstehen Körner?

Die Phasen des Wassers sind den meisten bekannt. Wenn flüssiges Wasser gefriert, wird es zu festem Eis. Allerdings gibt es bei Metallen nicht nur eine feste Phase. Bestimmte Legierungsfamilien werden nach ihren Phasen benannt. Bei rostfreiem Stahl bestehen die austenitischen Legierungen der 300er-Serie im geglühten Zustand hauptsächlich aus Austenit. Legierungen der Serie 400 bestehen jedoch entweder aus Ferrit in 430-Edelstahllegierungen oder aus Martensit in 410- und 420-Edelstahllegierungen.

Das Gleiche gilt für Titanlegierungen. Die Namen jeder Legierungsgruppe geben ihre dominante Phase bei Raumtemperatur an – entweder Alpha, Beta oder eine Mischung aus beiden. Es gibt Alpha-, Near-Alpha-, Alpha-Beta-, Beta- und Near-Beta-Legierungen.

Wenn ein flüssiges Metall erstarrt, fallen feste Körner der thermodynamisch bevorzugten Phase dort aus, wo Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung dies zulassen. Dies geschieht normalerweise an einer Grenzfläche, wie es bei Eiskristallen auf der Oberfläche eines warmen Teichs an einem kalten Tag der Fall ist. Bei der Keimbildung eines Korns wächst die Kristallstruktur in einer Ausrichtung, bis sie auf ein anderes Korn trifft. Da Kristallstrukturen unterschiedlich ausgerichtet sind, bildet sich am Schnittpunkt der nicht übereinstimmenden Gitter eine Korngrenze. Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Haufen Zauberwürfel unterschiedlicher Größe in eine Schachtel. Jeder Würfel hat die quadratische Gitteranordnung, sie werden jedoch alle in unterschiedlichen, zufälligen Ausrichtungen angeordnet. Ein vollständig erstarrtes Metallwerkstück besteht aus einer Reihe scheinbar zufällig ausgerichteter Körner.

Jedes Mal, wenn sich ein Korn bildet, besteht die Möglichkeit, dass sich Linienfehler entwickeln. Bei diesen Defekten handelt es sich um fehlende Teile einer Kristallstruktur, die als Versetzungen bezeichnet werden. Diese Versetzungen und ihre anschließende Bewegung durch ein Korn und über Korngrenzen hinweg sind die Grundlage der Metallduktilität.

Ein Querschnitt des Werkstücks wird montiert, geschliffen, poliert und geätzt, um die Kornstruktur zu betrachten. Wenn eine Mikrostruktur einheitlich und gleichachsig ist, sieht sie unter einem optischen Mikroskop wie ein Puzzle aus. In Wirklichkeit sind Körner dreidimensional und der Querschnitt jedes Korns sieht je nach Ausrichtung des Werkstückquerschnitts anders aus.

Wenn eine Kristallstruktur voll von all ihren Atomen ist, gibt es über die Dehnung der Atombindungen hinaus keinen Raum für Bewegung.

Wenn Sie die Hälfte einer Reihe von Atomen entfernen, schaffen Sie die Möglichkeit, dass eine andere Reihe an diese Stelle rutscht und so die Versetzung effektiv verschiebt. Wenn eine Kraft auf ein Werkstück einwirkt, ermöglicht die Gesamtbewegung der Versetzungen in einer Mikrostruktur, dass es sich biegt, dehnt oder komprimiert, ohne zu brechen oder zu brechen.

Wenn eine Kraft auf die Metalllegierung einwirkt, wird dem System Energie hinzugefügt. Wenn genügend Energie zugeführt wird, um eine plastische Verformung hervorzurufen, werden die Kristallgitter gespannt und es bilden sich neue Versetzungen. Es mag logisch erscheinen, dass dies die Duktilität erhöhen sollte, da dadurch mehr Platz frei wird und somit mehr Potenzial für Luxationsbewegungen entsteht. Wenn Versetzungen jedoch kollidieren, können sie sich gegenseitig festhalten.

Mit zunehmender Anzahl und Konzentration der Versetzungen verklemmen sich immer mehr Versetzungen, wodurch die Duktilität abnimmt. Irgendwann kommt es zu so vielen Versetzungen, dass keine Kaltumformung mehr möglich ist. Da sich die vorhandenen fixierten Versetzungen nicht mehr bewegen können, dehnen sich die Atombindungen im Gitter, bis sie brechen, also brechen. Aus diesem Grund verfestigen sich Metalllegierungen und es gibt eine Grenze für die plastische Verformung, die ein Metall ertragen kann, bevor es bricht.

Auch beim Glühen spielen Körner eine große Rolle. Durch das Glühen eines kaltverfestigten Materials wird die Mikrostruktur im Wesentlichen zurückgesetzt, sodass die Duktilität wiederhergestellt werden kann. Beim Glühen durchlaufen die Körner eine Umwandlung in drei Schritten:

Stellen Sie sich eine Person vor, die sich durch einen überfüllten Zugwaggon bewegt. Das Durchdringen der Menschenmenge ist nur möglich, indem man zwischen den Reihen der Menschen eine Lücke schafft, ähnlich einer Verschiebung in einem Kristallgitter. Während sie voranschreiten, füllen die Menschen hinter ihnen die Lücken, die sie hinterlassen haben, während sie vor ihnen neuen Raum schaffen. Sobald sie das andere Ende des Waggons erreichen, wird sich die Anordnung der Passagiere geändert haben. Wenn zu viele Menschen auf einmal durchkommen, stoßen die Fahrgäste, die Platz für ihre Bewegung schaffen wollen, untereinander und gegen die Wände des Zugwaggons, wodurch alle an Ort und Stelle bleiben. Je mehr Versetzungen vorhanden sind, desto schwieriger wird es für sie, sich gleichzeitig zu bewegen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass ein minimaler Verformungsgrad erforderlich ist, um eine Rekristallisation auszulösen. Wenn das Metall jedoch vor dem Erhitzen nicht über genügend gespeicherte Verformungsenergie verfügt, findet keine Rekristallisation statt und die Körner wachsen einfach weiter über ihre ursprüngliche Größe hinaus.

Die mechanischen Eigenschaften können durch die Steuerung des Kornwachstums eingestellt werden. Korngrenzen sind im Wesentlichen eine Wand aus Versetzungen. Sie behindern die Bewegung.

Wenn das Kornwachstum begrenzt ist, entsteht eine höhere Anzahl kleiner Körner. Von der Kornstruktur her gelten diese kleineren Körner als feiner. Mehr Korngrenzen bedeuten weniger Versetzungsbewegung und höhere Festigkeit.

Wenn das Kornwachstum weniger begrenzt ist, wird die Kornstruktur grober, mit größeren Körnern, weniger Grenzen und geringerer Festigkeit.

Die Korngröße wird oft als einheitenlose Zahl zwischen etwa 5 und 15 angegeben. Dabei handelt es sich um eine relative Skala, die sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser bezieht. Je höher die Zahl, desto feiner ist die Korngröße.

Die Methode zur Messung und Bewertung der Korngröße ist in ASTM E112 beschrieben. Dabei wird die Anzahl der Körner in einer bestimmten Fläche gezählt. Dies wird häufig erreicht, indem ein Querschnitt des Rohmaterials geschnitten, geschliffen und poliert und mit Säure geätzt wird, um die Körner freizulegen. Die Zählung erfolgt unter einem Mikroskop unter einer Vergrößerung, die eine ausreichende Probenahme der Körner ermöglicht. Die Zuweisung einer ASTM-Korngrößenzahl deutet auf ein angemessenes Maß an Homogenität in Kornform und -durchmesser hin. Es kann sogar von Vorteil sein, die Variation der Korngröße auf zwei oder drei Punkte zu beschränken, um einheitliche Eigenschaften im gesamten Werkstück sicherzustellen.

Bei der Kaltverfestigung stehen Festigkeit und Duktilität in einem umgekehrten Verhältnis zueinander. Die Beziehung zwischen ASTM-Korngröße und Festigkeit ist oft positiv und stark, und im Allgemeinen besteht zwischen dem Prozentsatz der Dehnung und der ASTM-Korngröße eine umgekehrte Beziehung. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch zu „totenweichem“ Material führen, das nicht mehr effektiv kaltverfestigt werden kann.

Die Korngröße wird oft als einheitenlose Zahl zwischen etwa 5 und 15 angegeben. Dabei handelt es sich um eine relative Skala, die sich auf den durchschnittlichen Korndurchmesser bezieht. Je höher der ASTM-Korngrößenwert, desto mehr Körner pro Flächeneinheit.

Die Korngröße eines geglühten Materials variiert mit der Zeit, der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit. Das Glühen wird typischerweise zwischen der Rekristallisationstemperatur und dem Schmelzpunkt einer Legierung durchgeführt. Der empfohlene Glühbereich für die austenitische Edelstahllegierung 301 liegt zwischen 1.900 und 2.050 Grad F. Sie beginnt bei etwa 2.550 Grad F zu schmelzen. Im Gegensatz dazu sollte kommerziell reines Titan der Güteklasse 1 bei 1.292 Grad F geglüht werden und schmilzt bei etwa 3.000 Grad F .

Beim Glühen konkurrieren die Erholungs- und Rekristallisationsprozesse miteinander, bis die rekristallisierten Körner alle deformierten Körner aufzehren. Die Rekristallisationsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab. Sobald die Rekristallisation abgeschlossen ist, setzt das Kornwachstum ein. Ein Werkstück aus Edelstahl 301, das eine Stunde lang bei 1.900 Grad F geglüht wurde, weist eine feinere Kornstruktur auf als dasselbe Werkstück, das für die gleiche Zeitspanne bei 2.000 Grad F geglüht wurde.

Wenn das Material nicht lange genug im richtigen Glühbereich gehalten wird, kann die resultierende Struktur eine Kombination aus alten und neuen Körnern sein. Wenn gleichmäßige Eigenschaften im gesamten Metall gewünscht sind, sollte der Glühprozess darauf abzielen, eine gleichmäßige und gleichachsige Kornstruktur zu erreichen. Gleichmäßig bedeutet, dass alle Körner ungefähr die gleiche Größe haben, und gleichachsig bedeutet, dass sie alle ungefähr die gleiche Form haben.

Um eine gleichmäßige und gleichachsige Mikrostruktur zu erreichen, sollte jedes Werkstück für die gleiche Zeitspanne der gleichen Wärmemenge ausgesetzt sein und mit der gleichen Geschwindigkeit abkühlen. Beim Chargenglühen ist dies nicht immer einfach oder möglich. Deshalb ist es wichtig, zumindest zu warten, bis das gesamte Werkstück die richtige Temperatur erreicht hat, bevor die Einweichzeit gezählt wird. Eine längere Einweichzeit und eine höhere Temperatur führen zu einer gröberen Kornstruktur/weicherem Material und umgekehrt.

Wenn Korngröße und Festigkeit zusammenhängen und die Festigkeit bereits bekannt ist, warum sollte man sich dann die Mühe machen, die Körner zu zählen? Alle zerstörenden Tests weisen Variabilität auf. Zugversuche, insbesondere bei geringeren Dicken, hängen stark von der Probenvorbereitung ab. Bei Zugfestigkeitsergebnissen, die nicht repräsentativ für die tatsächlichen Materialeigenschaften sind, kann es zu vorzeitigen Brüchen kommen.

Wenn die Eigenschaften nicht über das gesamte Werkstück hinweg einheitlich sind, sagt die Entnahme eines Zugprobestücks oder einer Probe von einer Kante möglicherweise nicht alles aus. Auch die Probenvorbereitung und -prüfung kann zeitaufwändig sein. Wie viele Tests und in wie vielen Richtungen können für ein bestimmtes Metall durchgeführt werden? Die Beurteilung der Kornstruktur ist eine zusätzliche Absicherung gegen Überraschungen.

Anisotropie, Isotropie. Anisotropie bezieht sich auf die Richtungsabhängigkeit mechanischer Eigenschaften. Über die Festigkeit hinaus lässt sich die Anisotropie besser verstehen, indem man die Kornstruktur untersucht.

Eine gleichmäßige und gleichachsige Kornstruktur sollte isotrop sein, das heißt, sie weist in jede Richtung die gleichen Eigenschaften auf. Besonders wichtig ist die Isotropie bei Tiefziehprozessen, bei denen es auf die Konzentrizität ankommt. Beim Einziehen des Rohlings in die Matrize fließt das anisotrope Material nicht gleichmäßig, was zu einem Defekt namens Zackenbildung führen kann. Ohrenbildung tritt dort auf, wo der obere Teil des Bechers ein wellenförmiges Profil entwickelt. Die Untersuchung der Kornstruktur kann Aufschluss darüber geben, wo sich Ungleichmäßigkeiten im Werkstück befinden, und bei der Diagnose der Grundursache helfen.

Um Isotropie zu erreichen, ist ein ordnungsgemäßes Glühen von entscheidender Bedeutung, es ist jedoch auch wichtig, den Grad der Verformung vor dem Glühen zu verstehen. Wenn das Material plastisch verformt wird, beginnen sich die Körner zu verformen. Beim Kaltwalzen, bei dem die Dicke in die Länge umgerechnet wird, dehnen sich die Körner in Walzrichtung aus. Wenn sich die Aspektverhältnisse der Körner ändern, ändern sich auch die Isotropie und die mechanischen Eigenschaften des Volumens. Bei einem stark verformten Werkstück kann ein Teil der Ausrichtung auch nach dem Glühen erhalten bleiben. Dies führt zu Anisotropie. Bei tiefgezogenen Materialien ist es manchmal erforderlich, die Verformung vor dem Schlussglühen zu begrenzen, um Zackenbildung zu vermeiden.

Orangenschale. Die Ährenbildung ist nicht der einzige maserungsbedingte Tiefziehfehler. Beim Ziehen von Rohmaterial mit zu grober Körnung kann es zu Orangenhaut kommen. Jedes Korn verformt sich unabhängig und in Abhängigkeit von seiner kristallographischen Ausrichtung. Unterschiede in der Verformung zwischen benachbarten Körnern führen zu einer strukturierten Erscheinung, die einer Orangenschale ähnelt. Die Textur ist die Kornstruktur, die sich auf der Oberfläche der Becherwand zeigt.

Genau wie bei den Pixeln auf einem Fernsehbildschirm sind die Unterschiede jedes einzelnen Korns bei einer feinen Kornstruktur weniger deutlich, was die Auflösung effektiv erhöht. Die Angabe mechanischer Eigenschaften allein reicht möglicherweise nicht aus, um eine ausreichend feine Korngröße sicherzustellen, um Orangenhauteffekte zu verhindern. Wenn die Änderung der Abmessungen eines Werkstücks weniger als das Zehnfache des Korndurchmessers beträgt, beeinflussen die Eigenschaften der einzelnen Körner das Umformverhalten. Anstatt dass die Verformung über viele Körner gemittelt wird, spiegelt sie die spezifische Größe und Ausrichtung jedes einzelnen Korns wider. Dies ist durch den Orangenhauteffekt an der Wand einer gezogenen Tasse erkennbar.

Bei einer ASTM-Korngröße von 8 beträgt der durchschnittliche Korndurchmesser 885 µin. Dies bedeutet, dass jede Dickenreduzierung von 0,00885 Zoll oder weniger durch diesen Mikroformungseffekt beeinflusst werden kann.

Während grobe Körner beim Tiefziehen Probleme bereiten können, werden sie manchmal zum Prägen empfohlen. Beim Prägen handelt es sich um einen Verformungsprozess, bei dem ein Rohling zusammengedrückt wird, um einer Viertelmünze eine gewünschte Oberflächentopographie zu verleihen, beispielsweise das Profil von George Washingtons Gesicht. Im Gegensatz zum Ziehen ist beim Prägen in der Regel kein großer Materialfluss erforderlich, es ist jedoch eine große Kraft erforderlich, die möglicherweise nur die Oberfläche des Rohlings verformt.

Aus diesem Grund kann die Minimierung der Fließspannung an der Oberfläche durch die Verwendung einer gröberen Kornstruktur dazu beitragen, die für eine ordnungsgemäße Formfüllung erforderliche Kraft zu verringern. Dies gilt insbesondere beim Freiprägen, bei dem Versetzungen auf Oberflächenkörnern frei fließen können, anstatt sich an Korngrenzen anzusammeln.

Bei den hier diskutierten Trends handelt es sich um Verallgemeinerungen, die möglicherweise nicht auf einen bestimmten Teil zutreffen. Sie heben jedoch die Vorteile der Messung und Standardisierung der Korngröße des Rohmaterials bei der Konstruktion eines neuen Teils hervor, um häufige Fallstricke zu vermeiden und Umformparameter zu optimieren.

Präzise Metallstanzer und Hersteller, die zur Formung ihrer Teile Tiefziehvorgänge an Metall durchführen, sind gut beraten, mit Metallurgen eines technisch kompetenten Präzisionsumrollers zusammenzuarbeiten, der ihnen dabei helfen kann, ihr Material bis auf die Kornebene zu optimieren. Wenn sich die Metallurgie- und Ingenieurexperten auf beiden Seiten der Beziehung in einem einzigen Team zusammenschließen, kann dies transformative Auswirkungen haben und zu positiveren Ergebnissen führen.