Comprensión de la formabilidad del acero inoxidable a nivel atómico

El grano, la ductilidad, la deformación plástica y elástica, la fractura y el trabajo en frío son importantes en el proceso de formación para evitar la fractura y el agrietamiento y optimizar la formabilidad. Imágenes proporcionadas

Los fabricantes de fabricación de metal seleccionan metales para realizar una función en función de las características físicas del metal. Un tubo de escape de acero inoxidable debe resistir la oxidación. Un intercambiador de calor en un jet debe soportar altas temperaturas en un servicio agresivo.

Claramente, la forma en que un metal se comporta o puede comportarse es fundamental para su funcionamiento. En estos ejemplos, se seleccionarían aleaciones específicas debido a las diferencias en sus aplicaciones. Los fabricantes de metales deben comprender el comportamiento del acero inoxidable para tener éxito en la producción de productos fabricados en acero inoxidable para la industria.

Una de las características más importantes del metal que deben considerar los fabricantes es la ductilidad. La ductilidad es la capacidad de un material para deformarse plásticamente y hacerlo sin romperse.

El proceso histórico de la herrería implicó martillar metales en formas. Las formas como las cuchillas son relativamente simples de producir porque su fabricación no requiere curvas o formas complicadas. Sin embargo, las hojas y formas martilladas fueron únicas. Cada pieza era una obra de arte única, en cierto sentido. Hoy en día, los formadores de metales tienen que producir piezas de acero inoxidable según las especificaciones repetidamente. A diferencia de la herrería, hay menos "margen de maniobra" para hacer correcciones sobre la marcha.

La deformación permite que los metales se formen en geometrías específicas. Comprender sus propiedades de ductilidad es fundamental para el éxito. Los fabricantes deben seleccionar una aleación en función de sus propiedades mecánicas adecuadamente para facilitar la formación necesaria para que la forma final cumpla con las características físicas requeridas.

Los fabricantes de metales pueden obtener una buena perspectiva de la ductilidad de las aleaciones al observar características como el alargamiento del material (como se muestra en las certificaciones de los materiales), las aplicaciones comunes y las tasas de endurecimiento por trabajo. Pero la ductilidad ocurre a nivel atómico. Es importante observar el nivel atómico para comprender completamente qué es la ductilidad y por qué es importante para los procesos.

Los metales se comportan de manera diferente a otros materiales. Su capacidad para deformarse plásticamente, mantener la forma y mantener la fuerza en la deformación es única. Estas características únicas se derivan de los tipos de átomos en el metal y sus enlaces. El enlace atómico determina esencialmente cómo se transfieren o comparten los electrones entre los átomos de un material. La unión mantiene a los átomos juntos en materiales coherentes.

Los átomos de metal permanecen unidos con enlaces metálicos cuando los electrones se comparten libremente entre los átomos. Los átomos se alinean en 3D, filas ordenadas conocidas como red cristalina.

Los enlaces metálicos permiten el movimiento de los átomos a través de la red. Es este movimiento atómico el que define la capacidad de deformación plástica.

La deformación puede ocurrir bajo tensión de compresión o tensión. Estos tipos de tensión definen todos los procesos de fabricación.

Los átomos de metal pueden moverse a través de la masa de grano más fácilmente que el límite de grano desalineado. Imagínese conduciendo por una carretera donde todas las rampas de salida son abruptamente 10 pies más altas que la carretera. Para acceder a la rampa de salida, un conductor tendría que levantar físicamente el automóvil 10 pies en el aire.

El movimiento de los átomos de metal en compresión se llama maleabilidad y en tensión, ductilidad. Ambos términos se definen bajo plasticidad, que expresa la capacidad de un material para deformarse sin agrietarse.

La acuñación es un proceso de fabricación por compresión que se basa en la maleabilidad. La embutición profunda es un proceso de tracción que se basa en la ductilidad.

En ambos procesos, los átomos se mueven por diferentes métodos, pero ambos requieren movimiento atómico para funcionar. Considere intentar acuñar un plato de porcelana. La porcelana es una cerámica que contiene enlaces covalentes en lugar de enlaces metálicos. A diferencia de los enlaces metálicos, los enlaces covalentes no comparten electrones libremente y eso impide el movimiento atómico. Bajo presión, la placa se romperá debido a esta falta de movimiento atómico; no puede deformarse plásticamente. Por esta razón, el metal es el mejor material para las operaciones de acuñación.

Los átomos de metal se solidifican en orden cristalino durante el recocido, como cristales de hielo que crecen sobre una superficie fría. Los átomos se nuclean en puntos y crecen hacia afuera a medida que más átomos se ensamblan en orden. Las porciones en crecimiento eventualmente encuentran un punto de nucleación en crecimiento cercano. Estas interfaces de átomos ensamblados que no se alinean entre sí se conocen como límites de grano.

Los grupos asociados de átomos alineados de manera diferente se conocen como granos. Los átomos de metal pueden moverse a través de la masa de grano más fácilmente que el límite de grano desalineado. Imagínese conduciendo por una carretera donde todas las rampas de salida son abruptamente 10 pies más altas que la carretera. Para acceder a la rampa de salida, un conductor tendría que levantar físicamente el automóvil 10 pies en el aire. Tanto la autopista como la rampa de salida pueden ser fáciles de manejar, pero pasar de la autopista a la rampa de salida desalineada sería más difícil y requeriría más energía y diferentes condiciones.

Los propios granos en la red cristalina contienen imperfecciones de alineación conocidas como dislocaciones. Las dislocaciones pueden ocurrir durante la recristalización, pero se desarrollan principalmente a través del trabajo en frío. Ciertos tipos de dislocaciones se moverán si se aplica suficiente tensión. Por lo tanto, el movimiento de dislocaciones es un movimiento de desalineación. Los átomos se deslizarán de un lado de la desalineación al otro, lo que dará como resultado el aparente movimiento de dislocación.

Las propias dislocaciones también pueden colisionar a partir de este movimiento. Al igual que un atasco de tráfico, las acumulaciones de dislocaciones pueden evitar un mayor movimiento de dislocaciones.

La ductilidad es la medida de la deformación plástica capaz como resultado del movimiento atómico. Las restricciones al movimiento restringen la ductilidad; por lo tanto, la acumulación de dislocaciones da como resultado una menor ductilidad. Además, el pileup requiere una fuerza mayor para mover los átomos. Este efecto se denomina endurecimiento por trabajo.

Una tensión aplicada que hace que los átomos de metal se muevan en la red cristalina de forma permanente es el límite elástico. El pileup da como resultado una mayor resistencia a la fluencia porque se requiere más fuerza para mover los átomos. Es por eso que los metales templados tienen mayor resistencia a la tracción, límite elástico y dureza.

El alargamiento disminuye con el trabajo en frío. Esto es fundamental saberlo, porque el alargamiento es una medida de la ductilidad de un material. Más específicamente, es la medida de la deformación plástica total que un material puede aceptar antes de romperse. Tiene sentido que la ductilidad disminuya a través del endurecimiento por trabajo, considerando que una parte de la deformación plástica potencial total se usa durante las operaciones de formación.

Los metales se comportan de manera diferente a otros materiales. Su capacidad para deformarse plásticamente, mantener la forma y mantener la fuerza en la deformación es única. Estas características únicas se derivan de los tipos de átomos en el metal y sus enlaces.

Las operaciones de formación que excedan la resistencia a la tracción del material, incluso localmente, estarán en riesgo de grietas y fracturas. Esta es una falla material crítica. La evidencia de esta falla puede ser desde microscópica hasta catastrófica.

Las fallas microscópicas son peligrosas porque corren el riesgo de no ser descubiertas. Aunque las piezas con fallas catastróficas son obvias y claramente no se venden, aún pueden crear problemas porque causan daños en las herramientas. Los objetos extraños generados por la falla o por secciones ásperas y falladas pueden causar mucho daño.

El alargamiento se reduce a medida que aumenta la resistencia a la tracción. Por lo tanto, la resistencia a la tracción de un material se considera como la presión mínima de toda la ductilidad disponible. Esta consideración es bajo condiciones específicas. El impulso de la fuerza aplicada puede contribuir a la ductilidad y la fractura.

Los molinos de fusión agregan elementos a los metales puros para producir aleaciones. Estos elementos de aleación modifican las características del metal, como la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas. Por ejemplo, se agrega cromo al acero para formar una capa superficial de óxido de cromo que mejora la resistencia a la corrosión. Se añade níquel para influir en la formación de la fase cristalina de austenita que modifica el grado de resistencia. Los átomos de aleación ocupan espacio en la red cristalina, lo que cambia la facilidad con la que se pueden mover los átomos. Además, pueden alterar la forma en que se nuclean y crecen los granos, cambiando así el volumen de los límites de los granos. El cambio al movimiento atómico de estos cambios cristalográficos afecta la ductilidad.

Comprender los elementos de aleación afecta el desarrollo de nuevas aleaciones. Los aceros inoxidables tipo 301 y 305 son buenos ejemplos de las implicaciones prácticas de la ductilidad. El acero inoxidable tipo 305 exhibe un alargamiento ligeramente mayor que el acero inoxidable 301 en estado recocido. Además, el 305 recibe un menor aumento total de temple bajo la misma deformación que el 301. Esto significa que si el 305 y el 301 se deforman en la misma cantidad, el 305 tendrá un límite elástico más bajo pero una mayor elongación. Comenzará y terminará con más ductilidad bajo la misma deformación.

La ductilidad después del endurecimiento por trabajo es una consideración importante. Más específicamente, la ductilidad influye en el funcionamiento de la pieza final.

En un caso de ejemplo, si 301 y 305 se doblan en dimensiones equivalentes, terminarán con diferentes propiedades mecánicas. Esto se debe a que tienen diferentes propiedades de ductilidad y se endurecen por trabajo a diferentes velocidades, por lo que terminan con diferentes resultados. En una dimensión de pieza, digamos que 305 tiene un límite elástico de 150 000 PSI y 301 tiene un límite elástico de 180 000 PSI. Si esta dimensión recibió una carga aplicada equivalente a 170 000 PSI, eso ha excedido el límite elástico del 305 pero no del 301. Esto significa que, en teoría, el 305 cederá y, por lo tanto, se deformará. ¡Es un gran problema si no se supone que la pieza se deforme!

La embutición profunda es un proceso de deformación extrema que puede poner a prueba los límites de la ductilidad. El proceso requiere una ductilidad significativa en todas las direcciones. La materia prima debe producirse en consecuencia.

El material que se somete a embutición profunda debe estirarse y plancharse adecuadamente para facilitar el movimiento colosal de los átomos. Además, la materia prima primero debe laminarse y recocerse para preservar cuidadosamente la ductilidad del material en preparación para el embutido profundo.

La selección de la aleación también es primordial. No tiene sentido tratar de diseñar la ductilidad en una aleación cuando hay disponible una mejor alternativa de aleación. Además, las consideraciones de ductilidad deben equilibrarse con otras características necesarias, como la resistencia a la corrosión o las propiedades magnéticas.

La embutición profunda es un proceso de deformación extrema que puede poner a prueba los límites de la ductilidad. El material que se somete a embutición profunda debe estirarse y plancharse adecuadamente para facilitar el movimiento colosal de los átomos. Además, la materia prima primero debe laminarse y recocerse para preservar cuidadosamente la ductilidad del material en preparación para el embutido profundo.

Otros procesos de formación requieren diferentes consideraciones de ductilidad. Las piezas estampadas, por ejemplo, con frecuencia requieren doblarse para obtener la forma final. La deformación plástica da como resultado un movimiento atómico permanente. Por tanto, la pieza final mantiene su configuración doblada.

El artilugio de metal debe doblarse para darle forma sin romperse y luego debe conservar su forma. Eso trae muchas preocupaciones sobre la ductilidad. Primero, se debe seleccionar la aleación correcta que muestre el grado de ductilidad necesario.

En segundo lugar, los procesos deben configurarse para facilitar el endurecimiento por trabajo del material. A medida que se produce la curvatura, los átomos crean imperfecciones (dislocaciones) que se acumulan a medida que avanza la curvatura. Estas imperfecciones acumuladas, como se discutió anteriormente, definen el endurecimiento logrado a partir de la flexión, lo que aumenta la dureza y la resistencia a la tracción y a la fluencia en esa área. Eso hace que el área de la curva sea más fuerte.

Esta consideración es fundamental porque el temperamento del doblez contribuye directamente a la recuperación elástica de ese doblez y, por lo tanto, al control dimensional de la pieza. Aunque aumentan la dureza y la resistencia a la tracción y a la fluencia, el alargamiento disminuye. Por lo tanto, la ductilidad en un área endurecida por trabajo disminuye.

Equilibrar la ductilidad y la resistencia es fundamental para formar la pieza final.