¿Cómo afectan las estructuras granulares de titanio y acero inoxidable a la formación de piezas?

Se pueden obtener beneficios examinando una capa más profundamente en la estructura de grano que gobierna el comportamiento mecánico del acero inoxidable. imágenes falsas

La selección de acero inoxidable y aleaciones de aluminio a menudo se centra en la resistencia, ductilidad, elongación y dureza. Estas propiedades indican cómo se comportan los componentes básicos de un metal en respuesta a una carga aplicada. Son métricas efectivas para gestionar los límites de una materia prima; es decir, cuánto se doblará antes de romperse. La materia prima debe ser capaz de soportar el proceso de formación sin romperse.

Las pruebas destructivas de tracción y dureza pueden ser una forma confiable y rentable de determinar las propiedades mecánicas. Sin embargo, estas pruebas no siempre son tan confiables una vez que el grosor de la materia prima comienza a limitar las dimensiones de la muestra de prueba. La prueba de tracción de un producto de metal plano ciertamente sigue siendo útil, pero se pueden obtener beneficios observando una capa más profunda en la estructura de grano que gobierna su comportamiento mecánico.

El metal consiste en una serie de cristales microscópicos llamados granos. Se distribuyen aleatoriamente por todo el metal. Los átomos de los elementos de una aleación, como hierro, cromo, níquel, manganeso, silicio, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre en el caso del acero inoxidable austenítico, son los componentes básicos de un grano individual. Estos átomos forman una solución sólida de iones metálicos unidos en una red por sus electrones compartidos.

La composición química de una aleación dirige la disposición repetitiva preferida termodinámicamente de los átomos de los granos, llamada estructura cristalina. Una sección homogénea de metal que comprende una estructura cristalina repetitiva forma uno o más granos llamados fase. Las propiedades mecánicas de una aleación son una función de las estructuras cristalinas de la aleación. El tamaño y la disposición de los granos de cada fase también influyen.

¿Cómo se forman los granos?

Las fases del agua son familiares para la mayoría. Cuando el agua líquida se congela, se convierte en hielo sólido. Sin embargo, cuando se trata de metales, no existe una sola fase sólida. Ciertas familias de aleaciones llevan el nombre de sus fases. Dentro del acero inoxidable, las aleaciones austeníticas de la serie 300 consisten principalmente en austenita cuando se recocen. Sin embargo, las aleaciones de la serie 400 consisten en ferrita en acero inoxidable 430 o martensita en aleaciones de acero inoxidable 410 y 420.

Lo mismo ocurre con las aleaciones de titanio. Los nombres de cada grupo de aleación indican su fase dominante a temperatura ambiente, ya sea alfa, beta o una mezcla de ambas. Hay aleaciones alfa, casi alfa, alfa-beta, beta y casi beta.

Cuando un metal líquido se solidifica, los granos sólidos de la fase termodinámicamente preferida se precipitarán donde la presión, la temperatura y la composición química lo permitan. Esto generalmente ocurre en una interfaz, como lo hacen los cristales de hielo en la superficie de un estanque cálido en un día frío. Cuando se nuclea un grano, la estructura cristalina crece en una orientación hasta que se encuentra con otro grano. Debido a que las estructuras cristalinas están orientadas de manera diferente, se forma un límite de grano en la intersección de las redes que no coinciden. Imagina dejar caer un montón de cubos de Rubik de diferentes tamaños en una caja. Cada cubo tiene la disposición de cuadrícula cuadrada, pero todos se asentarán en diferentes orientaciones aleatorias. Una pieza de trabajo de metal completamente solidificado consta de una serie de granos orientados aparentemente al azar.

Cada vez que se forma un grano, existe la posibilidad de que se desarrollen defectos de línea. Estos defectos son piezas faltantes de una estructura cristalina conocida como dislocaciones. Estas dislocaciones y su movimiento subsiguiente a lo largo de un grano ya través de los límites de grano son la base de la ductilidad del metal.

Se monta, rectifica, pule y graba una sección transversal de la pieza de trabajo para ver la estructura del grano. Cuando es uniforme y equiaxial, una microestructura vista en un microscopio óptico parece un rompecabezas. En realidad, los granos son tridimensionales y la sección transversal de cada grano se verá diferente según la orientación de la sección transversal de la pieza de trabajo.

Cuando una estructura cristalina está llena de todos sus átomos, no hay lugar para el movimiento más allá del estiramiento de los enlaces atómicos.

Cuando elimina la mitad de una fila de átomos, crea una oportunidad para que otra fila se deslice en ese lugar, moviendo efectivamente la dislocación. Cuando una fuerza actúa sobre una pieza de trabajo, el movimiento agregado de las dislocaciones en una microestructura permite que se doble, estire o comprima sin romperse ni fracturarse.

Cuando una fuerza actúa sobre la aleación de metal, se agrega energía al sistema. Si se agrega suficiente energía para causar deformación plástica, las redes cristalinas se deforman y se forman nuevas dislocaciones. Puede parecer lógico que esto aumente la ductilidad, porque libera más espacios y, por lo tanto, crea más potencial para el movimiento de dislocaciones. Sin embargo, cuando las dislocaciones chocan, pueden fijarse entre sí.

A medida que aumenta el número y la concentración de dislocaciones, más y más dislocaciones se unen, lo que reduce la ductilidad. Eventualmente habrá tantas dislocaciones que no podrá ocurrir más conformado por trabajo en frío. Debido a que las dislocaciones articuladas existentes ya no pueden moverse, los enlaces atómicos en la red se estiran hasta que se rompen o se fracturan. Esta es la razón por la que las aleaciones metálicas se endurecen por trabajo y por la que existe un límite en la cantidad de deformación plástica que un metal puede sufrir antes de fracturarse.

Los granos también juegan un papel importante en el recocido. El recocido de un material endurecido por trabajo esencialmente restablece la microestructura para que se pueda recuperar la ductilidad. Durante el recocido, los granos sufren una transformación en tres pasos:

Imagine a una persona moviéndose a través de un vagón de tren lleno de gente. Empujar a través de la multitud solo es posible creando un espacio entre las filas de personas, como una dislocación en una red de cristal. A medida que avanzan, las personas detrás de ellos llenan los huecos que han dejado mientras crean un nuevo espacio por delante. Una vez que lleguen al otro extremo del vagón de tren, la disposición de los pasajeros habrá cambiado. Si demasiadas personas intentan pasar a la vez, los pasajeros que intentan hacer espacio para acomodar su movimiento chocarán entre sí y contra las paredes del vagón del tren, inmovilizando a todos en su lugar. Cuantas más dislocaciones presentes, más difícil les resulta moverse simultáneamente.

Es importante comprender que se necesita un nivel mínimo de deformación para desencadenar la recristalización. Sin embargo, si el metal no tiene suficiente energía de deformación almacenada antes de calentarse, no se producirá la recristalización y los granos seguirán creciendo más allá de su tamaño original.

Las propiedades mecánicas se pueden ajustar controlando el crecimiento del grano. Los límites de grano son esencialmente un muro de dislocaciones. Dificultan el movimiento.

Si el crecimiento del grano es limitado, se producirá una mayor cantidad de granos pequeños. En términos de estructura de grano, estos granos más pequeños se consideran más finos. Más límites de grano significan menos movimiento de dislocación y mayor resistencia.

Si el crecimiento del grano es menos limitado, la estructura del grano se torna gruesa, con granos más grandes, menos límites y menor resistencia.

El tamaño del grano a menudo se menciona como un número sin unidades, entre aproximadamente 5 y 15. Esta es una escala relativa, relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el número, más fino será el tamaño del grano.

La metodología para medir y clasificar el tamaño de grano se describe en la norma ASTM E112. Se trata de contar el número de granos en un área determinada. Esto a menudo se logra cortando una sección transversal de la materia prima, moliéndola y puliéndola, y grabándola con ácido para revelar los granos. El conteo se realiza en un microscopio con una magnificación que permita un muestreo adecuado de los granos. La asignación de un número de tamaño de grano ASTM sugiere un nivel razonable de homogeneidad en la forma y el diámetro del grano. Incluso puede ser ventajoso limitar la variación en el tamaño del grano a dos o tres puntos para garantizar propiedades uniformes en toda la pieza de trabajo.

En el caso del endurecimiento por trabajo, la resistencia y la ductilidad tienen una relación inversa. La relación entre el tamaño de grano y la resistencia de ASTM suele ser positiva y fuerte, y generalmente el porcentaje de elongación y el tamaño de grano de ASTM tienen una relación inversa. Sin embargo, el crecimiento excesivo del grano puede dar como resultado un material "muy blando" que ya no puede endurecerse por trabajo de manera efectiva.

El tamaño del grano a menudo se menciona como un número sin unidades, entre aproximadamente 5 y 15. Esta es una escala relativa, relacionada con el diámetro promedio del grano. Cuanto mayor sea el valor del tamaño de grano ASTM, más granos por unidad de área.

El tamaño de grano de un material recocido varía con el tiempo, la temperatura y la velocidad de enfriamiento. El recocido normalmente se realiza entre la temperatura de recristalización de una aleación y el punto de fusión. El rango de recocido recomendado para la aleación de acero inoxidable austenítico 301 es entre 1900 y 2050 grados F. Comenzará a fundirse alrededor de los 2550 grados F. Por el contrario, el titanio de grado 1 comercialmente puro debe recocerse a 1292 grados F y se funde alrededor de los 3000 grados F. .

Durante el recocido, los procesos de recuperación y recristalización compiten entre sí hasta que los granos recristalizados consumen todos los granos deformados. La tasa de recristalización escala con la temperatura. Una vez que se completa la recristalización, comienza el crecimiento del grano. Una pieza de trabajo de acero inoxidable 301 recocida a 1900 grados F durante una hora tendrá una estructura de grano más fino que la misma pieza de trabajo recocida a 2000 grados F durante la misma cantidad de tiempo.

Si el material no se mantiene dentro del rango de recocido adecuado durante el tiempo suficiente, la estructura resultante puede ser una combinación de granos viejos y nuevos. Si se desean propiedades uniformes en todo el metal, el proceso de recocido debe tener como objetivo lograr una estructura de grano uniforme y equiaxial. Uniforme significa que todos los granos tienen aproximadamente el mismo tamaño y equiaxial significa que todos tienen aproximadamente la misma forma.

Para lograr una microestructura uniforme y equiaxial, cada pieza de trabajo debe exponerse a la misma cantidad de calor durante la misma cantidad de tiempo y debe enfriarse a la misma velocidad. Con el recocido por lotes, esto no siempre es fácil o posible, por lo que es importante al menos esperar hasta que toda la pieza de trabajo esté saturada a la temperatura adecuada antes de contar el tiempo de remojo. Un tiempo de remojo más largo y una temperatura más alta darán como resultado una estructura de grano más gruesa/material más blando y viceversa.

Si el tamaño del grano y la fuerza están relacionados, y la fuerza ya se conoce, ¿por qué molestarse en contar los granos, verdad? Todas las pruebas destructivas tienen variabilidad. Las pruebas de tracción, especialmente en espesores más bajos, dependen en gran medida de la preparación de la muestra. Pueden ocurrir fracturas prematuras en los resultados de resistencia a la tracción que no son representativos de las propiedades reales del material.

Si las propiedades no son uniformes en toda la pieza de trabajo, es posible que tomar un cupón o una muestra de tracción de un borde no cuente toda la historia. La preparación de muestras y las pruebas también pueden llevar mucho tiempo. ¿Cuántas pruebas y en cuántas direcciones es factible realizar para un metal dado? Evaluar la estructura granular es un seguro extra contra sorpresas.

Anisotropía, Isotropía. La anisotropía se refiere a la direccionalidad de las propiedades mecánicas. Más allá de la fuerza, la anisotropía se puede comprender mejor examinando la estructura del grano.

Una estructura de grano uniforme y equiaxial debe ser isotrópica, lo que significa que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía es especialmente importante en los procesos de embutición profunda en los que la concentricidad es crítica. A medida que la pieza en bruto se mete en la matriz, el material anisotrópico no fluirá de manera uniforme, lo que puede provocar un defecto llamado formación de orejas. La formación de orejas ocurre donde la sección superior de la copa desarrolla un perfil ondulado. Inspeccionar la estructura del grano puede revelar dónde están las faltas de uniformidad en la pieza de trabajo y ayudar a diagnosticar la causa principal.

El recocido adecuado es esencial para lograr la isotropía, pero también es importante comprender el nivel de deformación antes del recocido. A medida que el material se deforma plásticamente, los granos comienzan a distorsionarse. En el caso del laminado en frío, donde el espesor se convierte en longitud, los granos se alargarán en la dirección del laminado. A medida que cambien las relaciones de aspecto de los granos, también cambiarán la isotropía y las propiedades mecánicas a granel. En el caso de una pieza de trabajo severamente deformada, parte de la direccionalidad puede conservarse incluso después del recocido. Esto resulta en anisotropía. Para materiales de embutición profunda, a veces es necesario limitar la cantidad de deformación antes del recocido final para evitar el desgaste.

Piel de naranja. El desgaste no es el único defecto de embutición profunda relacionado con el grano. La piel de naranja puede ocurrir cuando se extrae materia prima con granos demasiado gruesos. Cada grano se deforma de forma independiente y en función de su orientación cristalográfica. Las diferencias en la deformación entre los granos vecinos dan como resultado una apariencia texturizada que se asemeja a una cáscara de naranja. La textura es la estructura del grano que se revela en la superficie de la pared de la taza.

Al igual que los píxeles en una pantalla de televisión, las diferencias de cada grano individual serán menos evidentes con una estructura de grano fino, aumentando efectivamente la resolución. Especificar las propiedades mecánicas por sí sola puede no ser suficiente para garantizar un tamaño de grano lo suficientemente fino para evitar los efectos de piel de naranja. Cuando el cambio en las dimensiones de una pieza de trabajo es inferior a 10 veces el diámetro del grano, las propiedades de los granos individuales impulsarán el comportamiento de formación. En lugar de promediar la deformación sobre muchos granos, reflejará el tamaño y la orientación específicos de cada grano individual. Esto es visible por el efecto de piel de naranja en la pared de una taza dibujada.

Para un tamaño de grano ASTM de 8, el diámetro de grano promedio es de 885 µin. Esto significa que cualquier reducción en el espesor de 0,00885 pulgadas o menos puede verse afectada por este efecto de microformado.

Si bien los granos gruesos pueden causar problemas para la embutición profunda, a veces se recomiendan para acuñar. La acuñación es un proceso de deformación en el que se comprime un espacio en blanco para impartir una topografía de superficie deseada, como el perfil de la cara de George Washington en una moneda de veinticinco centavos. A diferencia del estirado, el acuñado no suele implicar mucho flujo de material a granel, pero requiere una gran cantidad de fuerza, que puede deformar solo la superficie de la pieza en bruto.

Por esta razón, minimizar la tensión de flujo en la superficie mediante el uso de una estructura de grano más grueso puede ayudar a mitigar la fuerza necesaria para el llenado adecuado del troquel. Esto es especialmente aplicable en el caso de la acuñación con matriz abierta, donde se permite que las dislocaciones en la superficie de los granos fluyan libremente, en lugar de acumularse en los límites de los granos.

Las tendencias discutidas aquí son generalizaciones que pueden no aplicarse a una parte específica. Sin embargo, destacan los beneficios de medir y estandarizar el tamaño de grano de la materia prima mientras diseñan una nueva pieza para evitar errores comunes y optimizar los parámetros de formación.

Los estampadores de metal de precisión y los fabricantes que realizan operaciones de embutición profunda en el metal para formar sus piezas harían bien en asociarse con metalúrgicos en un relaminador de precisión técnicamente competente que pueda ayudarlos a optimizar su material hasta el nivel de grano. Cuando los expertos en metalurgia e ingeniería de ambos lados de la relación se integran en un solo equipo, puede tener efectos transformadores y generar resultados más positivos.