1.Как се определя размерът на зърното? Какъв е типичният размер на зърното на студено{1}}валцуваните стоманени листове?
Размерът на зърното се отнася до размера на отделните малки кристали (зърна) в рамките на поликристална структура на метал. Обикновено се изразява като среден размер на зърното и може да се наблюдава с помощта на металографски микроскоп и да се оцени според стандарти като ASTM E112.
За студено{0}}валцовани рулони (особено закалени продукти), диапазонът на размера на зърното е приблизително както следва:
Обикновен размер на зърното: Повечето предлагани в търговската мрежа студено{0}}валцовани листове имат размер на зърното между степени 7 и 10 по ASTM. Преобразувано в среден диаметър, това е приблизително 30 микрометра (0,030 mm) до 10 микрометра (0,010 mm).
Ултра{0}}фино зърно: Някои високо{1}}якостни стомани, чрез микролегиране и контролирано валцоване и охлаждане, могат да имат зърна, рафинирани до ASTM клас 12 или по-висок (< 5 micrometers).
Coarse Grain: If the annealing temperature is too high or the annealing time is too long, the grains can grow to below ASTM grade 5 (>60 микрометра), ситуация, която обикновено се избягва в индустриалното производство.
2. Какъв ефект има размерът на зърното върху качеството на повърхността по време на щамповане?
Механизъм на образуване: Когато размерът на зърното е голям, анизотропията на всяко зърно (различни възможности за деформация в различни посоки) става по-забележима. По време на щамповането макроскопичната равномерна деформация всъщност е резултат от координираната деформация на безброй зърна. Ако зърната са твърде груби, броят на зърната, участващи в деформацията, е сравнително малък и поведението на деформация на всяко зърно ще се отрази върху макроскопичната повърхност.
Резултат: При напрежение зърната с различна ориентация показват различна степен на приплъзване, което води до микроскопични неравности по повърхността на частта, известни като ефект на портокалова кора. Това не само засяга естетическия вид, но също така остава видимо след боядисване и в тежки случаи може да се превърне в точки на концентрация на напрежение, предизвикващи напукване.
Общи изисквания: За автомобилни външни панели на каросерията (като врати и капаци) с изключително високи изисквания за качество на повърхността, обикновено се изисква размерът на зърното да бъде сравнително малък, обикновено контролиран до ASTM клас 7-8 или по-фин.
3. Какви са ефектите на прекалено фините или едри зърна върху здравината и пластичността (удължението) на материала?
Твърде фини зърна (напр. ASTM степен 12 и по-висока):
Якост (↑): Многобройните граници на зърната силно възпрепятстват движението на дислокациите, което води до значително повишена граница на провлачване и якост на опън.
Пластичност (↓): Докато фините зърна могат да подобрят както здравината, така и издръжливостта, прекалено фините зърна водят до прекалено бързо втвърдяване при работа. По време на формоването материалът проявява висока устойчивост на деформация, лесно причинявайки износване на матрицата и силно пружиниращо връщане, което го прави труден за оформяне. За части, изискващи сложно формоване, прекалено фините зърна всъщност са вредни.
Среден размер на зърното (напр. ASTM степени 7-9):
Идеален баланс: Достатъчна здравина за предотвратяване на деформация по време на употреба, заедно с добра пластичност (удължение) и нисък коефициент на провлачване, улесняващ щамповането.
Прекалено едри зърна (напр. ASTM степен 5 и по-ниска):
Якост (↓): По-малкото граници на зърната намаляват съпротивлението срещу движение на дислокация, което води до по-мек материал (по-ниска граница на провлачане).
Пластичност (↓): Въпреки че удължението може да не е ниско на кривата на опън, способността за локална деформация е лоша. Когато едрозърнестите-материали са подложени на напрежение, деформацията има тенденция да се концентрира върху няколко меки-ориентирани зърна, което води до ранно образуване на шия и напукване, т.е. намаляване на равномерното удължение.
4. За дълбоко изтегляне (като производство на кутии за напитки и маслени съдове за автомобили), има ли специални изисквания за размера на зърното?
Абсолютни изисквания за размерите: Стоманите за дълбоко{0}}изтегляне (като IF стомана, интерстициална стомана) обикновено изискват подходящо груби зърна (но никога толкова груби, че да предизвикат ефект на портокалова кора). Например размерът на зърното на студено валцувани листове с изключително{2}}дълбоко{3}}изтегляне-често се контролира до около ASTM клас 6-7. Това е така, защото подходящо по-грубите зърна предлагат по-добра пластичност, по-ниска граница на провлачване и са по-благоприятни за потока на материала в матрицата.
Решаващата роля на еднородността: Дълбокото изтегляне е най-уязвимо към смесени зърна (т.е. смес от големи и малки зърна).
Ако материалът съдържа както едри зърна ASTM клас 5, така и фини зърна ASTM клас 9, деформацията ще бъде изключително неравномерна. Фино{3}}зърнестите области имат висока якост и трудно се деформират, докато едрозърнестите области имат ниска якост и лесно се деформират.
При условията на интензивно напрежение на дълбокото изтегляне, тази нехомогенност бързо ще доведе до прекомерно локално изтъняване, което в крайна сметка ще причини напукване по едро-границите или в едро-участъците. Следователно металографската инспекция на студеновалцувани листове с дълбоко{3}}изтегляне- има строги изисквания по отношение на вариациите в размера на зърната.
5. При реално производство, как можем да получим идеалния размер на зърното чрез контрол на процеса?
Намаляване при студено валцуване: Колкото по-голяма е деформацията на студено валцуване, толкова по-тежко е счупването на зърното, толкова по-висока е съхранената енергия и толкова по-голяма е движещата сила за рекристализация. Това обикновено води до по-фини зърна след рекристализация. Ако намаляването е твърде малко, движещата сила е недостатъчна, което може лесно да доведе до образуването на едри зърна.
Температура и време на отгряване (най-критично):
Ниска температура, кратко време: Прекристализацията току-що е приключила и зърната са много фини.
Висока температура, дълго време: Настъпва растеж на зърното (механизъм на поглъщане на зърното). За да се получат зърна със специфичен размер, е необходим прецизен контрол на температурата на нагряване и времето на задържане в непрекъсната линия за отгряване или пещ-тип камбана.
Легиращи елементи и частици от втора-фаза:
Добавянето на микролегиращи елементи (като Nb, Ti) образува фини карбонитридни частици, които действат като "пирони", закотвени в границите на зърното, като ефективно предотвратяват растежа на зърното. Дори при по-високи температури на отгряване могат да се получат фини зърна. Това е основата за производството на фино-зърнеста-стомана с висока якост.
За стомана за дълбоко изтегляне, тези утайки трябва да се контролират, за да се избегне прекомерното възпрепятстване на растежа на зърната, за да се получат подходящо едри зърна с добра формоспособност.
Изравняване (закаляване и темпериране): Крайният процес-изравняване-макар и да е насочен основно към подобряване на формата и елиминиране на платата на добива, също така въвежда малък брой дислокации в рамките на зърната, като фино-настройва крайната производителност, но като цяло не променя значително размера на зърното.