В этой части мы рассмотрим концепции и особенности в процессе ковки течение потока зерна. Эта статья будет охватывать основы течения потока зерна в процессе ковки, которые происходят во время процессов металлообработки. Также будет обсуждаться, как можно наблюдать поток зерна в кованой штампованной детали. В будущих статьях будет обсуждаться влияние параметров ковки на поток зерна, влияние механической обработки после ковки, поток зерна в открытых и больших поковках и штамповках и конструктивные соображения по ковке для формирования потока зерна.
Поток зерна является одним из основных преимуществ, указанных для использования поковок. К сожалению, по этой теме существуют неверные представления, которые включают в себя основные причины потока зерна, преимущества, которые можно получить от потока зерна, и способы достижения оптимального потока зерна
Для начала приведем определение потока зерна в поковках. Поток зерна — это направленная ориентация металлических зерен и любых включений, которые были деформированы ковкой. Отдельные зерна вытянуты в направлении потока металла или пластической деформации. Что еще более важно неметаллические включения, частицы и другие дефекты, унаследованные от процесса литья, вытянуты в направлении потока зерна. Следует отметить, что поток зерна происходит в некоторой степени во всех процессах металлообразования, а не только при ковке.
При исследовании внутренней части поковки поток зерна становится очевидным. На рисунке 1 показан поток зерна в кованой штампованной и обработанной детали. Наблюдение потока зерна на этом рисунке требует некоторых специальных методов подготовки. После того, как поковка была разрезана, ее необходимо отшлифовать и отполировать аналогично металлографическому образцу. Основная трудность на этом этапе процесса состоит в том, что поковки, как правило, значительно больше по размеру, чем небольшие образцы для металлографического анализа. При подготовке необходимо соблюдать осторожность, чтобы поверхность была плоской и не была скошена. После завершения полировки на полированную поверхность наносится травитель (раствор с кислотой). Стандартный метод подготовки стальной поковки к исследованию потока зерна описан в стандарте ASTM E-381 — Метод макротестирования. Этот травитель называется макроэтантом, поскольку он обнаружит признаки ковки в масштабе, который можно наблюдать человеческим глазом, а не требовать микроскопа.
ASTM E-340 предоставляет стандартный метод испытаний для макро — травления металлов и сплавов. Этот стандарт гласит: «Кузнечные мастерские… используют макро — травление, чтобы выявить линии потока при настройке наилучшей практики ковки, проектирования штампов и течение потока металла. Пример использования макро-травления в сталелитейной промышленности см. В ASTM E-381. Кузнечные цеха и литейные цеха также используют макро-травление для определения наличия внутренних дефектов и дефектов поверхности».
Этот стандарт также предоставляет химический состав травителей, которые могут быть использованы для различных ковочных сплавов металлов, включая стали, алюминиевые сплавы, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы (суперсплавы), никелевые сплавы, титановые сплавы и магниевые сплавы.
Следует понимать, что макро-травление может быть очень агрессивным и должно выполняться безопасным образом. Кроме того, из-за содержания кислоты в травителе воздействие на поковку является существенным. Наблюдаемый поток зерна обусловлен наличием частиц и включений. Травитель атакует область интерфейса между этими включениями, а также основным металлом. Протравленная поверхность, по-видимому, показывает очень большие включения, но это не так из-за кислотной атаки. Фактическая площадь, которую съедают при ковке, намного больше, чем сами включения. Не обманывайтесь, думая, что сталь или другой металл чрезвычайно грязный из-за методов, которые используются для наблюдения за потоком зерна. Даже с относительно чистым материалом,
Важным выводом о потоке зерна является то, что некоторые механические свойства после ковочной операции изменяются относительно ориентации относительно потока зерна. Этот факт является одним из основных преимуществ, приписываемых процессу ковки. Это изменение механических свойств может быть использовано для того, чтобы фактический продукт имел превосходные свойства в критическом направлении по сравнению с ожидаемыми от самой композиции сплава.
Однако нам должно быть ясно, что не все механические свойства будут значительно варьироваться в зависимости от потока зерна. Например, прочность и твердость в первую очередь контролируются химией сплава и термической обработкой, которая дается ковке. Поток зерна не окажет существенного влияния на прочность или твердость сплава. Напротив, желательные свойства, связанные с замедлением распространения трещины, могут видеть значительные различия в зависимости от потока зерна и направления движущейся трещины. Таким образом, такие свойства, как усталостная прочность, ударная вязкость и пластичность, которые являются показателями стойкости материала к растрескиванию (измеряются после разрушения), могут быть значительно улучшены, если направление распространения трещины и поток зерна правильно выровнены процессом ковки.
Когда свойства металла не зависят от направления, материал описывается как изотропный. Пластически деформированные металлы с зернистым течением обладают анизотропными свойствами. Рисунок 2 иллюстрирует этот принцип анизотропии по отношению к потоку зерна. В этом примере поток зерна указывается в блоке металла.
Испытательные образцы обрабатываются с тремя различными ориентациями. Продольный образец имеет зернистость потока вдоль направления длинной оси. Поперечный и короткий поперечный ориентированы так, что поток зерна перпендикулярен их длинной оси. Когда продольный образец испытан, трещина или окончательное разрушение будут перпендикулярны длинной оси образца. Так, для продольного образца распространение трещины перпендикулярно потоку зерна, тогда как для поперечного и короткого поперечного сечения образовавшаяся трещина или трещина несколько параллельны потоку зерна. Обратите внимание, что нет существенного изменения предела текучести этого материала с ориентацией образца. При переходе от короткого поперечного образца к продольному образцу увеличение предела текучести составляет менее 3%.
Напротив, уменьшение площади и удлинения измеряются в образце после его разрушения или разрушения. Аналогично, энергия удара является мерой сопротивления материала быстрому распространению трещины через него. Уменьшение площади увеличивается более чем в 5 раз, а удлинение увеличивается в 3 раза при сравнении короткого поперечного испытательного образца с продольным испытательным образцом. Увеличение энергии удара почти в 2,5 раза. Эти изменения являются заметным увеличением этих механических свойств. Увеличение усталостных и ударных свойств зависит от материала, условий обработки и микроструктуры. При правильном проектировании и понимании области применения ковка дает возможность значительного улучшения критических механических свойств.
Основная причина улучшения свойств, когда тестируемый образец и поток зерна выровнены, обусловлена тем, как трещина или трещина будут распространяться через материал. Подобно трещинам, которые наблюдаются в древесине, трещина преимущественно распространяется в направлении потока зерна. Когда трещина образуется перпендикулярно потоку зерна, она будет подвергаться многочисленным прогибам при движении по образцу. Каждое из этих небольших отклонений требует больше энергии и делает материал более устойчивым к растрескиванию или разрушению. Следовательно, определенные механические свойства увеличиваются, когда образец испытывается в продольном направлении.
При испытании в поперечном или коротком поперечном направлениях трещина может очень легко распространяться вдоль некоторых включений, что требует меньше энергии для процесса разрушения. Это снижение потребности в энергии приводит к снижению механических свойств. Именно это изменение в легкости или сложности распространения трещин является основной причиной изменения механических свойств из-за потока зерна.
Мы представили определение потока зерна в этой вводной статье. Мы также рассмотрели, как зерновой поток наблюдается в поковках и некоторые последствия зернового потока в целом на механические свойства поковки, особенно те, которые являются мерой сопротивления растрескиванию или разрушению. В зависимости от ориентации потока зерна и направления распространения трещины эти механические свойства могут быть улучшены или уменьшены. В следующей статье мы рассмотрим более конкретно взаимосвязь между потоком зерна и процессом ковки.
Содержание этого документа было разработано в основном компанией Scientific Forming Technologies Corporation в сотрудничестве с SCRA Applied R & D и FIA. Материал изначально разрабатывался как семинар по проектированию кузнечных изделий в рамках программы FAST, многолетней отраслевой совместной программы, спонсируемой Центром оборонных поставок Филадельфии и Агентством оборонной логистики — Исследования и разработки.
