1. Kako je definirana velikost zrn? Kakšna je tipična velikost zrn hladno{1}}valjane jeklene pločevine?
Velikost zrn se nanaša na velikost posameznih drobnih kristalov (zrn) v polikristalni strukturi kovine. Običajno je izražena kot povprečna velikost zrn in jo je mogoče opazovati z metalografskim mikroskopom ter oceniti v skladu s standardi, kot je ASTM E112.
Pri hladno{0}}valjanih zvitkih (zlasti žarjenih izdelkih) je razpon velikosti zrn približno naslednji:
Običajna velikost zrn: večina komercialno dostopnih hladno{0}}valjanih plošč ima velikost zrn med razredi 7 in 10 ASTM. Pretvorjeno v povprečni premer je to približno 30 mikrometrov (0,030 mm) do 10 mikrometrov (0,010 mm).
Izjemno-drobna zrna: nekatera visoko{1}}trdna jekla imajo lahko z mikrolegiranjem ter nadzorovanim valjanjem in hlajenjem zrna, prečiščena do stopnje ASTM 12 ali višje (< 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 mikrometrov), kar se v industrijski proizvodnji na splošno izogiba.
2. Kakšen učinek ima velikost zrn na kakovost površine med žigosanjem?
Mehanizem oblikovanja: Ko je velikost zrn velika, postane anizotropija vsakega zrna (različne zmožnosti deformacije v različnih smereh) bolj izrazita. Med žigosanjem je makroskopska enakomerna deformacija pravzaprav posledica usklajene deformacije neštetih zrn. Če so zrna pregroba, je število zrn, ki sodelujejo pri deformaciji, razmeroma majhno, deformacijsko obnašanje vsakega zrna pa se odraža na makroskopski površini.
Rezultat: Pod obremenitvijo zrna z različnimi orientacijami kažejo različne stopnje zdrsa, kar vodi do mikroskopskih neravnin na površini dela, znanih kot učinek pomarančne kože. To ne vpliva samo na estetski videz, temveč ostane vidno tudi po barvanju in v hudih primerih lahko postane točka koncentracije napetosti, ki povzroča razpoke.
Splošne zahteve: Za avtomobilske zunanje karoserijske plošče (kot so vrata in pokrovi) z izjemno visokimi zahtevami glede kakovosti površine mora biti velikost zrn na splošno razmeroma majhna, običajno nadzorovana na ASTM razred 7-8 ali več.
3. Kakšni so učinki pretirano drobnih ali grobih zrn na trdnost in plastičnost (raztezek) materiala?
Preveč drobna zrna (npr. ASTM razred 12 in več):
Trdnost (↑): Številne meje zrn močno ovirajo gibanje dislokacij, kar ima za posledico znatno povečano mejo tečenja in natezno trdnost.
Plastičnost (↓): medtem ko lahko drobna zrna izboljšajo trdnost in žilavost, pretirano drobna zrna vodijo do prehitrega utrjevanja. Med oblikovanjem material kaže visoko odpornost proti deformacijam, kar zlahka povzroči obrabo kalupa in močno vzmetenje, zaradi česar ga je težko oblikovati. Za dele, ki zahtevajo kompleksno oblikovanje, so pretirano drobna zrna dejansko škodljiva.
Srednja velikost zrn (npr. ASTM stopnje 7-9):
Idealno ravnovesje: zadostna trdnost za preprečevanje deformacij med uporabo, skupaj z dobro plastičnostjo (raztezek) in nizkim razmerjem izkoristka, kar olajša žigosanje.
Preveč groba zrna (npr. ASTM razred 5 in manj):
Trdnost (↓): Manj meja zrn zmanjša odpornost proti premikanju dislokacij, kar ima za posledico mehkejši material (nižja meja tečenja).
Plastičnost (↓): Čeprav raztezek morda ni majhen na natezni krivulji, je zmožnost lokalne deformacije slaba. Ko so grobozrnati materiali izpostavljeni obremenitvam, se deformacija ponavadi osredotoči na nekaj mehko{2}}orientiranih zrn, kar vodi do zgodnjega vratu in razpok, tj. zmanjšanja enakomernega raztezka.
4. Ali obstajajo za globoko vlečenje (kot je proizvodnja pločevink za pijačo in avtomobilskih oljnih posod) kakšne posebne zahteve glede velikosti zrn?
Absolutne dimenzionalne zahteve: jekla za globok-vlečenje (kot je IF jeklo, intersticijsko jeklo) običajno zahtevajo ustrezno groba zrna (vendar nikoli tako groba, da bi povzročila učinek pomarančne kože). Na primer, velikost zrn hladno valjanih-pločevin za ekstra{2}}globoko-vlečenje-je pogosto nadzorovana na približno ASTM stopnje 6-7. To je zato, ker primerno bolj groba zrna ponujajo boljšo plastičnost, nižjo mejo tečenja in so bolj ugodna za pretok materiala v matrici.
Ključna vloga enakomernosti: Globoko vlečenje je najbolj ranljivo za mešana zrna (tj. mešanico velikih in majhnih zrn).
Če material vsebuje tako groba zrna ASTM razreda 5 kot drobna zrna ASTM razreda 9, bo deformacija izjemno neenakomerna. Drobno{3}}zrnata območja imajo visoko trdnost in jih je težko deformirati, medtem ko imajo grobo{4}}zrnata območja nizko trdnost in jih je enostavno deformirati.
V pogojih intenzivnega stresa pri globokem vleku bo ta nehomogenost hitro povzročila čezmerno lokalno tanjšanje, kar bo sčasoma povzročilo razpoke na grobozrnatih mejah ali v grobozrnatih-območjih. Zato ima metalografski pregled hladno valjanih pločevin za globok{3}}vlečenje- stroge zahteve glede variacije velikosti zrn.
5. Kako lahko v dejanski proizvodnji z nadzorom procesa dosežemo idealno velikost zrn?
Zmanjšanje pri hladnem valjanju: večja kot je deformacija pri hladnem valjanju, močnejši je lom zrn, večja je shranjena energija in večja je gonilna sila za rekristalizacijo. To običajno povzroči drobnejša zrna po rekristalizaciji. Če je redukcija premajhna, je pogonska sila nezadostna, kar lahko zlahka povzroči nastanek grobih zrn.
Temperatura in čas žarjenja (najbolj kritično):
Nizka temperatura, kratek čas: Rekristalizacija je bila pravkar končana in zrna so zelo drobna.
Visoka temperatura, dolgo časa: pride do rasti zrn (mehanizem zajetja zrn). Za pridobitev zrn določene velikosti je potreben natančen nadzor temperature segrevanja in časa zadrževanja v neprekinjeni liniji za žarjenje ali peči-zvonastega tipa.
Legirni elementi in delci druge-faze:
Dodajanje mikrolegirnih elementov (kot je Nb, Ti) tvori drobne delce karbonitrida, ki delujejo kot "žeblji", pritrjeni na meje zrn, in učinkovito preprečujejo rast zrn. Tudi pri višjih temperaturah žarjenja lahko dobimo drobna zrna. To je osnova za proizvodnjo fino{2}}zrnatega-jekla visoke trdnosti.
Pri jeklu za globok{0}}vlečenje je treba te oborine nadzorovati, da preprečimo pretirano oviranje rasti zrn, da dobimo primerno groba zrna z dobro sposobnostjo oblikovanja.
Izravnavanje (kaljenje in popuščanje): Končni postopek-izravnave-čeprav je primarno namenjen izboljšanju oblike in odpravljanju platojev izkoristka, uvaja tudi majhno število dislokacij znotraj zrn, s čimer se fino{2}}nastavi končna zmogljivost, vendar na splošno ne spremeni bistveno velikosti zrn.