Tasso di incrudimento dell'acciaio inossidabile austenitico: implicazioni per la formatura a freddo

Che cos'è la velocità di incrudimento e perché controlla il comportamento-della formatura a freddo nell'acciaio inossidabile austenitico?

L'equazione di Hollomon descrive la curva di sollecitazione reale-deformazione effettiva nella regione di deformazione plastica uniforme-prima che inizi la formazione di striature. K è il coefficiente di resistenza e n è l'esponente di incrudimento-: quanto più alto è n, tanto più aumenta la resistenza del materiale a ulteriori deformazioni per un dato incremento di deformazione. Poiché n è uguale anche alla deformazione effettiva all'inizio della strizione (secondo il criterio Considère), un valore n- elevato è un indicatore diretto di quanto un foglio può essere allungato o stirato prima che inizi ad assottigliarsi localmente e a cedere.

Per un produttore, questo singolo numero spiega diverse cose osservate contemporaneamente in officina: perché la lamiera inossidabile richiede più tonnellaggio dell'acciaio dolce per la stessa piegatura o imbutitura, perché la superficie di una parte inossidabile formata è misurabilmente più dura della lastra come-ricevuta e perché una parte che sembrava bella a metà-imbutitura può ancora allungarsi con successo attraverso un'operazione profonda che avrebbe spaccato un materiale di-n materiale inferiore.

Perché i gradi austenitici funzionano-induriscono più velocemente degli acciai ferritici, duplex e al carbonio?

L'energia di faglia di impilamento (SFE) governa la facilità con cui le dislocazioni possono riorganizzarsi durante la deformazione. Nell'acciaio inossidabile austenitico, un basso SFE causa la suddivisione delle dislocazioni in dislocazioni parziali che non possono facilmente attraversare-scivolare su un nuovo piano. Invece di annientarsi o riorganizzarsi in configurazioni di energia-inferiore, le dislocazioni si accumulano e si aggrovigliano, e la resistenza del materiale a un ulteriore flusso aumenta vertiginosamente con la tensione. Gli acciai ferritici e al carbonio hanno un reticolo cubico a corpo centrato (BCC) con SFE più elevato, quindi le dislocazioni si recuperano più facilmente e la velocità di indurimento è inferiore.

I gradi austenitici metastabili - in particolare 301 - aggiungono l'effetto TRIP. Man mano che il materiale si deforma, parte dell'austenite (FCC, non magnetica) si trasforma in martensite (tetragonale a corpo centrato, magnetica e molto più dura). Questa trasformazione assorbe energia e introduce una seconda fase dura in una matrice duttile, motivo per cui il 301 in particolare può raggiungere una resistenza molto elevata esclusivamente attraverso la lavorazione a freddo, senza alcun trattamento termico. I gradi duplex si collocano nel mezzo: poiché circa metà della loro struttura è già ferrite, il loro valore n- è generalmente inferiore a quello di un grado completamente austenitico, anche se la frazione austenite all'interno di una microstruttura duplex può ancora indurirsi attraverso gli stessi meccanismi correlati al TRIP-.

Esponenti comparativi di deformazione-di indurimento per famiglia di acciaio

n-valori compilati dalla letteratura pubblicata sui test di trazione-e dai dati tecnici della segheria in condizioni di test ASTM E646. I valori effettivi variano in base all'intervallo di deformazione, alla direzione di laminazione, allo spessore e alla precedente lavorazione a freddo; trattarli come intervalli di pianificazione della fase di progettazione-e non come proprietà meccaniche certificate. Confermare con il rapporto di prova del mulino (MTR) per un calore e una tempra specifici.

In che modo il cambiamento dell'effetto TRIP funziona con l'indurimento nei gradi metastabili come il 301?

Md30 è definita come la temperatura alla quale il 30% di deformazione reale produce il 50% di trasformazione in martensite. Si tratta di una proprietà determinata dalla composizione-: un contenuto inferiore di nichel e un contenuto interstiziale inferiore (carbonio più azoto) aumentano Md30, il che significa che il materiale si trasforma più facilmente a temperatura ambiente. Questa è esattamente la logica di progettazione alla base del 301 rispetto a 304 - 301 che trasporta meno nichel nello specifico, quindi funzionerà-indurendo e guadagnando forza più velocemente durante la formatura a freddo, a scapito della resistenza alla corrosione e del margine di formatura rispetto al 304.

L’implicazione pratica per una linea di formatura è duplice. Innanzitutto, la resistenza e la durezza non sono proprietà fisse del materiale per un grado metastabile come lo sono per una lega trattata termicamente-{2}} ma sono una funzione della quantità di deformazione, della velocità e della temperatura effettivamente visibili dalla parte, il che significa che la ripetibilità del processo (forza del supporto del pezzo grezzo, velocità di trafilatura, temperatura dello stampo) fa parte delle specifiche, non solo del certificato della fabbrica. In secondo luogo, poiché il rischio di fessurazione ritardata nelle parti imbutite-profonda è correlato alla combinazione di contenuto di Md30 e (C+N), i gradi e i colati con un Md30 più elevato necessitano di rapporti di imbutitura più conservativi, più fasi di formatura e un'ispezione più attenta per le parti che subiranno uno stress residuo prolungato in servizio.

Quali-processi di formatura a freddo sono maggiormente influenzati dall'elevato tasso di incrudimento?

Imbutitura profonda e stampaggio

Poiché la sollecitazione del flusso aumenta rapidamente con la deformazione, il carico del punzone e la forza del supporto del pezzo grezzo- aumentano entrambi con il procedere dell'estrazione, e il rischio di scissione aumenta verso il raggio del punzone e l'angolo della matrice dove la deformazione si concentra per prima. L'allungamento multi-fase è la mitigazione standard: riduzione del rapporto di imbutitura per fase e inserimento di un processo di ricottura (soluzione) tra gli stadi per ripristinare la duttilità prima della riduzione successiva, anziché tentare la riduzione completa in un passaggio come potrebbe essere fatto nell'acciaio dolce.

Piegatura e profilatura

La piegatura dell'acciaio inossidabile austenitico richiede un raggio di curvatura minimo maggiore rispetto all'acciaio al carbonio dello stesso- calibro per evitare fessurazioni superficiali sulla fibra esterna e produce un maggiore ritorno elastico perché il recupero del modulo elastico dopo lo scarico interagisce con un materiale che si è già indurito sostanzialmente nella zona di piegatura. La compensazione del ritorno elastico - piegatura eccessiva o l'aumento della forza di piegatura applicata - è una pratica standard e deve essere convalidata mediante prove o simulazioni anziché desunta dai dati sugli utensili in acciaio al carbonio-.

Lavorazione dopo la formatura

Un effetto correlato, spesso sottovalutato, si manifesta a valle nella lavorazione secondaria: ogni taglio lascia un sottile strato-indurito sulla superficie, quindi un successivo taglio leggero o interrotto può sovrapporsi al materiale indurito invece di tagliarlo, accelerando l'usura dell'utensile. I dati di lavorabilità per il 304 rispetto a un tipico acciaio al carbonio medio- (1045) illustrano lo stesso divario di valore n- discusso sopra e sono un utile indicatore di come si comporterà il materiale in qualsiasi operazione di deformazione ripetuta-, compresa la formatura.

301 vs. 304 vs. 316: quale grado dovresti scegliere per un'applicazione di formatura a freddo-?

Compilato in base ai dati delle specifiche ASTM A240/A666 e alle schede tecniche pubblicate per gli stati ricotti e laminati a freddo-. Verificare le proprietà meccaniche esatte e la designazione dello stato d'animo rispetto al rapporto di prova specifico della fresatrice prima di finalizzare la progettazione dell'attrezzatura.

Come si compensa l'elevato tasso di incrudimento nella progettazione di attrezzature e processi?

Aumentare il gioco della matrice e del punzone rispetto agli utensili in acciaio al carbonio-per far fronte a sollecitazioni di flusso più elevate e ridurre l'usura; confermare l'autorizzazione specifica mediante prova per il grado, la tempra e il calibro in uso.

Utilizza raggi di piegatura e punzonatura più ampi rispetto all'equivalente in acciaio al carbonio-per evitare la rottura delle fibre-esterne poiché la duttilità del materiale viene progressivamente consumata dalla lavorazione a freddo.

Ridurre il rapporto di imbutitura preso per fase nell'imbutitura profonda e inserire un processo di ricottura (soluzione) - tipicamente nell'intervallo di 1.010-1.100 gradi con raffreddamento rapido per i gradi austenitici standard - tra le fasi per ripristinare la duttilità prima della riduzione successiva.

Specifica acciai per utensili resistenti all'usura-(come D2 o M2) o matrici rivestite, poiché lo stesso elevato valore n-che rafforza la parte accelera anche l'usura abrasiva dell'utensile.

Utilizzare lubrificanti -formanti privi di cloruri; i cloruri residui intrappolati in una parte inossidabile formata sottoposta a stress residuo da trazione rappresentano un rischio riconosciuto di stress-corrosione-fessurazione.

Convalida il ritorno elastico con parti di prova o simulazioni di formatura anziché con offset di utensili in acciaio al carbonio-e incorpora una piega eccessiva o una maggiore forza di piega secondo necessità.

Per i gradi metastabili che si avvicinano alla temperatura Md30, controllare la velocità di aspirazione e la temperatura della parte, poiché la frazione martensite - e quindi la resistenza finale, la duttilità e il rischio di fessurazione - dipendono dal processo- e non sono fissati solo dal certificato dello stabilimento.

Quali metodi di test e standard quantificano il tasso di incrudimento del lavoro per l'approvvigionamento e il controllo di qualità?

ASTM E646 definisce il modo in cui il valore n- viene calcolato dalla curva di sollecitazione reale-deformazione effettiva all'interno di un intervallo di deformazione plastica-specificato, il che è essenziale perché n non è una singola costante fissa per un materiale - può variare in qualche modo con l'intervallo di deformazione utilizzato, la temperatura di prova e la direzione di rotolamento del foglio. Quando il comportamento di incrudimento è un input di progettazione critico, non solo un'aspettativa generale, specificare l'intervallo di prova E646 sull'ordine di acquisto insieme allo standard del materiale di base e della tempra e richiedere i dati di prova effettivi sul rapporto di prova della cartiera (MTR) anziché fare affidamento esclusivamente sugli intervalli tipici pubblicati.

Domande frequenti

D: Un tasso di incrudimento più elevato significa che l'acciaio inossidabile austenitico è più difficile da deformare a freddo rispetto all'acciaio al carbonio?

R: Non necessariamente. Lo stesso valore n- elevato che aumenta i carichi di formatura ritarda anche l'insorgenza di strizioni localizzate, motivo per cui l'acciaio inossidabile austenitico può spesso essere allungato o trafilato più dell'acciaio al carbonio prima di rompersi. Il compromesso- è un tonnellaggio più elevato della pressa richiesto, un maggiore ritorno elastico e un'usura più rapida dell'utensile, non una minore formabilità.

D: Perché l'acciaio inossidabile 301 diventa magnetico dopo la formazione quando inizialmente non è magnetico?

R: La lavorazione a freddo al di sotto della temperatura Md30 della lega converte una porzione dell'austenite non magnetica FCC in martensite tetragonale -centrata su un corpo magnetico-. Questa trasformazione-plasticità indotta (effetto TRIP) è intenzionale nel 301 ed è la ragione principale per cui può raggiungere una resistenza molto elevata attraverso la sola lavorazione a freddo.

D: Quale standard di test misura l'esponente-di incrudimento (valore n-)?

R: ASTM E646 è il metodo di prova standard per determinare l'esponente di incrudimento-e il coefficiente di resistenza da una prova di trazione. Dovrebbe essere specificato insieme allo standard del materiale di base (ASTM A240 per lamiere e fogli o ASTM A666 per nastri laminati a freddo-) quando il valore n- è un input di formatura critico.

D: La ricottura può ripristinare la duttilità dell'acciaio inossidabile dopo la formatura a freddo?

R: Sì. Un processo di ricottura (soluzione), tipicamente nell'intervallo 1.010-1.100 gradi seguito da un rapido raffreddamento per i gradi austenitici standard, dissolve i carburi e ripristina la struttura dell'austenite FCC, ripristinando la duttilità prima della successiva fase di formatura.

D: L'acciaio inossidabile duplex è più o meno-temprabile rispetto ai gradi austenitici come il 304?

R: Generalmente meno, in termini di massa. Poiché circa la metà di una microstruttura duplex è costituita da ferrite, che durante il lavoro-indurisce più lentamente dell'austenite, il valore n- complessivo di un grado duplex è generalmente inferiore a quello di un grado completamente austenitico, anche se la frazione austenite all'interno della struttura duplex può comunque contribuire all'indurimento correlato al TRIP-.

D: Quale grado austenitico è la scelta predefinita quando il comportamento di incrudimento non è il fattore decisivo?

R: 304 è l'impostazione predefinita-generale per stampi e parti imbutite. Raggiungere 301 specificamente quando il progetto intende sfruttare il rafforzamento tramite lavorazione a freddo-e specificare 316 quando l'esposizione a cloruri o sostanze chimiche in servizio supera le considerazioni sulla formatura.

Riepilogo

Il tasso di incrudimento non è un effetto collaterale da considerare nella progettazione della formatura a freddo dell'acciaio inossidabile austenitico -, è una proprietà fondamentale del materiale che dovrebbe guidare la selezione della qualità, della tempra e la progettazione degli utensili fin dall'inizio. Un esponente di incrudimento-da 0,40 a 0,55, determinato da una bassa energia di guasto di impilamento e, nei gradi metastabili, dall'effetto TRIP, conferisce ai gradi austenitici sia un vantaggio (resistenza alla strizione localizzata) sia una serie di requisiti di processo (tonnellaggio maggiore, giochi maggiori, ricottura interpass, controllo del ritorno elastico) che differiscono materialmente dalla pratica dell'acciaio al carbonio.

L'abbinamento di qualità, tempra e processo all'operazione di formatura specifica - anziché utilizzare per impostazione predefinita un singolo grado o una-ricetta di processo dell'acciaio al carbonio - è la differenza tra una parte che si forma in modo pulito e una che si divide, si raggrinzisce o si guasta a valle durante il servizio.