金屬制造商生產(chǎn)合金時(shí)需要注意什么？
發(fā)布時(shí)間：2021-09-18
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金屬制造商根據(jù)金屬的物理特性選擇金屬來(lái)執(zhí)行功能：不銹鋼排氣管應(yīng)防銹；噴嘴中的熱交換器必須在苛刻的使用條件下。
顯然，金屬的行為方式對(duì)于功能至關(guān)重要。在這些示例中，由于其應(yīng)用方面的差異，將選擇特定的合金。金屬制造商必須了解不銹鋼的行為，才能成功生產(chǎn)用于工業(yè)的不銹鋼制品。
延展性定義變形
延展性是制造商要考慮的較重要的金屬特性之一。延展性是使材料具有可塑性且不會(huì)破裂的能力。
鍛造的歷史過(guò)程涉及將金屬錘擊成各種形式。諸如葉片之類的形狀制造起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰獜?fù)雜的彎曲。但是，錘擊的刀片和形狀是一次性的。從某種意義上說(shuō)，每件作品都是一件獨(dú)特的藝術(shù)品。如今，金屬成型者必須重復(fù)生產(chǎn)符合規(guī)格的不銹鋼零件。與鍛造不同，進(jìn)行即時(shí)更正的機(jī)會(huì)更少。
了解其延展性對(duì)于成功至關(guān)重要。制造商必須是根據(jù)它的機(jī)械性能的合金，使得較終形式滿足所需的物理特性。
金屬制造商可以通過(guò)觀察諸如材料延伸率（如材料****所示），常見(jiàn)應(yīng)用和加工硬化率等特性，深入了解合金的延展性。但是延展性發(fā)生在原子級(jí)。因此，重要的是要看原子級(jí)，以全面了解什么是延展性以及延展性對(duì)工藝的重要性。
原子行為決定金屬的行為
金屬的行為不同于其他材料。它們具有塑性變形，保持形狀和保持變形強(qiáng)度的能力。這些獨(dú)特的特性源自金屬中原子的類型及其鍵。原子鍵本質(zhì)上決定了電子如何在材料中的原子之間轉(zhuǎn)移或共享。鍵使原子保持在一起成為相干的材料。
當(dāng)電子在原子之間自由共享時(shí)，金屬原子與金屬鍵保持在一起。原子以3D排列，稱為有序晶格。
金屬鍵允許原子移動(dòng)通過(guò)晶格。正是這種原子運(yùn)動(dòng)定義了塑性變形能力。
變形可能會(huì)在壓應(yīng)力或拉應(yīng)力下發(fā)生。這些應(yīng)力類型定義了所有制造過(guò)程。
與未對(duì)準(zhǔn)的晶界相比，金屬原子更容易穿過(guò)晶粒塊。想象一下，在一條高速公路上行駛時(shí)，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要進(jìn)入下坡道，駕駛員必須將汽車開(kāi)上10英尺的路。
金屬原子在壓縮狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)稱為延展性，而在張力，延展性方面則稱為“延展性”。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)均在可塑性下定義，可塑性表示材料的變形能力而不會(huì)破裂。
壓印是一種依賴延展性的壓縮制造過(guò)程。深沖是依賴延展性的拉伸過(guò)程。
在這兩個(gè)過(guò)程中，原子都是通過(guò)不同的方法移動(dòng)的，但是都需要原子移動(dòng)才能起作用�？紤]嘗試鑄造瓷器餐盤(pán)。瓷是一種包含共價(jià)鍵而不是金屬鍵的陶瓷。與金屬鍵不同，共價(jià)鍵不能自由共享電子，因此可以防止原子運(yùn)動(dòng)。在壓力下，由于缺乏原子運(yùn)動(dòng)，極板將破碎；它不會(huì)塑性變形。因此，金屬是用于壓印操作的較佳材料。
晶粒和位錯(cuò)因素
金屬原子在退火過(guò)程中固化成晶體順序，就像冰晶在冷的表面上生長(zhǎng)一樣。原子成一定點(diǎn)成核，并隨著更多原子的聚集而向外生長(zhǎng)。生長(zhǎng)部分較終遇到附近的生長(zhǎng)成核點(diǎn)。這些組裝原子彼此不對(duì)齊的界面稱為晶界。
不同排列的原子的相關(guān)基團(tuán)稱為晶粒。與未對(duì)準(zhǔn)的晶界相比，金屬原子更容易穿過(guò)晶粒塊。想象一下，在一條高速公路上行駛時(shí)，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要進(jìn)入匝道，駕駛員必須將汽車爬坡10英尺。高速公路和匝道都可能很容易開(kāi)車，但是從高速公路到達(dá)錯(cuò)位的匝道將更加困難，需要更多的能量和不同的條件。
晶格中的晶粒本身包含取向缺陷，稱為位錯(cuò)。位錯(cuò)可以在重結(jié)晶過(guò)程中發(fā)生，但主要是通過(guò)冷加工產(chǎn)生的。如果施加足夠的應(yīng)力，某些類型的位錯(cuò)將移動(dòng)。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是未對(duì)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)。原子將從錯(cuò)位的一側(cè)滑到另一側(cè)，從而導(dǎo)致明顯的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。
脫位本身也可以從該運(yùn)動(dòng)中碰撞。就像交通擁堵一樣，位錯(cuò)的堆積會(huì)阻止位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。
延性是由于原子運(yùn)動(dòng)而引起的有效塑性變形的量度。運(yùn)動(dòng)受限會(huì)限制延展性；因此，位錯(cuò)堆積會(huì)導(dǎo)致延展性降低。另外，堆積需要更大的力來(lái)移動(dòng)原子。這種效果稱為工作硬化。
導(dǎo)致金屬原子在晶格中****移動(dòng)的施加應(yīng)力是屈服強(qiáng)度。堆積導(dǎo)致較高的屈服強(qiáng)度，因?yàn)樾枰嗟牧Σ拍芤苿?dòng)原子。因此，回火金屬具有更高的拉伸強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和硬度。
隨著冷加工伸長(zhǎng)率降低。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樯扉L(zhǎng)率是材料延展性的量度。更具體地說(shuō)，它是材料在斷裂之前可以接受的總塑性變形的量度�？紤]到在成形操作過(guò)程中使用了全部潛在塑性變形的一部分，延展性會(huì)通過(guò)加工硬化而降低。
甚至超過(guò)局部材料的拉伸強(qiáng)度的成型操作都將有破裂和斷裂的危險(xiǎn)。這是嚴(yán)重的材料故障。這種失敗的證據(jù)可以是微觀的，也可能是災(zāi)難性的。
微觀故障很危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈冇斜话l(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管具有災(zāi)難性故障的零件不明顯，但是它們?nèi)匀粫?huì)造成問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)造成工具損壞。由故障或粗糙，故障部分產(chǎn)生的異物可能會(huì)造成很大的損害。
隨著拉伸強(qiáng)度的增加，伸長(zhǎng)率降低。因此，材料的拉伸強(qiáng)度被認(rèn)為是所有可延展性的較小壓力。這種考慮是在特定條件下進(jìn)行的。施加力的脈沖可能會(huì)導(dǎo)致延展性和斷裂。
合金選擇有影響
熔煉廠向純金屬添加元素以生產(chǎn)合金。這些合金元素會(huì)改變金屬特性，例如耐蝕性和機(jī)械性能。例如，將鉻添加到鋼中以形成改善耐腐蝕性的氧化鉻表面層。添加鎳以影響可改變強(qiáng)度的奧氏體結(jié)晶相的形成。合金原子在晶格中占據(jù)空間，從而改變了原子移動(dòng)的容易程度。另外，它們可以改變晶粒成核和生長(zhǎng)的方式，從而改變晶粒邊界的體積。從這些晶體學(xué)變化到原子運(yùn)動(dòng)的變化會(huì)影響延展性。
了解合金元素會(huì)影響新合金的發(fā)展。301和305型不銹鋼是延展性實(shí)際應(yīng)用的好例子。305型不銹鋼在退火狀態(tài)下的伸長(zhǎng)率比301不銹鋼稍大。另外，在與301相同的變形下305的總回火增加較少。這意味著，如果305和301變形相同的量，則305的屈服強(qiáng)度較低，而伸長(zhǎng)率較高。在相同變形下，它將以更大的延性開(kāi)始并結(jié)束。
工作硬化后的延展性是重要的考慮因素。更具體地說(shuō)，延性會(huì)影響較終零件的工作方式。
在一個(gè)示例中，如果301和305以相等的尺寸彎曲，則它們較終將具有不同的機(jī)械性能。這是因?yàn)樗鼈兙哂胁煌难诱剐裕⑶乙圆煌乃俾蔬M(jìn)行加工硬化，因此較終得到不同的結(jié)果。在零件尺寸上，假設(shè)305的屈服強(qiáng)度為150,000 PSI，而301的屈服強(qiáng)度為180,000 PSI。如果此尺寸承受的等效載荷為170,000 PSI，則已超出305的屈服強(qiáng)度，但不超過(guò)301的屈服強(qiáng)度。這意味著從理論上講305會(huì)屈服并因此變形。那將是一個(gè)巨大的問(wèn)題！
深沖試驗(yàn)延展性極限
深沖是一種極端的變形過(guò)程，可以測(cè)試延展性的極限。該過(guò)程需要在各個(gè)方向上具有顯著的延展性。必須相應(yīng)地生產(chǎn)原材料。
必須對(duì)經(jīng)過(guò)深沖的材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦旌挽贍C，以促進(jìn)原子的巨大運(yùn)動(dòng)。另外，必須先對(duì)原材料進(jìn)行軋制和退火處理，以小心地保持材料的延展性，從而為深沖做準(zhǔn)備。
合金的選擇也至關(guān)重要。當(dāng)存在更好的合金替代品時(shí)，試圖設(shè)計(jì)合金的延展性沒(méi)有任何意義。同樣，延展性的考慮必須與其他需要的特性（例如耐腐蝕性或磁性）相平衡。
深沖是一種極端的變形過(guò)程，可以測(cè)試延展性的極限。必須對(duì)經(jīng)過(guò)深沖的材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦旌挽贍C，以促進(jìn)原子的巨大運(yùn)動(dòng)。另外，必須先對(duì)原材料進(jìn)行軋制和退火處理，以小心地保持材料的延展性，從而為深沖做準(zhǔn)備。
其他成型工藝需要對(duì)延性進(jìn)行不同的考慮。例如，沖壓零件經(jīng)常需要彎曲成較終形狀。塑性變形導(dǎo)致原子****運(yùn)動(dòng)。因此，較終零件保持其彎曲構(gòu)造。
必須將金屬小部件彎曲成一定形狀而不破裂，然后必須保持其形狀。這帶來(lái)了很多延性問(wèn)題。首先，必須選擇具有所需延展性的正確合金。
其次，必須建立過(guò)程以促進(jìn)材料的加工硬化。隨著彎曲的發(fā)生，原子會(huì)產(chǎn)生缺陷（位錯(cuò)），這些缺陷會(huì)隨著彎曲的進(jìn)行而堆積。如前所述，這些堆積的缺陷定義了從彎曲處獲得的硬化，從而提高了該區(qū)域的硬度，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。這使得彎曲區(qū)域更牢固。
這個(gè)考慮很關(guān)鍵，因?yàn)檎蹚澋幕鼗鹬苯佑绊懻蹚澋幕貜�，因此也影響零件的尺寸控制。盡管硬度和拉伸強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度增加，但是伸長(zhǎng)率卻降低了。因此，加工硬化區(qū)域的延展性降低。
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