Скорость деформационного упрочнения аустенитной нержавеющей стали: значение для холодной штамповки

Что такое скорость деформационного упрочнения и почему она контролирует поведение аустенитной нержавеющей стали при холодной-деформации?

Уравнение Холломона описывает кривую истинного напряжения-истинной деформации в области однородной пластической-деформации до начала образования шейки. K — коэффициент прочности, а n — показатель деформационного -упрочнения: чем выше n, тем больше увеличивается сопротивление материала дальнейшей деформации при заданном приращении деформации. Поскольку n также равно истинной деформации в начале образования шейки (по критерию Консидера), высокое значение n- является прямым индикатором того, насколько лист можно растянуть или вытянуть, прежде чем он начнет локально утончаться и разрушаться.

Для производителя это единственное число объясняет сразу несколько вещей, наблюдаемых в цехе: почему лист нержавеющей стали требует большего тоннажа, чем мягкая сталь, для того же изгиба или вытяжки, почему поверхность формованной детали из нержавеющей стали значительно тверже, чем-полученный лист, и почему деталь, которая выглядела хорошо в середине-вытяжки, все же может успешно растягиваться в результате глубокой операции, которая расколола бы более низкий-материал.

Почему аустенитные стали-затвердевают быстрее, чем ферритные, дуплексные и углеродистые стали?

Энергия дефекта упаковки (SFE) определяет, насколько легко дислокации могут перестраиваться во время деформации. В аустенитной нержавеющей стали низкий ЭДУ приводит к расщеплению дислокаций на частичные дислокации, которые не могут легко пересечь-переход на новую плоскость. Вместо аннигиляции или перегруппировки в конфигурации с более низкой-энергией, дислокации накапливаются и запутываются, а сопротивление материала дальнейшему течению резко возрастает с ростом напряжения. Ферритные и углеродистые стали имеют объемно--кубическую (ОЦК) решетку с более высоким ЭДУ, поэтому дислокации восстанавливаются быстрее, а скорость закалки ниже.

Метастабильные аустенитные марки -, особенно 301 -, добавляют эффект TRIP. По мере деформации материала некоторая часть аустенита (FCC, немагнитного) превращается в мартенсит (объемноцентрированный тетрагональный, магнитный и гораздо более твердый). Это преобразование поглощает энергию и вводит твердую вторую фазу в пластичную матрицу, поэтому 301, в частности, может достичь очень высокой прочности исключительно за счет холодной обработки, без какой-либо термообработки. Дуплексные сорта занимают промежуточное положение: поскольку примерно половина их структуры уже состоит из феррита, их объемное значение n- обычно ниже, чем у полностью аустенитного сорта, даже несмотря на то, что фракция аустенита в дуплексной микроструктуре все еще может затвердевать по тем же механизмам, связанным с TRIP-.

Сравнительная деформация-Показатели упрочнения по семействам сталей

Значения n-получены из опубликованной литературы по испытаниям на растяжение-и технических данных стана в условиях испытаний ASTM E646. Фактические значения зависят от диапазона деформации, направления прокатки, толщины и предшествующей холодной обработки; рассматривайте их как диапазоны-этапного планирования, а не как сертифицированные механические свойства. Подтвердите это с помощью протокола заводских испытаний (MTR) для конкретной плавки и состояния.

Как эффект TRIP влияет на упрочнение метастабильных марок, таких как 301?

Md30 определяется как температура, при которой 30% истинной деформации приводит к 50% превращению в мартенсит. Это свойство,-зависимое от состава: более низкое содержание никеля и меньшее содержание междоузлий (углерода и азота) повышает Md30, а это означает, что материал легче трансформируется при комнатной температуре. Именно такая логика конструкции лежит в основе конструкции 301 по сравнению с 304 - 301, которая содержит меньше никеля, поэтому она будет-затвердевать и быстрее набирать прочность во время холодной штамповки, за счет некоторой потери коррозионной стойкости и запаса прочности по сравнению со сталью 304.

Практическое значение формовочной линии двоякое. Во-первых, прочность и твердость не являются фиксированными свойствами материала для метастабильного сплава, как для термообработанного сплава --. Они зависят от того, какой степени деформации, а также при какой скорости и температуре фактически подвергается деталь, а это означает, что повторяемость процесса (усилие держателя заготовки, скорость вытяжки, температура штампа) является частью спецификации, а не только сертификата стана. Во-вторых, поскольку риск отсроченного растрескивания в деталях глубокой-вытяжки коррелирует с комбинацией содержания Md30 и (C+N), марки и плавки с более высоким содержанием Md30 требуют более консервативных коэффициентов вытяжки, большего количества стадий формовки и более тщательного контроля деталей, которые будут испытывать устойчивое остаточное напряжение в процессе эксплуатации.

На какие процессы холодной-деформации больше всего влияет высокая скорость деформационного упрочнения?

Глубокая вытяжка и штамповка

Поскольку напряжение текучести резко возрастает с ростом деформации, нагрузка на пуансон и сила держателя заготовки -увеличиваются по мере продолжения вытяжки, а риск раскалывания возрастает по направлению к радиусу пуансона и углу штампа, где в первую очередь концентрируется напряжение. Многоэтапная-вытяжка — это стандартное решение: уменьшение коэффициента вытяжки на каждой стадии и введение технологического отжига (раствора) между стадиями для восстановления пластичности перед следующим обжатием, а не попытка полного обжатия за один проход, как это можно сделать с мягкой сталью.

Гибка и профилирование

Для изгиба аустенитной нержавеющей стали требуется больший минимальный радиус изгиба, чем для углеродистой стали того же- калибра, чтобы избежать поверхностного растрескивания на внешнем волокне, и она обеспечивает большую упругость, поскольку восстановление модуля упругости после разгрузки взаимодействует с материалом, который уже существенно затвердел в зоне изгиба. Компенсация упругого возврата - при перегибе или увеличение приложенной силы изгиба - является стандартной практикой и должна подтверждаться экспериментальным путем или моделированием, а не предполагаться на основе данных об инструментах из углеродистой-стали.

Механическая обработка после формования

Похожий, часто недооцениваемый эффект проявляется на последующих этапах вторичной обработки: каждый рез оставляет на поверхности тонкий-упрочненный слой, поэтому последующий легкий или прерывистый рез может проходить поверх закаленного материала, а не прорезать его, ускоряя износ инструмента. Данные о обрабатываемости стали 304 по сравнению с типичной средне-углеродистой сталью (1045) иллюстрируют тот же разрыв значений n-, который обсуждался выше, и являются полезным показателем того, как материал будет вести себя при любой повторяющейся операции-деформации, включая формовку.

301 против. 304 против. 316: какой сплав следует выбрать для применения в условиях холодной-формовки?

Составлено на основе данных спецификаций ASTM A240/A666 и опубликованных технических паспортов прокатного стана для отожженных и холоднокатаных пород. Перед окончательным проектированием оснастки проверьте точные механические свойства и обозначение отпуска на соответствие отчету об испытаниях конкретного стана.

Как компенсировать высокую скорость упрочнения при проектировании оснастки и технологических процессов?

Увеличьте зазор матрицы и пуансона по сравнению с инструментами из углеродистой-стали, чтобы выдерживать более высокие напряжения текучести и уменьшить истирание; подтвердите конкретный зазор путем испытания для используемой марки, состояния и калибра.

Используйте больший радиус изгиба и пуансона, чем у эквивалента углеродистой-стали, чтобы избежать растрескивания наружных-волокон, поскольку пластичность материала постепенно снижается при холодной обработке.

Уменьшите степень вытяжки на каждом этапе глубокой вытяжки и вставьте технологический (растворный) отжиг -, обычно в диапазоне 1010-1100 градусов с быстрым охлаждением для стандартных аустенитных марок - между этапами, чтобы восстановить пластичность перед следующим обжатием.

Выбирайте износостойкие-инструментальные стали (например, D2 или M2) или матрицы с покрытием, поскольку высокое значение n-, которое укрепляет деталь, также ускоряет абразивный износ инструмента.

Используйте смазочные материалы для формования,-не содержащие хлоридов; остаточные хлориды, попавшие в формованную деталь из нержавеющей стали под остаточным напряжением растяжения, представляют собой признанный риск -коррозии-растрескивания под напряжением.

Проверяйте упругость с помощью пробных деталей или моделирования формовки, а не смещений инструмента из углеродистой-стали, и при необходимости добавляйте перегиб или увеличивайте силу изгиба.

Для метастабильных марок, температура которых близка к температуре Md30, контролируйте скорость вытяжки и температуру детали, поскольку доля мартенсита - и, следовательно, окончательная прочность, пластичность и риск растрескивания - зависят от процесса-, а не определяются только сертификатом завода.

Какие методы и стандарты испытаний определяют степень упрочнения при закупках и контроле качества?

ASTM E646 определяет, как значение n- рассчитывается на основе кривой истинного напряжения-истинной деформации в пределах заданного диапазона пластической-деформации, что важно, поскольку n не является единой фиксированной константой для материала - и может несколько меняться в зависимости от используемого интервала деформации, температуры испытания и направления прокатки листа. Если характеристика деформационного упрочнения является решающим фактором при проектировании, а не просто общим ожиданием, укажите в заказе на поставку испытательный диапазон E646 вместе со стандартом основного материала и отпуска и запросите фактические данные испытаний в протоколе заводских испытаний (MTR), а не полагайтесь только на опубликованные типичные диапазоны.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Означает ли более высокая скорость закалки, что аустенитную нержавеющую сталь труднее поддавать холодной обработке, чем углеродистую сталь?

О: Не обязательно. То же самое высокое значение n-, которое увеличивает формовочные нагрузки, также задерживает возникновение локализованного образования шейки, поэтому аустенитную нержавеющую сталь часто можно растягивать или вытягивать дальше, чем углеродистую сталь, прежде чем она расколется. Компромиссом- является более высокая требуемая мощность пресса, большая упругость и более быстрый износ инструмента, а не меньшая формуемость.

Вопрос: Почему нержавеющая сталь 301 становится магнитной после формовки, хотя вначале она была немагнитной?

Ответ: Холодная обработка ниже температуры сплава Md30 превращает часть немагнитного FCC-аустенита в магнитный объемно--центрированный-тетрагональный мартенсит. Эта пластичность, вызванная преобразованием-(эффект TRIP), является преднамеренной в 301 и является основной причиной того, что он может достигать очень высокой прочности только за счет холодной обработки.

Вопрос: Какой стандарт испытаний измеряет показатель деформационного-упрочнения (значение n-)?

A: ASTM E646 — это стандартный метод испытаний для определения показателя деформационного-упрочнения и коэффициента прочности при испытании на растяжение. Его следует указывать вместе со стандартом основного материала (ASTM A240 для плит и листов или ASTM A666 для холоднокатаных полос), если значение n- является критическим параметром формования.

Вопрос: Может ли отжиг восстановить пластичность нержавеющей стали после холодной штамповки?

А: Да. Процесс отжига (на раствор), обычно в диапазоне 1010–1100 градусов с последующим быстрым охлаждением для стандартных аустенитных марок, растворяет карбиды и восстанавливает структуру FCC-аустенита, восстанавливая пластичность перед следующей стадией формования.

Вопрос: Дуплексная нержавеющая сталь более или менее поддается нагартовке-, чем аустенитные марки, такие как 304?

Ответ: Обычно меньше, в массовом выражении. Поскольку примерно половина дуплексной микроструктуры состоит из феррита, который -затвердевает медленнее, чем аустенит, общее значение n- для дуплексной марки обычно ниже, чем для полностью аустенитной микроструктуры, хотя доля аустенита в дуплексной структуре все же может способствовать упрочнению, связанному с TRIP-.

Вопрос: Какая аустенитная марка является выбором по умолчанию, когда поведение при наклепе не является решающим фактором?

О: 304 — это общее-значение по умолчанию для штамповок и вытянутых деталей. Выбирайте 301, особенно если в проекте предполагается использовать холодное-упрочнение, и указывайте 316, когда воздействие хлоридов или химических веществ в процессе эксплуатации перевешивает соображения, связанные с формовкой.

Краткое содержание

Скорость наклепа не является побочным эффектом при проектировании холодной штамповки аустенитной нержавеющей стали -, это свойство основного материала, которое с самого начала должно определять выбор марки, выбора отпуска и конструкции инструментов. Показатель деформационного упрочнения от 0,40 до 0,55, обусловленный низкой энергией дефекта упаковки и, в метастабильных марках, эффектом TRIP, дает аустенитным маркам как преимущество (стойкость к локализованному образованию шейки), так и набор технологических требований (более высокий тоннаж, большие зазоры, межпроходной отжиг, контроль упругого возврата), которые существенно отличаются от практики углеродистой стали.

Сопоставление марки, отпуска и процесса с конкретной операцией формования - вместо выбора по умолчанию одной марки или рецепта обработки углеродистой-стали - – это разница между деталью, которая формуется чисто, и деталью, которая раскалывается, сминается или выходит из строя в процессе эксплуатации.