ステンレス鋼の成形性を原子レベルで理解する

結晶粒、延性、塑性および弾性変形、破壊、および冷間加工は、破壊や亀裂を防止し、成形性を最適化するために成形プロセスにとって重要です。提供された画像

金属製造メーカーは、金属の物理的特性に基づいて、機能を実行する金属を選択します。ステンレス製のエキゾーストパイプは錆びにくいものでなければなりません。ジェット機の熱交換器は、過酷な使用環境での高温に耐える必要があります。

明らかに、金属がどのように動作するか、またはどのように動作できるかが機能にとって重要です。これらの例では、用途の違いにより特定の合金が選択されます。金属加工業者は、産業用のステンレス鋼加工製品の製造を成功させるために、ステンレス鋼の挙動を理解する必要があります。

製造業者が考慮すべき最も重要な金属特性の 1 つは延性です。延性とは、材料が塑性変形し、破損することなく変形する能力です。

鍛冶の歴史的なプロセスには、金属をハンマーで叩いて形を作ることが含まれていました。ブレードなどの形状は、複雑な曲げや形状を必要としないため、比較的簡単に製造できます。ただし、槌で打たれた刃と形状は一点物でした。どの作品も、ある意味、ユニークな芸術作品でした。今日、金属成形業者は仕様に合わせてステンレス鋼部品を繰り返し製造する必要があります。鍛冶とは異なり、その場で修正するための「変更の余地」が少なくなります。

変形により、金属を特定の形状に形成することができます。成功するには、延性特性を理解することが重要です。メーカーは、最終形状が必要な物理的特性を満たすように必要な成形を容易にするために、機械的特性に基づいて合金を適切に選択する必要があります。

金属製造者は、材料の伸び (材料証明書に示される)、一般的な用途、加工硬化率などの特性を観察することで、合金の延性について優れた洞察を得ることができます。しかし、延性は原子レベルで発生します。延性とは何か、そして延性がプロセスにとってなぜ重要なのかを完全に理解するには、原子レベルで見ることが重要です。

金属は他の材料とは異なる挙動をします。塑性変形し、形状を維持し、変形時の強度を維持する能力は独特です。これらのユニークな特性は、金属内の原子の種類とその結合に由来します。原子結合は基本的に、材料内の原子間で電子がどのように移動または共有されるかを決定します。結合により、原子が結合して凝集性の材料が形成されます。

電子が原子間で自由に共有される場合、金属原子は金属結合で一緒に留まります。原子は 3D に整列し、結晶格子として知られる規則的な列を形成します。

金属結合により、格子を通した原子の移動が可能になります。塑性変形能力を定義するのはこの原子の動きです。

圧縮応力または引張応力がかかると変形が発生することがあります。これらの応力タイプはすべての製造プロセスを定義します。

金属原子は、位置がずれている粒界よりも粒バルク中を容易に移動できます。すべての出口ランプが突然高速道路より 10 フィート高い高速道路を運転していることを想像してください。オフランプにアクセスするには、ドライバーは車を物理的に空中に 10 フィート持ち上げる必要があります。

圧縮時の金属原子の動きは展性と呼ばれ、引張時の金属原子の動きは延性と呼ばれます。どちらの用語も可塑性の下で定義され、亀裂を生じることなく変形する材料の能力を表します。

コイニングは、展性を利用した圧縮製造プロセスです。深絞り加工は、延性に依存する引張プロセスです。

どちらのプロセスでも、原子は異なる方法で移動しますが、どちらも機能するには原子の移動が必要です。磁器のディナープレートを鋳造してみることを検討してください。磁器は、金属結合ではなく共有結合を含むセラミックです。金属結合とは異なり、共有結合は電子を自由に共有しないため、原子の移動が妨げられます。圧力がかかると、原子の動きがなくなるため、プレートは粉々になります。塑性変形することはできません。このため、金属はコイニング作業に最適な素材です。

金属原子は、冷たい表面で成長する氷の結晶のように、アニーリング中に結晶秩序に固まります。原子は点で核を形成し、より多くの原子が順番に集合するにつれて外側に成長します。成長部分は最終的に近くの成長核形成点に遭遇します。互いに整列していない原子が集合したこれらの界面は、粒界として知られています。

異なる配列をした原子の関連グループは粒子として知られています。金属原子は、位置がずれている粒界よりも粒バルク中を容易に移動できます。すべての出口ランプが突然高速道路より 10 フィート高い高速道路を運転していることを想像してください。オフランプにアクセスするには、ドライバーは車を物理的に空中に 10 フィート持ち上げる必要があります。高速道路と出口ランプはどちらも運転しやすいかもしれませんが、高速道路から位置がずれている出口ランプに移動するのはより困難で、より多くのエネルギーとさまざまな条件が必要になります。

結晶格子内の粒子自体には、転位として知られる配向欠陥が含まれています。転位は再結晶中に発生する可能性がありますが、主に冷間加工によって発生します。特定の種類の転位は、十分な応力が加えられると移動します。したがって、転位の移動は位置ずれの移動となります。原子は不整列の一方の側からもう一方の側に滑り、その結果、見かけの転位運動が生じます。

この動きにより転位自体が衝突することもあります。交通渋滞と同じように、脱臼が蓄積するとそれ以上の脱臼の移動が妨げられることがあります。

延性は、原子の運動の結果として起こり得る塑性変形の尺度です。動きを制限すると延性が制限されます。したがって、転位の蓄積により延性が低下します。さらに、パイルアップでは原子を動かすためにより大きな力が必要になります。この効果は加工硬化と呼ばれます。

結晶格子内で金属原子を永久に移動させるために加えられる応力が降伏強度です。原子を移動させるためにより多くの力が必要となるため、パイルアップにより降伏強度が高くなります。そのため、焼き戻し金属は、引張強さ、降伏強さ、硬度がより高くなります。

冷間加工すると伸びが減少します。伸びは材料の延性の尺度であるため、これを知ることは非常に重要です。より具体的には、材料が破壊する前に許容できる総塑性変形の尺度です。潜在的な塑性変形全体の一部が成形操作中に使用されることを考慮すると、加工硬化によって延性が低下することは理にかなっています。

金属は他の材料とは異なる挙動をします。塑性変形し、形状を維持し、変形時の強度を維持する能力は独特です。これらのユニークな特性は、金属内の原子の種類とその結合に由来します。

材料の引張強さを超える成形作業は、局所的であっても亀裂や破損の危険があります。これは重大な材料欠陥です。この失敗の証拠は、微視的なものから壊滅的なものまでさまざまです。

微細な欠陥は発見されないリスクがあるため危険です。致命的な故障が発生した部品は明白であり、販売されないことは明らかですが、それでも工具の損傷を引き起こすため、問題が発生する可能性があります。破損や荒れた破損部分から発生した異物は、多大な損害を与える可能性があります。

引張強さが増加すると伸びは減少します。したがって、材料の引張強さは、利用可能なすべての延性の最小圧力であると考えられます。この考察は特定の条件下で行われます。加えられた力の衝撃は、延性と破壊に寄与する可能性があります。

溶解ミルは純粋な金属に元素を加えて合金を製造します。これらの合金元素は、耐食性や機械的特性などの金属特性を変化させます。たとえば、クロムを鋼に添加すると、耐食性を向上させる酸化クロム表面層が形成されます。ニッケルは、強度の程度を変えるオーステナイト結晶相の形成に影響を与えるために添加されます。合金原子は結晶格子内にスペースを取り、原子の移動のしやすさを変化させます。さらに、粒子の核形成と成長の方法を変えることができ、それによって粒子境界の体積が変化します。これらの結晶学的変化による原子の動きの変化は、延性に影響を与えます。

合金元素を理解することは、新しい合金の開発に影響します。タイプ 301 および 305 ステンレス鋼は、延性の実際的な影響を示す良い例です。タイプ 305 ステンレスは、焼きなまし状態で 301 ステンレスよりわずかに大きな伸びを示します。さらに、305 は 301 と同じ変形下での焼き戻しの合計増加が少なくなります。これは、305 と 301 が同じ量変形すると、305 の降伏強度は低くなりますが、伸びは高くなります。同じ変形の下で、より高い延性で始まり、より高い延性で終わります。

加工硬化後の延性は重要な考慮事項です。より具体的には、延性は最終部品の動作に影響を与えます。

事例として、301 と 305 を同じ寸法で曲げると、最終的には異なる機械的特性が得られます。これは、延性特性が異なり、異なる速度で加工硬化されるため、最終的に異なる結果が得られるためです。部品の寸法で、305 の降伏強度が 150,000 PSI、301 の降伏強度が 180,000 PSI であるとします。この寸法に 170,000 PSI に相当する荷重が加わった場合、これは 305 の降伏強度を超えていますが、301 の降伏強度は超えています。これは、理論的には 305 が降伏して変形することを意味します。部品が変形してはいけない場合は大きな問題です。

深絞り加工は、延性の限界をテストできる極端な変形プロセスです。このプロセスでは、あらゆる方向に大きな延性が必要です。それに応じて原材料を生産する必要があります。

深絞り加工を受ける材料は、原子の巨大な動きを促進するために、適切に絞り加工とアイロンをかけなければなりません。さらに、深絞り加工に備えて素材の延性を慎重に維持するために、原材料を最初に圧延して焼きなましする必要があります。

合金の選択も最も重要です。より優れた代替合金が存在する場合、合金の延性を調整しようとしても意味がありません。また、延性についての考慮事項は、耐食性や磁気特性などの他の必要な特性とのバランスをとる必要があります。

深絞り加工は、延性の限界をテストできる極端な変形プロセスです。深絞り加工を受ける材料は、原子の巨大な動きを促進するために、適切に絞り加工とアイロンをかけなければなりません。さらに、深絞り加工に備えて素材の延性を慎重に維持するために、原材料を最初に圧延して焼きなましする必要があります。

他の成形プロセスでは、延性について異なる考慮事項が必要です。たとえば、プレス部品では、最終形状に曲げる必要があることがよくあります。塑性変形は永久的な原子運動を引き起こします。したがって、最終部分は曲がった形状を維持します。

金属製のウィジェットは、破損することなく形状に曲げられ、その形状を維持する必要があります。これにより、延性に関して多くの懸念が生じます。まず、必要な程度の延性を示す適切な合金を選択する必要があります。

第二に、材料の加工硬化を促進するようにプロセスを設定する必要があります。曲げが発生すると、原子は欠陥 (転位) を生成し、曲げが進むにつれて積み重なっていきます。前述したように、これらの積み重ねられた欠陥は、曲げによって達成される硬化を定義し、それによってその領域の硬度、引張強度、および降伏強度が増加します。そうすると曲げ部分が強くなります。

曲げの焼き戻しは曲げのスプリングバックに直接寄与し、したがって部品の寸法制御に直接寄与するため、この考慮は非常に重要です。硬度、引張強度、降伏強度は増加しますが、伸びは減少します。このため、加工硬化部の延性が低下する。

最終部品を形成するには、延性と強度のバランスが重要です。