Hoe werkt de Gleeble 3800 bij het testen van plastische vervorming van staal?

De Gleeble 3800 is een geavanceerd testapparaat dat is ontworpen voor het onderzoeken van de plastische vervorming van materialen onder verschillende thermomechanische omstandigheden. Dit systeem is van cruciaal belang voor de studie van metaalbewerking, met name in de context van hoge snelheid en hoge temperatuur. Het biedt een breed scala aan mogelijkheden voor het simuleren van vervormingen zoals compressie, rek, torsie, impactvervorming en meerassige vervorming. Met deze veelzijdigheid kunnen onderzoekers gedetailleerde gegevens verzamelen over het gedrag van staal en andere materialen tijdens verschillende stadia van de thermomechanische verwerking.

De temperatuurbereiken van de Gleeble 3800 zijn indrukwekkend, met een maximum temperatuur van 1750 °C, wat cruciaal is voor het simuleren van hoge temperaturen die zich in industriële walsprocessen voordoen. De verwarmsnelheid kan oplopen tot 10.000 °C/s, en de koelsnelheid bereikt ook 10.000 °C/s. De apparatuur maakt gebruik van een innovatief verwarmingssysteem dat direct elektrische stroom naar het staal voert, wat zorgt voor een zeer snelle opwarming. Bovendien kunnen de monsters worden gekoeld met verschillende methoden, waaronder luchtblazen of waterstroom, om de afkoeling te simuleren zoals die in een industriële omgeving zou plaatsvinden.

De testen worden uitgevoerd op monsters die speciaal zijn voorbereid, met formaten variërend van 10 mm in diameter tot 86 mm in lengte, afhankelijk van het type test dat wordt uitgevoerd. Bij de plastometrische onderzoeken worden monsters vaak onderworpen aan zowel trek- als druktesten om de mechanische eigenschappen van het materiaal bij verschillende temperaturen en vervormingssnelheden te analyseren. De testmonsters worden verwarmd tot 1200 °C en vervolgens herhaaldelijk gedeformeerd bij constante temperaturen om het gedrag van het materiaal onder verschillende thermische en mechanische belastingen te observeren.

Er wordt vaak specifiek gekeken naar de hardingswetten van staal na plastische vervorming. Deze hardingswetten kunnen variëren afhankelijk van de temperatuur en de snelheid van vervorming. Het gebruik van geavanceerde plastometrische tests maakt het mogelijk om hardingscurves te verkrijgen voor staal bij grote plastische vervormingen. Deze gegevens zijn essentieel voor het verbeteren van de industriële verwerking van staal en het optimaliseren van processen zoals het walsen en het smeden van materialen.

De rol van de vacuümsystemen en de atmosferen waarin de tests worden uitgevoerd, is ook belangrijk. Het systeem zorgt ervoor dat de tests onder gecontroleerde omstandigheden kunnen plaatsvinden, waardoor oxidatie van het materiaal wordt voorkomen en de integriteit van de experimenten gewaarborgd blijft. Het gebruik van een vacuüm tot 1·10–4 mm Hg Art. maakt het mogelijk om zeer nauwkeurige metingen van vervorming en temperatuur te verkrijgen. Bovendien biedt het systeem de mogelijkheid om de tests uit te voeren in een beschermende atmosfeer van inerte gassen, wat bijzonder belangrijk is voor het testen van staal onder extreme omstandigheden.

Wat belangrijk is bij het interpreteren van de resultaten van dergelijke tests is het besef dat de thermomechanische parameters van het staal aanzienlijk kunnen veranderen afhankelijk van de snelheid van vervorming, de temperatuur en de mate van vervorming. Bijvoorbeeld, bij hogere temperaturen en snelheden neemt de kans op faseveranderingen toe, wat kan leiden tot een verandering in de mechanische eigenschappen van het materiaal. Dit benadrukt het belang van het gebruik van modellen die de fysische oorsprong van de microstructuurevolutie onder zware vervorming expliciet in rekening brengen.

Deze modellen zijn van cruciaal belang voor het begrijpen van hoe materialen zich gedragen bij verschillende industriële bewerkingen. Het gebruik van de Gleeble 3800 biedt een waardevolle tool voor het ontwikkelen van nauwkeurige voorspellende modellen die de prestaties van staal in de praktijk kunnen verbeteren. De systematische benadering van het verzamelen van experimentele gegevens zorgt ervoor dat fabrikanten van staal en andere metalen een dieper inzicht krijgen in de processen van vorming en harding, wat leidt tot efficiëntere productiemethoden.

Hoe beïnvloedt het toevoegen van niobium de microstructuur en mechanische eigenschappen van Ti-Al gebaseerde legeringen?

In de meeste γ-TiAl legeringen, die voornamelijk bestaan uit titanium en aluminium, vinden we intermetallische stoffen zoals γ-TiAl en α2-Ti3Al, die de structurele basis vormen van deze materialen. Een gedetailleerde chemische analyse van de inclusies in deze legeringen laat zien dat naast aluminium ook titanium voorkomt in de vorm van Ti-Al intermetallische verbindingen. Dergelijke verbindingen vertonen specifieke eigenschappen afhankelijk van de verhouding van de metalen en de verhoudingen van de verschillende fasen. Het proces van kristallisatie van deze verbindingen speelt een belangrijke rol in de uiteindelijke prestatie van de legering.

Bij het onderzoeken van de microstructuur via X-ray spectrale analyses blijkt dat de microstructuur van Ti-Al-Nb legeringen sterk afhankelijk is van de toevoeging van niobium. Doping met Nb leidt tot de vorming van een twee-fase structuur, bestaande uit zowel de γ-TiAl als de α2-Ti3Al fasen. Deze fasen zijn verantwoordelijk voor het versterken van de legering door de fijne kristallijne structuur die ontstaat. Het proces van extrusie bij een belasting van 100 MPa en de toevoeging van 7–8% Nb resulteert in een verminderde korrelgrootte (tot 0.2–0.3 μm) en de vorming van een sub-microkristallijne structuur.

Bij verdere analyse van de effecten van verschillende additieven en microstructurele manipulaties blijkt dat de toevoeging van Nb de beste resultaten oplevert, vooral wanneer het gaat om de weerstand tegen oxidatie, de sterkte bij hoge temperaturen en de taaiheid bij kamertemperatuur. Het verhoogt het volume van de α2-fase en verkleint de gemiddelde afstand tussen de lamellen, wat de mechanische eigenschappen ten goede komt.

Bovendien is het belangrijk op te merken dat de plasticiteitsanisotropie die gepaard gaat met de lamellaire morfologie een rol kan spelen bij de sterkte-eigenschappen van de legering. Dit biedt veel ruimte voor verder onderzoek, vooral wanneer het gaat om het verbeteren van de breuktaaiheid en het minimaliseren van breuk-initiatie in de intermetallische structuren.

De gedetailleerde studie van de invloed van de microstructuur en de toevoeging van verschillende elementen zoals Nb benadrukt het belang van het optimaliseren van de chemische samenstelling en de verwerkingsomstandigheden voor het verkrijgen van de gewenste materiaaleigenschappen. In de toekomst zal er meer aandacht moeten worden besteed aan het beheersen van de plasticiteit en de breuktaaiheid van deze legeringen door middel van verdere optimalisatie van de microstructuur.

In de afgelopen twee decennia is de ontwikkeling van γ-TiAl legeringen gericht op het bereiken van een

Hoe wordt de stromingsspanning van metalen bepaald tijdens het heetwalsen?

Het heetwalsproces wordt gekarakteriseerd door de verharding van het metaal aan het uiteinde van de vervormingscel. Volgens de theorie van A. Nadai wordt de toename van de stromingsspanning voor elk metaal (legering) uitgedrukt door de volgende formule:

Experimenten die de stromingsspanning van het metaal bepalen, kunnen in twee groepen worden verdeeld: (a) studies die gebaseerd zijn op de meting van de kracht die op de persschroeven werkt tijdens het walsen met verschillende waarden van de relatieve vervorming $\varepsilon$, temperatuur $T$ en vervormingssnelheid $u$, en (b) studies die gebaseerd zijn op de meting van de krachten op speciale testapparaten tijdens het rekken of comprimeren van monsters met verschillende waarden van de parameters $\varepsilon$, $T$ en $u$.

In actieve heetwalsinstallaties ligt de vervormingssnelheid in het bereik van 0,5–10 s⁻¹ tot 500–10³ s⁻¹. Het is duidelijk dat de verhoging van de vervormingssnelheid naar de aangegeven waarden leidt tot een significante toename van de stromingsspanning van het metaal. De experimentele gegevens van Cook (zie figuur 1.3), verkregen met behulp van een plastometer, tonen de kwantitatieve invloed van versterking van het metaal op de stromingsspanning $\sigma_y$ bij constante temperatuur en vervormingssnelheid. De aanwezigheid van een maximum op de grafieken toont aan dat bij een verdere toename van de relatieve vervorming de belangrijkste invloed op de stromingsspanning wordt uitgeoefend door de weerstand van het metaal. Het verlagen van de temperatuur van de vervorming van koolstofstaal van 1200 naar 900 °C resulteert in een toename van de stromingsspanning met 1,5-2,0 keer.

De experimentele gegevens van Zyuzin bevatten kwantitatieve gegevens over de stromingsspanning voor heetvervorming van 44 soorten staal en 20 non-ferro metalen en legeringen. Deze gegevens worden verder besproken in latere secties van deze studie.

Aanvullend inzicht:

De nauwkeurigheid van de bepaling van stromingsspanningen is cruciaal voor het ontwerp en de controle van wals- en vervormingsprocessen, vooral in de staalindustrie. De specifieke kenmerken van de materialen, zoals hun reactie op hoge temperaturen en de snelheid van vervorming, spelen een belangrijke rol in het uiteindelijke product. Daarom is het essentieel om experimenten goed te kalibreren, rekening houdend met diverse invloeden zoals wrijvingscorrecties en de complexiteit van de spanningsverdelingen die ontstaan tijdens de vervorming. Bovendien moet men altijd in gedachten houden dat de optimale instellingen voor de vervorming niet alleen afhangen van de spanningen zelf, maar ook van de verwachte eigenschappen van het eindproduct, zoals sterkte, taaiheid en rekbaarheid, die door het verwerkingsproces kunnen worden beïnvloed.