Различни протоколи за изпитване (Brinell, Rockwell, Vickers) имат процедури, специфични за изпитвания проект. Тестът Rockwell T е подходящ за проверка на тръби с леки стени чрез нарязване на тръбата по дължина и тестване на стената от вътрешния диаметър, а не от външния диаметър.
Поръчването на тръби е малко като да отидете в автокъща и да поръчате кола или камион. Днес многото налични опции позволяват на купувачите да персонализират превозното средство по различни начини – цветове на интериора и екстериора, пакети за вътрешна облицовка, опции за външен стил, избор на задвижване и аудио система, която почти съперничи на система за домашно забавление. Като се имат предвид всички тези опции, може да не сте доволни от стандартно превозно средство без излишни украшения.
Стоманените тръби са точно това. Има хиляди опции или спецификации. В допълнение към размерите, спецификацията изброява химични и няколко механични свойства, като минимална граница на провлачване (MYS), крайна якост на опън (UTS) и минимално удължение преди разрушаване. Въпреки това, много в индустрията – инженери, агенти по закупуване и производители – използват приети индустриални стенограми, които изискват използването на „нормална“ заварена тръба и посочват само една характеристика: твърда ност.
Опитайте да поръчате кола по една характеристика („Имам нужда от кола с автоматична скоростна кутия“) и няма да стигнете твърде далеч с продавач. Той трябва да попълни формуляр за поръчка с много опции. Тръбата е точно това – за да получи правилната тръба за приложението, производителят на тръбата се нуждае от повече информация, отколкото просто твърдост.
Как твърдостта става признат заместител на други механични свойства? Вероятно е започнало с производител на тръби. Тъй като тестването на твърдостта е бързо, лесно и изисква сравнително евтино оборудване, търговците на тръби често използват тестване за твърдост, за да сравнят две тръби. За да извършат тест за твърдост, всичко, от което се нуждаят, е гладка дължина на тръбата и тестов стенд.
Твърдостта на тръбата корелира добре с UTS и като правило процентите или процентните диапазони са полезни при оценката на MYS, така че е лесно да се види как тестването на твърдостта може да бъде подходящ заместител за други свойства.
Освен това други тестове са сравнително сложни. Докато тестването на твърдостта отнема само около минута на една машина, MYS, UTS и тестването за удължение изискват подготовка на пробата и значителна инвестиция в голямо лабораторно оборудване. За сравнение, отнема секунди на оператора на тръбна мелница да извърши тест за твърдост и часове на професионален металургичен техник да извърши тест на опън. Не е трудно да се извърши проверка на твърдостта.
Това не означава, че производителите на проектирани тръби не използват тестове за твърдост. Безопасно е да се каже, че повечето хора го правят, но тъй като те правят оценки на повторяемостта и възпроизводимостта на измерванията на цялото си тестово оборудване, те са добре запознати с ограниченията на теста. Повечето използват оценяване на твърдостта на тръбата като част от производствения процес, но не го използват за количествено определяне на свойствата на тръбата. Това е просто тест за преминаване/неуспех.
Защо трябва да знаете за MYS, UTS и минимално удължение? Те показват как ще се държи тръбата при сглобяване.
MYS е минималната сила, която причинява трайна деформация на материала. Ако се опитате леко да огънете права тел (като закачалка) и отпуснете натиска, ще се случи едно от двете неща: тя ще се върне в първоначалното си състояние (права) или ще остане огъната. Ако все още е права, не сте преминали MYS. Ако все още е огъната, вие сте го превишили.
Сега използвайте клещи, за да затегнете двата края на жицата. Ако можете да разкъсате жицата на две части, вие сте над нейната UTS. Поставяте много напрежение върху нея и имате две жици, за да покажете свръхчовешките си усилия. Ако първоначалната дължина на жицата е 5 инча и двете дължини след повредата се добавят до 6 инча, жицата се разтяга с 1 инч, или 20%. Действителният тест за удължение се измерва в рамките на 2 инча за точката на повреда, но каквото и да е – концепцията за дърпаща жица илюстрира UTS.
Стоманените фотомикрографски проби трябва да бъдат изрязани, полирани и ецвани с помощта на леко киселинен разтвор (обикновено азотна киселина и алкохол (нитроетанол)), за да станат видими зърната. 100x увеличение обикновено се използва за проверка на стоманени зърна и определяне на размера на зърната.
Твърдостта е тест за това как даден материал реагира на удар. Представете си, че поставяте късо парче тръба в менгеме с назъбени челюсти и завъртате менгемето, за да се затвори. Освен че сплескват тръбата, челюстите на менгемето също оставят вдлъбнатини по повърхността на тръбата.
Така работи тестът за твърдост, но не е толкова груб. Този тест има контролиран размер на удара и контролиран натиск. Тези сили деформират повърхността, създавайки вдлъбнатина или вдлъбнатина. Размерът или дълбочината на вдлъбнатината определят твърдостта на метала.
За оценка на стоманата обичайните тестове за твърдост са Brinell, Vickers и Rockwell. Всеки има своя собствена скала, а някои имат множество методи за изпитване, като Rockwell A, B и C. За стоманени тръби спецификацията ASTM A513 препраща към теста Rockwell B (съкратено като HRB или RB). Тестът Rockwell B измерва разликата в проникването на стомана от стоманена топка с диаметър 1⁄16 инча между малко предварително натоварване и основно натоварване от 100 kgf. Типичен резултат за стандартна мека стомана е HRB ​​60.
Учените в областта на материалите знаят, че твърдостта е линейно свързана с UTS. Следователно дадена твърдост може да предвиди UTS. По същия начин производителите на тръби знаят, че MYS и UTS са свързани. За заварени тръби MYS обикновено е 70% до 85% от UTS. Точното количество зависи от процеса на производство на тръбата. Твърдостта на HRB 60 корелира с UTS от 60 000 паунда на квадратен инч (PSI ) и MYS от 80%, или 48 000 PSI.
Най-често срещаната спецификация на тръбата в общото производство е максималната твърдост. В допълнение към размера, инженерът се интересуваше от спецификирането на заварена електросъпротивителна заварена тръба (ERW) в рамките на добър работен диапазон, което може да доведе до максимална твърдост от евентуално HRB 60, намираща си път на чертежа на компонента. Само това решение води до набор от крайни механични свойства, включително самата твърдост.
Първо, твърдостта на HRB 60 не ни казва много. Отчетеното HRB 60 е безразмерно число. Материалът, оценен с HRB 59, е по-мек от материала, тестван с HRB 60, а HRB 61 е по-твърд от HRB 60, но с колко? Не може да се определи количествено като обем (измерен в децибели), въртящ момент (измерен във фунт-фут), скорост (мярка червено на разстояние спрямо времето), или UTS (измерено в паундове на квадратен инч). Четенето на HRB 60 не ни казва нищо конкретно. Това е свойство на материала, но не и физическо свойство. Второ, тестването на твърдостта не е подходящо за повторяемост или възпроизводимост. Оценяването на две места върху образец за изпитване, дори ако местата за изпитване са близо едно до друго, често води до голяма вариация в показанията за твърдост. Усложняването на този проблем е природата на теста. След като дадена позиция бъде измерена, тя не може да бъде измерена втори път, за да се проверят резултатите. Повторяемостта на теста не е възможна.
Това не означава, че тестването на твърдостта е неудобно. Всъщност то предоставя добро ръководство за UTS на материала и е бърз и лесен тест за изпълнение. Въпреки това, всеки, който участва в спецификирането, закупуването и производството на тръби, трябва да е наясно с неговите ограничения като тестов параметър.
Тъй като „нормалната“ тръба не е добре дефинирана, когато е необходимо, производителите на тръби често я стесняват до двете най-често използвани стоманени тръби и видове тръби, дефинирани в ASTM A513: 1008 и 1010. Дори след елиминиране на всички други типове тръби, възможностите по отношение на механичните свойства на тези два вида тръби са широко отворени. Всъщност тези типове тръби имат най-широката гама от механични свойства от всеки тип.
Например, една тръба се описва като мека, ако MYS е ниско и удължението е високо, което означава, че се представя по-добре при опън, деформация и фиксиране от тръба, описана като твърда, която има относително високо MYS и относително ниско удължение. Това е подобно на разликата между мека и твърда тел, като закачалки за дрехи и свредла.
Самото удължение е друг фактор, който оказва значително влияние върху критичните приложения на тръбите. Тръбите с голямо удължение могат да издържат на сили на опън;материалите с ниско удължение са по-крехки и следователно по-склонни към катастрофални повреди от умора. Въпреки това, удължението не е пряко свързано с UTS, което е единственото механично свойство, пряко свързано с твърдостта.
Защо механичните свойства на тръбите се различават толкова много? Първо, химичният състав е различен. Стоманата е твърд разтвор на желязо и въглерод и други важни сплави. За простота тук ще се занимаваме само с въглеродните проценти. Въглеродните атоми заместват някои от железните атоми, образувайки кристалната структура на стоманата. ASTM 1008 е всеобхватен първичен клас със съдържание на въглерод от 0% до 0,10%. Нулата е много специално число който произвежда уникални свойства, когато съдържанието на въглерод в стоманата е изключително ниско. ASTM 1010 определя съдържание на въглерод между 0,08% и 0,13%. Тези разлики не изглеждат огромни, но са достатъчно големи, за да направят голяма разлика другаде.
Второ, стоманената тръба може да бъде произведена или произведена и впоследствие обработена в седем различни производствени процеса. ASTM A513, свързан с производството на ERW тръби, изброява седем вида:
Ако химическият състав на стоманата и етапите на производство на тръбата нямат ефект върху твърдостта на стоманата, какво е? Отговорът на този въпрос означава да се задълбочите в детайлите. Този въпрос повдига още два въпроса: Какви детайли и колко близо?
Подробностите за зърната, които изграждат стоманата, са първият отговор. Когато стоманата се произвежда в първична стоманодобивна мелница, тя не се охлажда в огромен блок с една-единствена характеристика. Докато стоманата се охлажда, молекулите на стоманата се организират в повтарящи се модели (кристали), подобно на това как се образуват снежинките. След като се образуват кристалите, те се агрегират в групи, наречени зърна. С напредването на охлаждането зърната растат и се образуват в листа или плочата. Зърната спират да растат, когато последните стоманени молекули се абсорбират от зърната. Всичко това се случва на микроскопично ниво, тъй като средният размер на стоманеното зърно е около 64 µ или 0,0025 инча ширина. Въпреки че всяко зърно е подобно на следващото, те не са еднакви. Те варират леко по размер, ориентация и въглеродно съдържание. Интерфейсът между зърната се нарича граница на зърното. Когато стоманата се повреди, например поради пукнатини от умора, тя има тенденция да се разруши il по границите на зърното.
Колко далеч трябва да погледнете, за да видите забележими зърна? Достатъчно е 100x увеличение или 100x човешко зрение. Въпреки това, просто гледане на необработена стомана при 100 пъти мощност не разкрива много. Пробата се приготвя чрез полиране на пробата и ецване на повърхността с киселина (обикновено азотна киселина и алкохол), наречена нитроетанолов ецвач.
Именно зърната и тяхната вътрешна решетка определят якостта на удар, MYS, UTS и удължението, на което стоманата може да издържи преди разрушаване.
Стъпките на производството на стомана, като горещо и студено валцуване на лента, прилагат напрежение в структурата на зърното;ако те постоянно променят формата си, това означава, че напрежението деформира зърното. Други етапи на обработка, като навиване на стоманата на рулони, развиването му и деформиране на стоманените зърна през тръбна мелница (за оформяне и оразмеряване на тръбата). Студеното изтегляне на тръбата върху дорника също оказва натиск върху материала, както и производствените стъпки като оформяне на края и огъване. Промените в структурата на зърното се наричат ​​дислокации.
Горните стъпки намаляват пластичността на стоманата, което е нейната способност да издържа на напрежение на опън (отваряне). Стоманата става крехка, което означава, че е по-вероятно да се счупи, ако продължите да работите върху нея. Удължението е един компонент на пластичността (свиваемостта е друг). Важно е да разберете, че повредата най-често възниква по време на напрежение на опън, а не на компресия. Стоманата е много устойчива на напрежение на опън поради относително относително висок капацитет на удължение. Стоманата обаче се деформира лесно при напрежение на натиск – тя е пластична – което е предимство.
Бетонът има висока якост на натиск, но ниска пластичност в сравнение с бетона. Тези свойства са противоположни на тези на стоманата. Ето защо бетонът, използван за пътища, сгради и тротоари, често е снабден с арматура. Резултатът е продукт със силата на два материала: при опън стоманата е здрава, а при натиск бетонът.
По време на студена обработка, тъй като пластичността на стоманата намалява, нейната твърдост се увеличава. С други думи, тя ще се втвърди. В зависимост от ситуацията това може да е от полза;това обаче може да е недостатък, тъй като твърдостта се приравнява на крехкостта. Тоест, когато стоманата става по-твърда, тя става по-малко еластична;следователно е по-вероятно да се провали.
С други думи, всяка стъпка на процеса изразходва част от пластичността на тръбата. Тя става по-твърда, докато частта работи, и ако е твърде твърда, по същество е безполезна. Твърдостта е крехкост, а крехката тръба има вероятност да се повреди, когато се използва.
Производителят има ли някакви опции в този случай? Накратко, да. Тази опция е отгряване и макар да не е съвсем магическа, тя е възможно най-близо до магията.
Казано на лаик, отгряването премахва всички ефекти от физическото напрежение върху метала. Този процес загрява метала до температура за облекчаване на напрежението или рекристализация, като по този начин елиминира дислокациите. В зависимост от конкретната температура и време, използвани в процеса на отгряване, процесът по този начин възстановява част или цялата му пластичност.
Отгряването и контролираното охлаждане насърчават растежа на зърната. Това е от полза, ако целта е да се намали крехкостта на материала, но неконтролираният растеж на зърната може да омекоти метала твърде много, правейки го неизползваем за предназначението му. Спирането на процеса на отгряване е друго почти магическо нещо. Закаляването при правилната температура с подходящия охлаждащ агент в точното време спира бързо процеса, за да се получат свойствата за възстановяване на стоманата.
Трябва ли да изоставим спецификацията за твърдост? не. Характеристиките на твърдостта са ценни предимно като отправна точка при определяне на стоманени тръби. Полезна мярка, твърдостта е една от няколкото характеристики, които трябва да бъдат посочени при поръчка на тръбен материал и проверени при получаване (и трябва да се записват с всяка пратка). Когато проверката на твърдостта е стандарт за проверка, тя трябва да има подходящи стойности на скала и контролни диапазони.
Това обаче не е истински тест за квалифициране (приемане или отхвърляне) на материала. В допълнение към твърдостта, производителите трябва понякога да тестват пратките, за да определят други подходящи свойства, като MYS, UTS или минимално удължение, в зависимост от приложението на тръбата.
Wynn H. Kearns is responsible for regional sales for Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, wkearns@indianatube.com, www.indianatube.com.
Tube & Pipe Journal стана първото списание, посветено на обслужването на производството на метални тръби през 1990 г. Днес то остава единственото издание в Северна Америка, посветено на индустрията, и се превърна в най-доверения източник на информация за професионалистите в производството на тръби.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal вече е напълно достъпно, осигурявайки лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Насладете се на пълен достъп до дигиталното издание на STAMPING Journal, което предоставя най-новите технологични постижения, най-добри практики и новини в индустрията за пазара на метално щамповане.
Насладете се на пълен достъп до цифровото издание на The Additive Report, за да научите как адитивното производство може да се използва за подобряване на оперативната ефективност и увеличаване на печалбите.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The Fabricator en Español, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.