Diversos protocols de prova (Brinell, Rockwell, Vickers) tenen procediments específics per al projecte que s'està provant. La prova T de Rockwell és adequada per inspeccionar tubs de paret lleugera tallant el tub longitudinalment i provant la paret des del diàmetre interior en lloc del diàmetre exterior.
Demanar un tubing és una mica com anar a un concessionari de cotxes i demanar un cotxe o un camió. Avui dia, les moltes opcions disponibles permeten als compradors personalitzar el vehicle de diverses maneres: colors interiors i exteriors, paquets d'acabats interiors, opcions d'estil exterior, opcions de tren motriu i un sistema d'àudio que gairebé rivalitza amb un sistema d'entreteniment domèstic. Tenint en compte totes aquestes opcions, és possible que no estigueu satisfets amb un vehicle estàndard i sense pretensions.
Les canonades d'acer són justament això. Té milers d'opcions o especificacions. A més de les dimensions, l'especificació enumera propietats químiques i diverses propietats mecàniques com ara el límit elàstic mínim (MYS), la resistència a la tracció màxima (UTS) i l'allargament mínim abans de la fallada. Tanmateix, molts en la indústria (enginyers, agents de compres i fabricants) utilitzen abreviatures acceptades per la indústria que requereixen l'ús de canonades soldades "normals" i especifiquen només una característica: la duresa.
Prova de demanar un cotxe per una sola característica ("Necessito un cotxe amb transmissió automàtica") i no arribaràs gaire lluny amb un venedor. Ha d'omplir un formulari de comanda amb moltes opcions. La canonada és justament això: per obtenir la canonada adequada per a l'aplicació, el fabricant de la canonada necessita més informació que només la duresa.
Com es converteix la duresa en un substitut reconegut per a altres propietats mecàniques? Probablement va començar amb un productor de canonades. Com que les proves de duresa són ràpides, fàcils i requereixen equips relativament econòmics, els venedors de tubs sovint utilitzen proves de duresa per comparar dos tubs. Per realitzar una prova de duresa, tot el que necessiten és un tros llis de canonada i un banc de proves.
La duresa del tub es correlaciona bé amb la duresa de l'aire (UTS) i, com a regla general, els percentatges o els intervals de percentatges són útils per estimar la duresa mitjana (MYS), de manera que és fàcil veure com les proves de duresa poden ser un indicador adequat per a altres propietats.
A més, altres proves són relativament complexes. Mentre que les proves de duresa només triguen un minut aproximadament en una sola màquina, les proves de MYS, UTS i d'elongació requereixen la preparació de mostres i una inversió important en equips de laboratori grans. En comparació, un operador de molí de tubs triga segons a realitzar una prova de duresa i un tècnic metal·lúrgic professional triga hores a realitzar una prova de tracció. No és difícil realitzar una comprovació de duresa.
Això no vol dir que els fabricants de tubs dissenyats no utilitzin proves de duresa. Es pot dir que la majoria de la gent ho fa, però com que fan avaluacions de repetibilitat i reproductibilitat de calibre en tots els seus equips de prova, són ben conscients de les limitacions de la prova. La majoria utilitzen l'avaluació de la duresa del tub com a part del procés de producció, però no l'utilitzen per quantificar les propietats del tub. Aquesta és només una prova d'aprovat/suspès.
Per què cal saber sobre MYS, UTS i elongació mínima? Indiquen com es comportarà el tub en el muntatge.
La força mínima que causa la deformació permanent del material és la força mínima que causa la deformació permanent del material. Si intenteu doblegar lleugerament un cable recte (com una perxa) i allibereu la pressió, passarà una de dues coses: tornarà al seu estat original (recte) o romandrà doblegat. Si encara és recte, no heu superat la força mínima. Si encara està doblegat, l'heu sobrepassat.
Ara, feu servir unes alicates per subjectar els dos extrems del cable. Si podeu esquinçar el cable en dos trossos, heu superat la seva UTS. Li poseu molta tensió i teniu dos cables per demostrar el vostre esforç sobrehumà. Si la longitud original del cable és de 5 polzades i les dues longituds després de la fallada sumen 6 polzades, el cable s'estira 1 polzada o un 20%. La prova d'elongació real es mesura a 2 polzades del punt de fallada, però tant se val: el concepte de cable d'estirament il·lustra la UTS.
Les mostres d'acer per microfotografia s'han de tallar, polir i gravar amb una solució lleugerament àcida (normalment àcid nítric i alcohol (nitroetanol)) per fer visibles els grans. L'augment de 100x s'utilitza habitualment per inspeccionar els grans d'acer i determinar la mida del gra.
La duresa és una prova de com respon un material a l'impacte. Imagineu-vos que poseu un tros curt de tub en un cargol amb mordasses dentades i gireu el cargol per tancar-lo. A més d'aplanar el tub, les mordasses del cargol també deixen marques a la superfície del tub.
Així és com funciona la prova de duresa, però no és tan aproximada. Aquesta prova té una mida d'impacte controlada i una pressió controlada. Aquestes forces deformen la superfície, creant una indentació o una sagnia. La mida o la profunditat de la sagnia determina la duresa del metall.
Per avaluar l'acer, les proves de duresa més comunes són Brinell, Vickers i Rockwell. Cadascuna té la seva pròpia escala, i algunes tenen diversos mètodes de prova, com ara Rockwell A, B i C. Per a les canonades d'acer, l'especificació ASTM A513 fa referència a la prova Rockwell B (abreujada com a HRB o RB). La prova Rockwell B mesura la diferència en la penetració de l'acer per una bola d'acer de 1⁄16 de polzada de diàmetre entre una petita precàrrega i una càrrega primària de 100 kgf. Un resultat típic per a l'acer suau estàndard és HRB 60.
Els científics de materials saben que la duresa està relacionada linealment amb la resistència a l'ús (UTS). Per tant, una duresa determinada pot predir la resistència a l'ús. De la mateixa manera, els fabricants de tubs saben que la resistència a l'ús (MYS) i la resistència a l'ús (UTS) estan relacionades. Per a les canonades soldades, la resistència a l'ús (MYS) sol ser del 70% al 85% de la resistència a l'ús. La quantitat exacta depèn del procés de fabricació del tub. La duresa de l'HRB 60 es correlaciona amb una resistència a l'ús de 60.000 lliures per polzada quadrada (PSI) i una resistència a l'ús (MYS) del 80%, o 48.000 PSI.
L'especificació de canonades més comuna en la fabricació general és la duresa màxima. A més de la mida, l'enginyer estava preocupat per especificar una canonada soldada per resistència elèctrica (ERW) dins d'un bon rang de treball, cosa que podria resultar en una duresa màxima de possiblement HRB 60 al dibuix del component. Aquesta decisió per si sola condueix a una gamma de propietats mecàniques finals, inclosa la duresa mateixa.
En primer lloc, la duresa de HRB 60 no ens diu gaire. La lectura de HRB 60 és un nombre adimensional. El material avaluat amb HRB 59 és més tou que el material provat amb HRB 60, i HRB 61 és més dur que HRB 60, però en quina mesura? No es pot quantificar com el volum (mesurat en decibels), el parell (mesurat en lliures-peus), la velocitat (mesurada en distància relativa al temps) o UTS (mesurat en lliures per polzada quadrada). La lectura de HRB 60 no ens diu res específic. Aquesta és una propietat del material, però no una propietat física. En segon lloc, les proves de duresa no són adequades per a la repetibilitat o la reproductibilitat. L'avaluació de dues ubicacions en una mostra de prova, fins i tot si les ubicacions de prova són properes entre si, sovint resulta en una gran variació en les lectures de duresa. Aquest problema s'agreuja per la naturalesa de la prova. Després de mesurar una posició, no es pot mesurar una segona vegada per verificar els resultats. La repetibilitat de la prova no és possible.
Això no vol dir que les proves de duresa siguin inconvenients. De fet, proporcionen una bona guia per a la duresa de resistència a la tracció (UTS) d'un material i són una prova ràpida i fàcil de realitzar. Tanmateix, tothom qui participi en l'especificació, la compra i la fabricació de tubs hauria de ser conscient de les seves limitacions com a paràmetre de prova.
Com que la canonada "normal" no està ben definida, quan cal, els fabricants de canonades sovint la redueixen als dos tipus de canonades d'acer i canonades més utilitzats definits a ASTM A513: 1008 i 1010. Fins i tot després d'eliminar tots els altres tipus de tubs, les possibilitats pel que fa a les propietats mecàniques d'aquests dos tipus de tubs són molt obertes. De fet, aquests tipus de tubs tenen la gamma més àmplia de propietats mecàniques de qualsevol tipus.
Per exemple, un tub es descriu com a tou si la MYS és baixa i l'elongació és alta, la qual cosa significa que té un millor rendiment en tracció, deflexió i deformació que un tub descrit com a dur, que té una MYS relativament alta i una elongació relativament baixa. Això és similar a la diferència entre el filferro tou i el dur, com ara els penjadors i els trepants.
L'allargament en si mateix és un altre factor que té un impacte significatiu en les aplicacions crítiques de canonades. Els tubs amb un allargament elevat poden suportar forces de tracció; els materials amb un allargament baix són més fràgils i, per tant, més propensos a fallades catastròfiques de tipus fatiga. Tanmateix, l'allargament no està directament relacionat amb la duresa superficial (UTS), que és l'única propietat mecànica directament relacionada amb la duresa.
Per què varien tant les propietats mecàniques dels tubs? En primer lloc, la composició química és diferent. L'acer és una solució sòlida de ferro i carboni i altres aliatges importants. Per simplicitat, només tractarem els percentatges de carboni aquí. Els àtoms de carboni substitueixen alguns dels àtoms de ferro, formant l'estructura cristal·lina de l'acer. L'ASTM 1008 és un grau primari que ho abasta tot amb un contingut de carboni del 0% al 0,10%. Zero és un nombre molt especial que produeix propietats úniques quan el contingut de carboni de l'acer és ultrabaix. L'ASTM 1010 especifica un contingut de carboni entre el 0,08% i el 0,13%. Aquestes diferències no semblen enormes, però són prou grans per marcar una gran diferència en altres llocs.
En segon lloc, la canonada d'acer es pot fabricar o fabricar i posteriorment processar en set processos de fabricació diferents. L'ASTM A513 relacionat amb la producció de canonades ERW enumera set tipus:
Si la composició química de l'acer i els passos de fabricació del tub no tenen cap efecte sobre la duresa de l'acer, què ho és? Respondre a aquesta pregunta significa analitzar els detalls. Aquesta pregunta planteja dues preguntes més: quins detalls i amb quina precisió?
Els detalls sobre els grans que componen l'acer són la primera resposta. Quan l'acer es fabrica en una fàbrica d'acer primària, no es refreda en un bloc enorme amb una sola característica. A mesura que l'acer es refreda, les molècules de l'acer s'organitzen en patrons repetitius (cristalls), de manera similar a com es formen els flocs de neu. Després de formar-se els cristalls, s'agreguen en grups anomenats grans. A mesura que el refredament avança, els grans creixen i es formen per tota la làmina o placa. Els grans deixen de créixer a mesura que les últimes molècules d'acer són absorbides pels grans. Tot això passa a nivell microscòpic perquè la mida mitjana del gra d'acer és d'uns 64 µ o 0,0025 polzades d'amplada. Tot i que cada gra és similar al següent, no són iguals. Varien lleugerament en mida, orientació i contingut de carboni. La interfície entre els grans s'anomena límit de gra. Quan l'acer falla, per exemple a causa d'esquerdes per fatiga, tendeix a fallar al llarg dels límits de gra.
Fins a quin punt has de mirar per veure grans discernibles? Un augment de 100x, o la visió humana de 100x, és suficient. Tanmateix, només mirar acer sense tractar a 100 vegades la potència no revela gaire. La mostra es prepara polint-la i gravant la superfície amb un àcid (normalment àcid nítric i alcohol) anomenat gravant nitroetanol.
Són els grans i la seva xarxa interna els que determinen la resistència a l'impacte, la MYS, la UTS i l'allargament que un acer pot suportar abans de la fallada.
Els passos de fabricació d'acer, com ara el laminat en calent i en fred de fleixos, apliquen tensió a l'estructura del gra; si canvien de forma permanentment, això significa que la tensió deforma el gra. Altres passos de processament, com ara enrotllar l'acer en bobines, desenrotllar-lo i deformar els grans d'acer a través d'un molí de tubs (per formar i dimensionar el tub). L'estirament en fred del tub sobre el mandrí també exerceix pressió sobre el material, igual que els passos de fabricació com ara la conformació i el doblegat dels extrems. Els canvis en l'estructura del gra s'anomenen dislocacions.
Els passos anteriors redueixen la ductilitat de l'acer, que és la seva capacitat per suportar esforços de tracció (obertura per estirament). L'acer es torna fràgil, cosa que significa que és més probable que es trenqui si continueu treballant-hi. L'elongació és un component de la ductilitat (la compressibilitat n'és un altre). És important entendre que la fallada es produeix més sovint durant l'esforç de tracció, no durant la compressió. L'acer és molt resistent a l'esforç de tracció a causa de la seva capacitat d'elongació relativament alta. Tanmateix, l'acer es deforma fàcilment sota esforços de compressió (és dúctil), cosa que és un avantatge.
El formigó té una resistència a la compressió elevada però una ductilitat baixa en comparació amb el formigó. Aquestes propietats són oposades a les de l'acer. És per això que el formigó utilitzat per a carreteres, edificis i voreres sovint s'acobla amb barres d'acer. El resultat és un producte amb les resistències de dos materials: sota tensió, l'acer és fort, i sota pressió, el formigó.
Durant el treball en fred, a mesura que la ductilitat de l'acer disminueix, la seva duresa augmenta. En altres paraules, s'endurirà. Depenent de la situació, això pot ser un avantatge; tanmateix, pot ser un desavantatge, ja que la duresa s'equipara a la fragilitat. És a dir, a mesura que l'acer es fa més dur, es torna menys elàstic; per tant, és més probable que falli.
En altres paraules, cada pas del procés consumeix part de la ductilitat de la canonada. Es torna més dura a mesura que la peça treballa, i si és massa dura és bàsicament inútil. La duresa és fragilitat, i és probable que un tub fràgil falli quan s'utilitza.
El fabricant té alguna opció en aquest cas? En resum, sí. Aquesta opció és el recuit, i tot i que no és del tot màgic, és el més proper a la màgia possible.
En termes senzills, el recuit elimina tots els efectes de l'estrès físic sobre el metall. Aquest procés escalfa el metall a una temperatura d'alleujament de l'estrès o de recristal·lització, eliminant així les dislocacions. Depenent de la temperatura i el temps específics utilitzats en el procés de recuit, el procés restaura així part o tota la seva ductilitat.
El recuit i el refredament controlat promouen el creixement del gra. Això és beneficiós si l'objectiu és reduir la fragilitat del material, però el creixement incontrolat del gra pot estovar massa el metall, fent-lo inutilitzable per al seu ús previst. Aturar el procés de recuit és una altra cosa gairebé màgica. El tremp a la temperatura adequada amb l'agent de tremp adequat en el moment adequat atura ràpidament el procés per obtenir les propietats de recuperació de l'acer.
Hauriem de deixar de banda l'especificació de duresa? No. Les característiques de duresa són valuoses principalment com a punt de referència a l'hora d'especificar canonades d'acer. Una mesura útil, la duresa és una de les diverses característiques que s'han d'especificar a l'hora de demanar material tubular i comprovar-ho en el moment de la recepció (i s'ha de registrar amb cada enviament). Quan la inspecció de duresa és l'estàndard d'inspecció, ha de tenir valors d'escala i rangs de control adequats.
Tanmateix, no és una prova real per qualificar (acceptar o rebutjar) material. A més de la duresa, els fabricants haurien de provar ocasionalment els enviaments per determinar altres propietats rellevants, com ara MYS, UTS o elongació mínima, depenent de l'aplicació del tub.
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 es va convertir en la primera revista dedicada a la indústria de les canonades metàl·liques el 1990. Avui dia, continua sent l'única publicació a Amèrica del Nord dedicada a la indústria i s'ha convertit en la font d'informació més fiable per als professionals de les canonades.
Ara, amb accés complet a l'edició digital de The FABRICATOR, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
L'edició digital de The Tube & Pipe Journal ja és totalment accessible i proporciona un fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.
Gaudeix d'accés complet a l'edició digital de STAMPING Journal, que ofereix els darrers avenços tecnològics, les millors pràctiques i les notícies del sector per al mercat de l'estampació de metalls.
Gaudeix d'accés complet a l'edició digital de The Additive Report per aprendre com es pot utilitzar la fabricació additiva per millorar l'eficiència operativa i augmentar els beneficis.
Ara, amb accés complet a l'edició digital de The Fabricator en espanyol, fàcil accés a recursos valuosos de la indústria.