Různé zkušební protokoly (Brinell, Rockwell, Vickers) mají postupy specifické pro testovaný projekt. Rockwellův T-test je vhodný pro kontrolu tenkostěnných trubek, kde se trubka podélně rozřízne a stěna se zkouší od vnitřního průměru, nikoli od vnějšího.
Objednávka hadic je trochu jako jít do autosalonu a objednat si osobní nebo nákladní vůz. Dnes umožňuje mnoho dostupných možností kupujícím přizpůsobit si vozidlo různými způsoby – barvy interiéru a exteriéru, balíčky interiérového obložení, možnosti stylingu exteriéru, výběr pohonného ústrojí a audiosystém, který se téměř vyrovná systému domácí zábavy. Vzhledem ke všem těmto možnostem se nemusíte spokojit se standardním vozidlem bez zbytečných ozdob.
Ocelové trubky jsou přesně to. Existují tisíce možností nebo specifikací. Kromě rozměrů specifikace uvádí chemické a několik mechanických vlastností, jako je minimální mez kluzu (MYS), mez pevnosti v tahu (UTS) a minimální prodloužení před zlomem. Mnoho lidí v oboru – inženýři, nákupčí a výrobci – však používá uznávané zkratky v oboru, které vyžadují použití „normálních“ svařovaných trubek a specifikují pouze jednu charakteristiku: tvrdost.
Zkuste si objednat auto podle jediné charakteristiky („Potřebuji auto s automatickou převodovkou“) a s prodejcem se daleko nedostanete. Musí vyplnit objednávkový formulář s mnoha možnostmi. Trubka je přesně to – aby výrobce trubky získal správnou trubku pro danou aplikaci, potřebuje více informací než jen tvrdost.
Jak se tvrdost stala uznávanou náhradou za jiné mechanické vlastnosti? Pravděpodobně to začalo u výrobce trubek. Protože testování tvrdosti je rychlé, snadné a vyžaduje relativně levné vybavení, prodejci trubek často používají testování tvrdosti k porovnání dvou trubek. K provedení testu tvrdosti potřebují pouze hladký kus trubky a zkušební stojan.
Tvrdost trubky dobře koreluje s UTS a obecně platí, že procenta nebo procentuální rozmezí jsou užitečná pro odhad MYS, takže je snadné pochopit, jak může být testování tvrdosti vhodným zástupcem pro jiné vlastnosti.
Také jiné testy jsou relativně složité. Zatímco testování tvrdosti trvá na jednom stroji jen minutu nebo dvě, testování MYS, UTS a elongace vyžaduje přípravu vzorku a značné investice do velkého laboratorního vybavení. Pro srovnání, operátorovi válcovny trubek trvá provedení testu tvrdosti několik sekund a profesionálnímu metalurgickému technikovi provedení testu tahem hodiny. Provést kontrolu tvrdosti není obtížné.
To neznamená, že výrobci konstrukčních trubek nepoužívají testování tvrdosti. Dá se s jistotou říci, že většina lidí to ano, ale protože provádějí hodnocení opakovatelnosti a reprodukovatelnosti měření na všech svých testovacích zařízeních, jsou si dobře vědomi omezení tohoto testu. Většina používá hodnocení tvrdosti trubek jako součást výrobního procesu, ale nepoužívá ho ke kvantifikaci vlastností trubek. Jedná se pouze o test vyhovuje/nevyhovuje.
Proč potřebujete vědět o MYS, UTS a minimálním prodloužení? Tyto údaje ukazují, jak se bude trubka chovat při montáži.
MYS je minimální síla, která způsobuje trvalou deformaci materiálu. Pokud se pokusíte mírně ohnout rovný drát (například ramínko na šaty) a uvolnit tlak, stane se jedna ze dvou věcí: vrátí se do původního stavu (rovný), nebo zůstane ohnutý. Pokud je stále rovný, nepřekročili jste MYS. Pokud je stále ohnutý, překročili jste limit.
Nyní pomocí kleští upněte oba konce drátu. Pokud se vám podaří drát roztrhnout na dva kusy, překročili jste jeho UTS. Vyvíjíte na něj velké napětí a máte dva dráty, které demonstrují vaše nadlidské úsilí. Pokud je původní délka drátu 5 palců a dvě délky po přetržení se sčítají na 6 palců, drát se natáhne o 1 palec, neboli o 20 %. Skutečná zkouška prodloužení se měří do 2 palců od bodu přetržení, ale co už – koncept tažného drátu ilustruje UTS.
Vzorky ocelových mikrofotografií je třeba nařezat, vyleštit a leptat mírně kyselým roztokem (obvykle kyselinou dusičnou a alkoholem (nitroethanolem)), aby byla zrna viditelná. Pro kontrolu ocelových zrn a stanovení jejich velikosti se běžně používá 100násobné zvětšení.
Tvrdost je test, jak materiál reaguje na náraz. Představte si, že vložíte krátký kus trubky do svěráku s vroubkovanými čelistmi a otáčením svěráku jej zavřete. Kromě zploštění trubky zanechávají čelisti svěráku také prohlubně na povrchu trubky.
Takto funguje test tvrdosti, ale není tak hrubý. Tento test má řízenou velikost nárazu a řízený tlak. Tyto síly deformují povrch a vytvářejí vtlačení nebo prohlubeň. Velikost nebo hloubka prohlubně určuje tvrdost kovu.
Pro hodnocení oceli se běžně používají zkoušky tvrdosti Brinell, Vickers a Rockwell. Každá z nich má svou vlastní stupnici a některé mají více zkušebních metod, například Rockwell A, B a C. Pro ocelové trubky se specifikace ASTM A513 odkazuje na zkoušku Rockwell B (zkráceně HRB nebo RB). Zkouška Rockwell B měří rozdíl v průniku oceli ocelovou kuličkou o průměru 1⁄16 palce mezi malým předpětím a primárním zatížením 100 kgf. Typickým výsledkem pro standardní nízkouhlíkovou ocel je HRB 60.
Vědci zabývající se materiály vědí, že tvrdost je lineárně úměrná pevnosti v tahu (UTS). Proto lze danou tvrdostí předpovědět UTS. Výrobci trubek rovněž vědí, že tvrdost v tahu (MYS) a pevnost v tahu (UTS) spolu souvisí. U svařovaných trubek je tvrdost v tahu (MYS) obvykle 70 % až 85 % UTS. Přesné množství závisí na procesu výroby trubky. Tvrdost HRB 60 koreluje s tvrdostí v tahu 60 000 liber na čtvereční palec (PSI) a tvrdostí v tahu 80 %, tedy 48 000 PSI.
Nejběžnější specifikací trubek ve všeobecné výrobě je maximální tvrdost. Kromě velikosti se inženýr zajímal o specifikaci svařované elektrické odporové (ERW) trubky v rámci vhodného pracovního rozsahu, což by mohlo vést k maximální tvrdosti HRB 60, která by se na výkresu součásti našla. Toto rozhodnutí samo o sobě vede k řadě konečných mechanických vlastností, včetně samotné tvrdosti.
Zaprvé, tvrdost HRB 60 nám moc neříká. Hodnota HRB 60 je bezrozměrné číslo. Materiál hodnocený pomocí HRB 59 je měkčí než materiál testovaný s HRB 60 a HRB 61 je tvrdší než HRB 60, ale o kolik? Nelze ji kvantifikovat jako objem (měřeno v decibelech), točivý moment (měřeno v librách-stopách), rychlost (měřeno ve vzdálenosti vzhledem k času) nebo UTS (měřeno v librách na čtvereční palec). Hodnota HRB 60 nám neříká nic konkrétního. Jedná se o vlastnost materiálu, nikoli však o fyzikální vlastnost. Zadruhé, testování tvrdosti není vhodné pro opakovatelnost nebo reprodukovatelnost. Vyhodnocování dvou míst na testovaném vzorku, i když jsou testovaná místa blízko sebe, často vede k velké variabilitě v naměřených hodnotách tvrdosti. Tento problém zhoršuje povaha testu. Po změření polohy ji nelze změřit podruhé, aby se ověřily výsledky. Opakovatelnost testu není možná.
To neznamená, že testování tvrdosti je nepohodlné. Ve skutečnosti poskytuje dobrý návod pro UTS materiálu a je to rychlý a snadný test. Každý, kdo se podílí na specifikaci, nákupu a výrobě trubek, by si však měl být vědom jeho omezení jako testovacího parametru.
Protože „normální“ trubka není dobře definována, výrobci trubek ji v případě potřeby často zužují na dva nejčastěji používané typy ocelových trubek a trubek definované v normě ASTM A513: 1008 a 1010. I po vyloučení všech ostatních typů trubek jsou možnosti z hlediska mechanických vlastností těchto dvou typů trubek dost otevřené. Ve skutečnosti mají tyto typy trubek nejširší škálu mechanických vlastností ze všech typů.
Například trubka je popisována jako měkká, pokud je MYS nízký a prodloužení vysoké, což znamená, že má lepší vlastnosti v tahu, průhybu a deformaci než trubka popisovaná jako tvrdá, která má relativně vysoký MYS a relativně nízké prodloužení. To je podobné rozdílu mezi měkkým a tvrdým drátem, jako jsou ramínka na šaty a vrtačky.
Samotné prodloužení je dalším faktorem, který má významný vliv na kritické aplikace potrubí. Trubky s vysokým prodloužením odolávají tahovým silám; materiály s nízkým prodloužením jsou křehčí, a proto jsou náchylnější ke katastrofickým únavovým poruchám. Prodloužení však přímo nesouvisí s pevností v tahu (UTS), což je jediná mechanická vlastnost přímo související s tvrdostí.
Proč se mechanické vlastnosti trubek tolik liší? Zaprvé, chemické složení je odlišné. Ocel je pevný roztok železa, uhlíku a dalších důležitých slitin. Pro zjednodušení se zde budeme zabývat pouze procenty uhlíku. Atomy uhlíku nahrazují některé atomy železa a tvoří krystalovou strukturu oceli. ASTM 1008 je univerzální primární třída s obsahem uhlíku 0 % až 0,10 %. Nula je velmi speciální číslo, které vytváří jedinečné vlastnosti, když je obsah uhlíku v oceli ultra nízký. ASTM 1010 specifikuje obsah uhlíku mezi 0,08 % a 0,13 %. Tyto rozdíly se nezdají obrovské, ale jsou dostatečně velké, aby jinde znamenaly velký rozdíl.
Za druhé, ocelové potrubí lze vyrobit nebo vyrobit a následně zpracovat v sedmi různých výrobních procesech. ASTM A513 týkající se výroby potrubí ERW uvádí sedm typů:
Pokud chemické složení oceli a kroky výroby trubek nemají žádný vliv na tvrdost oceli, co pak má? Odpověď na tuto otázku znamená důkladné zkoumání detailů. Tato otázka vyvolává další dvě otázky: Jaké detaily a jak přesně?
Podrobnosti o zrnech, která tvoří ocel, jsou první odpovědí. Když se ocel vyrábí v primární ocelárně, neochlazuje se do obrovského bloku s jediným prvkem. Jak ocel chladne, molekuly oceli se organizují do opakujících se vzorů (krystalů), podobně jako se tvoří sněhové vločky. Po vytvoření krystalů se shlukují do skupin nazývaných zrna. Jak postupuje ochlazování, zrna rostou a tvoří se v celém plechu nebo desce. Zrna přestávají růst, jakmile jsou poslední molekuly oceli absorbovány zrny. To vše se děje na mikroskopické úrovni, protože průměrná velikost ocelového zrna je asi 64 µ nebo 0,0025 palce široká. I když je každé zrno podobné dalšímu, nejsou stejná. Liší se mírně velikostí, orientací a obsahem uhlíku. Rozhraní mezi zrny se nazývá hranice zrn. Když ocel selže, například v důsledku únavových trhlin, má tendenci selhávat podél hranic zrn.
Jak daleko se musíte dívat, abyste viděli rozpoznatelná zrna? Stačí 100násobné zvětšení nebo 100násobné lidské zvětšení. Pouhý pohled na neupravenou ocel při 100násobném zvětšení však mnoho neodhalí. Vzorek se připraví leštěním vzorku a leptáním povrchu kyselinou (obvykle kyselinou dusičnou a alkoholem) nazývanou leptadlo s nitroetanolem.
Jsou to zrna a jejich vnitřní mřížka, které určují rázovou houževnatost, pevnost v tahu (MYS), pevnost v tahu (UTS) a prodloužení, které ocel odolá před porušením.
Kroky výroby oceli, jako je válcování pásu za tepla a za studena, působí na strukturu zrn; pokud trvale změní tvar, znamená to, že toto napětí deformuje zrno. Další kroky zpracování, jako je navíjení oceli do svitků, její odvíjení a deformace ocelových zrn pomocí trubkové mlýnice (pro tvarování a dimenzování trubky). Tažení trubky za studena na trnu také vyvíjí tlak na materiál, stejně jako výrobní kroky, jako je tváření konců a ohýbání. Změny struktury zrn se nazývají dislokace.
Výše uvedené kroky snižují tažnost oceli, což je její schopnost odolávat tahovému (roztažení) namáhání. Ocel se stává křehkou, což znamená, že je pravděpodobnější, že se zlomí, pokud s ní budete dále pracovat. Protažení je jednou ze složek tažnosti (stlačitelnost je další). Je důležité si uvědomit, že k porušení nejčastěji dochází během tahového napětí, nikoliv stlačení. Ocel je velmi odolná vůči tahovému napětí díky své relativně vysoké tažnosti. Ocel se však při tlakovém napětí snadno deformuje – je tažná – což je výhoda.
Beton má vysokou pevnost v tlaku, ale nízkou tažnost ve srovnání s betonem. Tyto vlastnosti jsou opačné než vlastnosti oceli. Proto se beton používaný na silnice, budovy a chodníky často osadí výztuží. Výsledkem je produkt s pevnostmi dvou materiálů: pod tahem je ocel pevná a pod tlakem beton.
Během tváření za studena, s klesající tažností oceli, se zvyšuje její tvrdost. Jinými slovy, ocel se ztvrdne. V závislosti na situaci to může být výhoda, ale může to být i nevýhoda, protože tvrdost je spojována s křehkostí. To znamená, že jak ocel tvrdne, stává se méně elastickou, a proto je pravděpodobnější, že selže.
Jinými slovy, každý krok procesu spotřebovává část tažnosti trubky. S opracováním se trubka ztvrdne a pokud je příliš tvrdá, je v podstatě k ničemu. Tvrdost je křehkost a křehká trubka se při používání pravděpodobně zlomí.
Má v tomto případě výrobce nějaké možnosti? Stručně řečeno, ano. Tou možností je žíhání, a i když to není úplně magické, je to magii co nejblíže.
Laicky řečeno, žíhání odstraňuje všechny účinky fyzického namáhání kovu. Tento proces zahřívá kov na teplotu uvolnění pnutí nebo rekrystalizace, čímž eliminuje dislokace. V závislosti na konkrétní teplotě a době použité v procesu žíhání se tak obnoví část nebo celá jeho tažnost.
Žíhání a řízené chlazení podporují růst zrn. To je výhodné, pokud je cílem snížit křehkost materiálu, ale nekontrolovaný růst zrn může kov příliš změkčit, čímž se stane nepoužitelným pro zamýšlené použití. Zastavení procesu žíhání je další téměř magická věc. Kalení při správné teplotě se správným kalicím činidlem ve správný čas proces rychle zastaví, aby se ocel dosáhla regeneračních vlastností.
Měli bychom vynechat specifikaci tvrdosti? Ne. Charakteristiky tvrdosti jsou cenné především jako referenční bod při specifikaci ocelových trubek. Tvrdost je užitečným měřítkem a jednou z několika charakteristik, které by měly být specifikovány při objednávání trubkového materiálu a zkontrolovány při jeho převzetí (a měly by být zaznamenány u každé zásilky). Pokud je standardem kontroly tvrdosti, měla by mít odpovídající hodnoty stupnice a kontrolní rozsahy.
Není to však skutečný test pro kvalifikaci (přijetí nebo odmítnutí) materiálu. Kromě tvrdosti by výrobci měli občas testovat dodávky, aby určili další relevantní vlastnosti, jako je MYS, UTS nebo minimální prodloužení, v závislosti na použití trubky.
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.
Časopis Tube & Pipe Journal se v roce 1990 stal prvním časopisem věnovaným odvětví kovových trubek. Dnes zůstává jedinou publikací v Severní Americe věnovanou tomuto odvětví a stal se nejdůvěryhodnějším zdrojem informací pro odborníky na potrubí.
Nyní s plným přístupem k digitálnímu vydání časopisu The FABRICATOR máte snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Digitální vydání časopisu The Tube & Pipe Journal je nyní plně dostupné a poskytuje snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.
Získejte plný přístup k digitálnímu vydání časopisu STAMPING Journal, který nabízí nejnovější technologický pokrok, osvědčené postupy a novinky z oboru lisování kovů.
Získejte plný přístup k digitálnímu vydání publikace The Additive Report a dozvíte se, jak lze aditivní výrobu využít ke zlepšení provozní efektivity a zvýšení zisků.
Nyní s plným přístupem k digitálnímu vydání časopisu The Fabricator en Español máte snadný přístup k cenným oborovým zdrojům.