Forskellige testprotokoller (Brinell, Rockwell, Vickers) har procedurer specifikke for det pågældende projekt. Rockwell T-testen er egnet til inspektion af letvæggede rør ved at skære røret på langs og teste væggen ud fra den indre diameter i stedet for den ydre diameter.
At bestille en slange er lidt ligesom at gå til en bilforhandler og bestille en bil eller lastbil. I dag giver de mange tilgængelige muligheder købere mulighed for at tilpasse køretøjet på en række forskellige måder - indvendige og udvendige farver, indvendige trimpakker, udvendige stylingmuligheder, drivlinjevalg og et lydsystem, der næsten kan konkurrere med et hjemmeunderholdningssystem. Med alle disse muligheder er du måske ikke tilfreds med et standardkøretøj uden dikkedarer.
Stålrør er netop det. Det har tusindvis af muligheder eller specifikationer. Ud over dimensioner angiver specifikationen kemiske og adskillige mekaniske egenskaber såsom minimum flydespænding (MYS), ultimativ trækstyrke (UTS) og minimum forlængelse før brud. Imidlertid bruger mange i branchen - ingeniører, indkøbsagenter og producenter - accepterede brancheforkortelser, der kræver brug af "normale" svejsede rør og kun specificerer én egenskab: hårdhed.
Prøv at bestille en bil ud fra en enkelt egenskab ("Jeg har brug for en bil med automatgear"), og du kommer ikke langt med en sælger. Han skal udfylde en bestillingsformular med mange muligheder. Rør er netop det – for at få det rigtige rør til anvendelsen har rørproducenten brug for flere oplysninger end blot hårdhed.
Hvordan bliver hårdhed en anerkendt erstatning for andre mekaniske egenskaber? Det startede sandsynligvis med en rørproducent. Fordi hårdhedsprøvning er hurtig, nem og kræver relativt billigt udstyr, bruger rørsælgere ofte hårdhedsprøvning til at sammenligne to rør. For at udføre en hårdhedstest behøver de blot et glat stykke rør og en teststand.
Rørhårdhed korrelerer godt med UTS, og som en tommelfingerregel er procenter eller procentintervaller nyttige til at estimere MYS, så det er let at se, hvordan hårdhedstestning kan være en passende indikator for andre egenskaber.
Andre tests er også relativt komplekse. Mens hårdhedstestning kun tager et minut eller deromkring på en enkelt maskine, kræver MYS-, UTS- og forlængelsestest prøveforberedelse og betydelige investeringer i stort laboratorieudstyr. Til sammenligning tager det sekunder for en rørmølleoperatør at udføre en hårdhedstest og timer for en professionel metallurgisk tekniker at udføre en trækprøve. Det er ikke svært at udføre en hårdhedskontrol.
Det betyder ikke, at producenter af konstruerede rør ikke bruger hårdhedsprøvning. Man kan roligt sige, at de fleste gør det, men fordi de udfører repeterbarheds- og reproducerbarhedsvurderinger af måleinstrumenter på alt deres testudstyr, er de godt klar over testens begrænsninger. De fleste bruger vurdering af rørhårdhed som en del af produktionsprocessen, men de bruger det ikke til at kvantificere røregenskaber. Dette er blot en bestået/ikke bestået-test.
Hvorfor skal du vide om MYS, UTS og minimumsforlængelse? De angiver, hvordan røret vil opføre sig under samling.
MYS er den minimale kraft, der forårsager permanent deformation af materialet. Hvis du forsøger at bøje en lige tråd (som en bøjle) en smule og frigive trykket, vil en af ​​to ting ske: den vil springe tilbage til sin oprindelige tilstand (lige), eller den vil forblive bøjet. Hvis den stadig er lige, er du ikke kommet forbi MYS. Hvis den stadig er bøjet, har du overskredet den.
Brug nu en tang til at klemme begge ender af tråden fast. Hvis du kan rive tråden i to stykker, er du over dens UTS. Du lægger en masse spænding på den, og du har to tråde til at vise din overmenneskelige indsats. Hvis trådens oprindelige længde er 5 tommer, og de to længder efter brud summerer sig til 6 tommer, er tråden strakt med 1 tomme eller 20%. Den faktiske forlængelsestest måles inden for 2 tommer fra brudpunktet, men uanset hvad – træktrådskonceptet illustrerer UTS.
Stålmikroskopiske prøver skal skæres, poleres og ætses med en mildt sur opløsning (normalt salpetersyre og alkohol (nitroethanol)) for at gøre kornene synlige. 100x forstørrelse bruges almindeligvis til at inspicere stålkorn og bestemme kornstørrelsen.
Hårdhed er en test af, hvordan et materiale reagerer på stød. Forestil dig at sætte et kort stykke rør i en skruestik med savtakkede kæber og dreje skruestikken for at lukke. Udover at flade røret ud, efterlader skruestikkens kæber også fordybninger på rørets overflade.
Sådan fungerer hårdhedstesten, men den er ikke så grov. Denne test har en kontrolleret slagstørrelse og kontrolleret tryk. Disse kræfter deformerer overfladen og skaber en fordybning eller indrykning. Størrelsen eller dybden af ​​fordybningen bestemmer metallets hårdhed.
Til evaluering af stål er almindelige hårdhedstests Brinell, Vickers og Rockwell. Hver har sin egen skala, og nogle har flere testmetoder, såsom Rockwell A, B og C. For stålrør refererer ASTM Specification A513 til Rockwell B-testen (forkortet HRB eller RB). Rockwell B-testen måler forskellen i stålpenetration med en stålkugle med en diameter på 1⁄16 tommer mellem en lille forbelastning og en primærbelastning på 100 kgf. Et typisk resultat for standard blødt stål er HRB 60.
Materialeforskere ved, at hårdhed er lineært relateret til UTS. Derfor kan en given hårdhed forudsige UTS. Ligeledes ved rørproducenter, at MYS og UTS er relaterede. For svejsede rør er MYS typisk 70% til 85% af UTS. Den nøjagtige mængde afhænger af fremstillingsprocessen for røret. Hårdheden af ​​HRB 60 korrelerer med en UTS på 60.000 pund pr. kvadrattomme (PSI) og en MYS på 80% eller 48.000 PSI.
Den mest almindelige rørspecifikation i generel fremstilling er maksimal hårdhed. Ud over størrelsen var ingeniøren optaget af at specificere et svejset elektrisk modstandssvejset (ERW) rør inden for et godt arbejdsområde, hvilket kunne resultere i en maksimal hårdhed på muligvis HRB 60, der fandt vej til komponenttegningen. Denne beslutning alene fører til en række endelige mekaniske egenskaber, herunder selve hårdheden.
For det første fortæller hårdheden af ​​HRB 60 os ikke meget. Aflæsningen af ​​HRB 60 er et dimensionsløst tal. Materialet evalueret med HRB 59 er blødere end materialet testet med HRB 60, og HRB 61 er hårdere end HRB 60, men med hvor meget? Det kan ikke kvantificeres som volumen (målt i decibel), drejningsmoment (målt i pund-fod), hastighed (målt i afstand i forhold til tid) eller UTS (målt i pund pr. kvadrattomme). Aflæsning af HRB 60 fortæller os ikke noget specifikt. Dette er en egenskab ved materialet, men ikke en fysisk egenskab. For det andet er hårdhedsprøvning ikke egnet til repeterbarhed eller reproducerbarhed. Evaluering af to steder på en testprøve, selvom teststederne er tæt på hinanden, resulterer ofte i en stor variation i hårdhedsaflæsningerne. Dette problem forværres af testens natur. Når en position er blevet målt, kan den ikke måles en anden gang for at verificere resultaterne. Testens repeterbarhed er ikke mulig.
Det betyder ikke, at hårdhedsprøvning er ubelejligt. Faktisk giver det en god vejledning til et materiales UTS, og det er en hurtig og nem test at udføre. Imidlertid bør alle involverede i at specificere, købe og fremstille rør være opmærksomme på dens begrænsninger som testparameter.
Fordi "normale" rør ikke er veldefinerede, indsnævrer rørproducenter det ofte til de to mest almindeligt anvendte stålrør og rørtyper, der er defineret i ASTM A513: 1008 og 1010, når det er nødvendigt. Selv efter at have elimineret alle andre rørtyper, er mulighederne med hensyn til mekaniske egenskaber for disse to rørtyper vidt åbne. Faktisk har disse rørtyper det bredeste udvalg af mekaniske egenskaber af alle typer.
For eksempel beskrives et rør som blødt, hvis MYS er lav, og forlængelsen er høj, hvilket betyder, at det klarer sig bedre med hensyn til trækstyrke, nedbøjning og sætning end et rør beskrevet som hårdt, som har en relativt høj MYS og relativt lav forlængelse. Dette svarer til forskellen mellem blød og hård tråd, såsom bøjler og boremaskiner.
Forlængelse i sig selv er en anden faktor, der har en betydelig indflydelse på kritiske rørapplikationer. Rør med høj forlængelse kan modstå trækkræfter; materialer med lav forlængelse er mere sprøde og derfor mere tilbøjelige til katastrofale udmattelseslignende brud. Forlængelse er dog ikke direkte relateret til UTS, som er den eneste mekaniske egenskab, der er direkte relateret til hårdhed.
Hvorfor varierer rørenes mekaniske egenskaber så meget? For det første er den kemiske sammensætning forskellig. Stål er en fast opløsning af jern og kulstof og andre vigtige legeringer. For enkelhedens skyld vil vi kun behandle kulstofprocenter her. Kulstofatomer erstatter nogle af jernatomerne og danner krystalstrukturen i stål. ASTM 1008 er en altomfattende primær kvalitet med et kulstofindhold på 0 % til 0,10 %. Nul er et meget specielt tal, der producerer unikke egenskaber, når kulstofindholdet i stål er ultralavt. ASTM 1010 specificerer et kulstofindhold mellem 0,08 % og 0,13 %. Disse forskelle virker ikke enorme, men de er store nok til at gøre en stor forskel andre steder.
For det andet kan stålrøret fremstilles eller fremstilles og efterfølgende forarbejdes i syv forskellige fremstillingsprocesser. ASTM A513 relateret til ERW-rørproduktion angiver syv typer:
Hvis stålets kemiske sammensætning og rørfremstillingstrinnene ikke har nogen effekt på stålets hårdhed, hvad har det så? At besvare dette spørgsmål indebærer at undersøge detaljerne nærmere. Dette spørgsmål rejser to spørgsmål mere: Hvilke detaljer, og hvor tæt på?
Detaljer om de korn, der udgør stålet, er det første svar. Når stål fremstilles på et primært stålværk, afkøles det ikke til en enorm blok med en enkelt funktion. Når stålet afkøles, organiserer stålets molekyler sig i gentagne mønstre (krystaller), svarende til hvordan snefnug dannes. Efter at krystallerne er dannet, aggregerer de sig i grupper kaldet korn. Efterhånden som afkølingen skrider frem, vokser kornene og dannes i hele pladen. Kornene holder op med at vokse, når de sidste stålmolekyler absorberes af kornene. Alt dette sker på mikroskopisk niveau, fordi den gennemsnitlige stålkornstørrelse er omkring 64 µ eller 0,0025 tommer bred. Selvom hvert korn ligner det næste, er de ikke ens. De varierer lidt i størrelse, orientering og kulstofindhold. Grænsefladen mellem korn kaldes korngrænse. Når stål svigter, for eksempel på grund af udmattelsesrevner, har det en tendens til at svigte langs korngrænser.
Hvor langt skal man kigge for at se synlige korn? 100x forstørrelse eller 100x menneskeligt syn er nok. Men blot at se på ubehandlet stål med 100 gange forstørrelsen afslører ikke meget. Prøven fremstilles ved at polere prøven og ætse overfladen med en syre (normalt salpetersyre og alkohol) kaldet et nitroethanol-ætsemiddel.
Det er kornene og deres indre gitter, der bestemmer slagstyrken, MYS, UTS og forlængelsen, som et stål kan modstå før brud.
Stålfremstillingstrin, såsom varm- og koldvalsning af bånd, påfører spænding i kornstrukturen; hvis de permanent ændrer form, betyder det, at spændingen deformerer kornet. Andre forarbejdningstrin, såsom at oprulle stålet i spoler, afvikle det og deformere stålkornene gennem en rørmølle (for at forme og dimensionere røret). Koldtrækning af røret på dornen lægger også pres på materialet, ligesom fremstillingstrin såsom endeformning og bøjning. Ændringer i kornstrukturen kaldes dislokationer.
Ovenstående trin forringer stålets duktilitet, hvilket er dets evne til at modstå trækspænding (åben trækspænding). Stål bliver sprødt, hvilket betyder, at det er mere sandsynligt, at det går i stykker, hvis man bliver ved med at arbejde på det. Forlængelse er én komponent af duktilitet (kompressibilitet er en anden). Det er vigtigt at forstå, at brud oftest opstår under trækspænding, ikke kompression. Stål er meget modstandsdygtigt over for trækspænding på grund af dets relativt høje forlængelsesevne. Stål deformeres dog let under trykspænding – det er duktilt – hvilket er en fordel.
Beton har høj trykstyrke, men lav duktilitet sammenlignet med beton. Disse egenskaber er modsatte af ståls. Derfor er beton, der bruges til veje, bygninger og fortove, ofte forsynet med armeringsjern. Resultatet er et produkt med styrkerne fra to materialer: under spænding er stål stærkt, og under tryk er beton stærkt.
Under koldbearbejdning, når stålets duktilitet falder, øges dets hårdhed. Med andre ord vil det hærde. Afhængigt af situationen kan dette være en fordel; det kan dog være en ulempe, da hårdhed sidestilles med sprødhed. Det vil sige, at når stål bliver hårdere, bliver det mindre elastisk; derfor er det mere sandsynligt, at det svigter.
Med andre ord forbruger hvert procestrin noget af rørets duktilitet. Det bliver hårdere, efterhånden som delen arbejder, og hvis det er for hårdt, er det stort set ubrugeligt. Hårdhed er sprødhed, og et sprødt rør vil sandsynligvis svigte, når det bruges.
Har producenten nogen muligheder i dette tilfælde? Kort sagt, ja. Den mulighed er udglødning, og selvom det ikke er helt magisk, er det så tæt på magi, som man kan komme.
Kort fortalt fjerner udglødning alle virkninger af fysisk stress på metallet. Denne proces opvarmer metallet til en spændingsaflastnings- eller omkrystallisationstemperatur, hvorved dislokationer elimineres. Afhængigt af den specifikke temperatur og tid, der bruges i udglødningsprocessen, genopretter processen således noget af eller hele dets duktilitet.
Udglødning og kontrolleret afkøling fremmer kornvækst. Dette er gavnligt, hvis målet er at reducere materialets sprødhed, men ukontrolleret kornvækst kan blødgøre metallet for meget og gøre det ubrugeligt til det tilsigtede formål. At stoppe udglødningsprocessen er en anden næsten magisk ting. Hærdning ved den rigtige temperatur med det rigtige hæmmer på det rigtige tidspunkt bringer processen hurtigt til et stop for at opnå stålets gendannelsesegenskaber.
Skal vi droppe hårdhedsspecifikationen? Nej. Hårdhedsegenskaber er primært værdifulde som referencepunkt, når man specificerer stålrør. Hårdhed er et nyttigt mål, da det er en af ​​flere egenskaber, der bør specificeres ved bestilling af rørformet materiale og kontrolleres ved modtagelse (og bør registreres ved hver forsendelse). Når hårdhedsinspektion er inspektionsstandarden, bør den have passende skalaværdier og kontrolområder.
Det er dog ikke en sand test for kvalificering (accept eller afvisning) af materiale. Ud over hårdhed bør producenter lejlighedsvis teste forsendelser for at bestemme andre relevante egenskaber, såsom MYS, UTS eller minimal forlængelse, afhængigt af rørets anvendelse.
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 blev det første magasin dedikeret til metalrørsindustrien i 1990. I dag er det stadig den eneste publikation i Nordamerika dedikeret til industrien og er blevet den mest pålidelige informationskilde for rørfagfolk.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af The FABRICATOR, nem adgang til værdifulde ressourcer i branchen.
Den digitale udgave af The Tube & Pipe Journal er nu fuldt tilgængelig og giver nem adgang til værdifulde ressourcer fra branchen.
Få fuld adgang til den digitale udgave af STAMPING Journal, som leverer de seneste teknologiske fremskridt, bedste praksis og branchenyheder til markedet for metalprægning.
Få fuld adgang til den digitale udgave af The Additive Report for at lære, hvordan additiv fremstilling kan bruges til at forbedre driftseffektiviteten og øge profitten.
Nu med fuld adgang til den digitale udgave af The Fabricator på spansk, nem adgang til værdifulde ressourcer fra branchen.