Verschiedene Testprotokolle (Brinell, Rockwell, Vickers) verfügen über Verfahren, die auf das zu testende Projekt zugeschnitten sind. Der Rockwell-T-Test eignet sich zur Prüfung dünnwandiger Rohre, indem das Rohr der Länge nach aufgeschnitten und die Wand vom Innendurchmesser statt vom Außendurchmesser aus geprüft wird.
Einen Schlauch zu bestellen ist ein bisschen so, als würde man zu einem Autohändler gehen und dort einen Pkw oder Lkw bestellen. Heutzutage bieten die vielen verfügbaren Optionen den Käufern die Möglichkeit, das Fahrzeug auf vielfältige Weise zu individualisieren – Innen- und Außenfarben, Innenausstattungspakete, Optionen für das Außendesign, Antriebsoptionen und ein Audiosystem, das beinahe mit einem Home-Entertainment-System mithalten kann. Angesichts all dieser Optionen sind Sie möglicherweise nicht mit einem Standardfahrzeug ohne Schnickschnack zufrieden.
Stahlrohre sind genau das. Es gibt Tausende von Optionen oder Spezifikationen. Zusätzlich zu den Abmessungen listet die Spezifikation chemische und verschiedene mechanische Eigenschaften auf, wie etwa die Mindeststreckgrenze (MYS), die Zugfestigkeit (UTS) und die Mindestdehnung vor dem Versagen. Viele in der Branche – Ingenieure, Einkäufer und Hersteller – verwenden jedoch anerkannte Branchenabkürzungen, die die Verwendung „normaler“ geschweißter Rohre erfordern und nur eine Eigenschaft angeben: die Härte.
Versuchen Sie, ein Auto anhand eines einzigen Merkmals zu bestellen („Ich brauche ein Auto mit Automatikgetriebe“), und Sie werden bei einem Verkäufer nicht weit kommen. Er muss ein Bestellformular mit vielen Optionen ausfüllen. Bei Rohren ist das genau das – um das richtige Rohr für die Anwendung zu erhalten, benötigt der Rohrhersteller mehr Informationen als nur die Härte.
Wie wird die Härte zu einem anerkannten Ersatz für andere mechanische Eigenschaften? Wahrscheinlich begann es mit einem Rohrhersteller. Da die Härteprüfung schnell und einfach ist und relativ kostengünstige Geräte erfordert, verwenden Rohrverkäufer die Härteprüfung häufig, um zwei Rohre zu vergleichen. Um eine Härteprüfung durchzuführen, benötigen sie lediglich ein glattes Stück Rohr und einen Prüfstand.
Die Rohrhärte korreliert gut mit UTS und als Faustregel sind Prozentsätze oder Prozentbereiche hilfreich bei der Schätzung von MYS. Daher ist es leicht zu erkennen, dass Härteprüfungen ein geeigneter Proxy für andere Eigenschaften sein können.
Auch andere Tests sind relativ komplex. Während die Härteprüfung auf einer einzelnen Maschine nur etwa eine Minute dauert, erfordern MYS-, UTS- und Dehnungstests eine Probenvorbereitung und erhebliche Investitionen in große Laborgeräte. Zum Vergleich: Ein Rohrwalzwerkbediener benötigt für eine Härteprüfung nur Sekunden, ein professioneller Metallurgietechniker für eine Zugprüfung jedoch Stunden. Die Durchführung einer Härteprüfung ist nicht schwierig.
Dies bedeutet nicht, dass Hersteller technischer Rohre keine Härteprüfungen durchführen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass die meisten das tun, aber da sie auf allen ihren Testgeräten Bewertungen der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit durchführen, sind sie sich der Grenzen dieser Prüfung durchaus bewusst. Die meisten nutzen die Bewertung der Rohrhärte als Teil des Produktionsprozesses, aber nicht, um die Rohreigenschaften zu quantifizieren. Dies ist lediglich ein Bestehen/Nichtbestehen-Test.
Warum müssen Sie über MYS, UTS und Mindestdehnung Bescheid wissen? Sie geben an, wie sich das Rohr bei der Montage verhält.
MYS ist die Mindestkraft, die eine dauerhafte Verformung des Materials verursacht. Wenn Sie versuchen, einen geraden Draht (z. B. einen Kleiderbügel) leicht zu biegen und den Druck nachlassen, geschieht eines von zwei Dingen: Er springt in seinen ursprünglichen Zustand (gerade) zurück oder er bleibt gebogen. Wenn er immer noch gerade ist, haben Sie MYS nicht überschritten. Wenn er immer noch gebogen ist, haben Sie es überschritten.
Klemmen Sie nun beide Enden des Drahtes mit einer Zange fest. Wenn Sie den Draht in zwei Stücke reißen können, haben Sie seine Bruchgrenze überschritten. Sie üben eine starke Spannung darauf aus und haben zwei Drähte, die Ihre übermenschliche Anstrengung unter Beweis stellen. Wenn die ursprüngliche Länge des Drahtes 5 Zoll beträgt und die beiden Längen nach dem Bruch zusammen 6 Zoll ergeben, ist der Draht um 1 Zoll oder 20 % gedehnt. Der eigentliche Dehnungstest wird innerhalb von 2 Zoll vom Bruchpunkt gemessen, aber wie dem auch sei – das Zugdrahtkonzept veranschaulicht die Bruchgrenze.
Stahlmikrofotoproben müssen geschnitten, poliert und mit einer leicht sauren Lösung (normalerweise Salpetersäure und Alkohol (Nitroethanol)) geätzt werden, um die Körner sichtbar zu machen. Zur Untersuchung von Stahlkörnern und zur Bestimmung der Korngröße wird üblicherweise eine 100-fache Vergrößerung verwendet.
Die Härte ist ein Test dafür, wie ein Material auf Stöße reagiert. Stellen Sie sich vor, Sie spannen ein kurzes Stück Rohr in einen Schraubstock mit gezackten Backen und drehen den Schraubstock, um ihn zu schließen. Die Backen des Schraubstocks drücken nicht nur das Rohr flach, sondern hinterlassen auch Vertiefungen auf der Oberfläche des Rohrs.
So funktioniert der Härtetest, aber er ist nicht so grob. Dieser Test hat eine kontrollierte Aufprallgröße und einen kontrollierten Druck. Diese Kräfte verformen die Oberfläche und erzeugen eine Vertiefung oder Einkerbung. Die Größe oder Tiefe der Vertiefung bestimmt die Härte des Metalls.
Zur Beurteilung von Stahl werden gängige Härtetests wie Brinell, Vickers und Rockwell durchgeführt. Jeder Test hat seine eigene Skala und einige Tests verfügen über mehrere Testmethoden, z. B. Rockwell A, B und C. Bei Stahlrohren verweist die ASTM-Spezifikation A513 auf den Rockwell-B-Test (abgekürzt HRB oder RB). Der Rockwell-B-Test misst den Unterschied in der Durchdringung von Stahl durch eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1⁄16 Zoll zwischen einer kleinen Vorspannung und einer Primärlast von 100 kgf. Ein typisches Ergebnis für Standard-Weichstahl ist HRB 60.
Materialwissenschaftler wissen, dass die Härte linear mit der UTS zusammenhängt. Daher kann eine bestimmte Härte die UTS vorhersagen. Ebenso wissen Rohrhersteller, dass MYS und UTS zusammenhängen. Bei geschweißten Rohren beträgt MYS normalerweise 70 bis 85 % der UTS. Der genaue Wert hängt vom Verfahren zur Herstellung des Rohrs ab. Die Härte von HRB 60 korreliert mit einer UTS von 60.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI) und einem MYS von 80 % oder 48.000 PSI.
Die in der allgemeinen Fertigung am häufigsten verwendete Rohrspezifikation ist die maximale Härte. Neben der Größe war der Ingenieur daran interessiert, ein geschweißtes, elektrisch widerstandsgeschweißtes (ERW) Rohr innerhalb eines guten Arbeitsbereichs anzugeben, was dazu führen könnte, dass in der Komponentenzeichnung eine maximale Härte von möglicherweise HRB 60 angegeben wird. Allein diese Entscheidung führt zu einer Reihe endgültiger mechanischer Eigenschaften, einschließlich der Härte selbst.
Erstens ist die Härte von HRB 60 nicht sehr aussagekräftig. Der Messwert HRB 60 ist eine dimensionslose Zahl. Das mit HRB 59 bewertete Material ist weicher als das mit HRB 60 getestete Material, und HRB 61 ist härter als HRB 60 – aber um wie viel? Sie lässt sich nicht quantifizieren wie Volumen (gemessen in Dezibel), Drehmoment (gemessen in Pfund-Fuß), Geschwindigkeit (gemessen als Entfernung im Verhältnis zur Zeit) oder UTS (gemessen in Pfund pro Quadratzoll). Der Messwert HRB 60 sagt nichts Konkretes aus. Es handelt sich um eine Materialeigenschaft, nicht um eine physikalische. Zweitens eignet sich die Härteprüfung nicht für Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit. Die Prüfung zweier Stellen auf einem Prüfling, selbst wenn die Prüfstellen nahe beieinander liegen, führt oft zu großen Abweichungen bei den Härtewerten. Erschwerend kommt die Art der Prüfung hinzu. Nach der Messung einer Stelle kann diese nicht ein zweites Mal gemessen werden, um die Ergebnisse zu überprüfen. Eine Wiederholbarkeit der Prüfung ist nicht möglich.
Dies bedeutet nicht, dass die Härteprüfung unbequem ist. Tatsächlich bietet sie eine gute Orientierung für die UTS eines Materials und ist ein schneller und einfacher Test. Allerdings sollte sich jeder, der an der Spezifikation, dem Einkauf und der Herstellung von Rohren beteiligt ist, der Einschränkungen bewusst sein, die die Prüfung als Prüfparameter mit sich bringt.
Da „normale“ Rohre nicht genau definiert sind, beschränken sich die Rohrhersteller bei Bedarf häufig auf die beiden am häufigsten verwendeten Stahlrohre und Rohrtypen, die in ASTM A513 definiert sind: 1008 und 1010. Selbst nach Ausschluss aller anderen Rohrtypen sind die Möglichkeiten hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften dieser beiden Rohrtypen weit offen. Tatsächlich weisen diese Rohrtypen die größte Bandbreite an mechanischen Eigenschaften aller Typen auf.
Beispielsweise wird ein Rohr als weich beschrieben, wenn der MYS-Wert niedrig und die Dehnung hoch ist. Dies bedeutet, dass es hinsichtlich Zugfestigkeit, Durchbiegung und Verformungsverhalten bessere Ergebnisse erzielt als ein als hart beschriebenes Rohr, das einen relativ hohen MYS-Wert und eine relativ geringe Dehnung aufweist. Dies ähnelt dem Unterschied zwischen weichem und hartem Draht, wie er beispielsweise bei Kleiderbügeln und Bohrern vorkommt.
Die Dehnung selbst ist ein weiterer Faktor, der erhebliche Auswirkungen auf kritische Rohranwendungen hat. Rohre mit hoher Dehnung können Zugkräften standhalten; Materialien mit geringer Dehnung sind spröder und daher anfälliger für katastrophale Ermüdungsbrüche. Die Dehnung steht jedoch nicht in direktem Zusammenhang mit der UTS, der einzigen mechanischen Eigenschaft, die direkt mit der Härte zusammenhängt.
Warum variieren die mechanischen Eigenschaften der Rohre so stark? Erstens ist die chemische Zusammensetzung unterschiedlich. Stahl ist eine feste Lösung aus Eisen und Kohlenstoff und anderen wichtigen Legierungen. Der Einfachheit halber befassen wir uns hier nur mit den Kohlenstoffprozentsätzen. Kohlenstoffatome ersetzen einige der Eisenatome und bilden die Kristallstruktur des Stahls. ASTM 1008 ist eine allumfassende Primärsorte mit einem Kohlenstoffgehalt von 0 % bis 0,10 %. Null ist eine ganz besondere Zahl, die einzigartige Eigenschaften erzeugt, wenn der Kohlenstoffgehalt im Stahl extrem niedrig ist. ASTM 1010 gibt einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,08 % und 0,13 % an. Diese Unterschiede scheinen nicht riesig, aber sie sind groß genug, um anderswo einen großen Unterschied zu machen.
Zweitens kann das Stahlrohr in sieben verschiedenen Herstellungsverfahren hergestellt oder gefertigt und anschließend verarbeitet werden. ASTM A513 im Zusammenhang mit der ERW-Rohrproduktion listet sieben Typen auf:
Wenn die chemische Zusammensetzung des Stahls und die Schritte bei der Rohrherstellung keinen Einfluss auf die Härte des Stahls haben, welchen Einfluss hat das dann? Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine eingehende Untersuchung der Details. Diese Frage wirft zwei weitere Fragen auf: Welche Details und wie nah?
Die erste Antwort sind Details über die Körner, aus denen der Stahl besteht. Wenn Stahl in einem Primärstahlwerk hergestellt wird, kühlt er nicht zu einem riesigen Block mit einer einzigen Struktur ab. Beim Abkühlen ordnen sich die Stahlmoleküle in sich wiederholenden Mustern (Kristallen) an, ähnlich wie Schneeflocken entstehen. Nachdem sich Kristalle gebildet haben, aggregieren sie zu Gruppen, den sogenannten Körnern. Mit fortschreitender Abkühlung wachsen die Körner und bilden sich im gesamten Blech oder der Platte. Das Körnerwachstum hört auf, wenn die letzten Stahlmoleküle von den Körnern absorbiert werden. All dies geschieht auf mikroskopischer Ebene, da die durchschnittliche Größe eines Stahlkorns etwa 64 µm oder 0,0025 Zoll beträgt. Obwohl sich die Körner ähneln, sind sie nicht gleich. Sie unterscheiden sich geringfügig in Größe, Ausrichtung und Kohlenstoffgehalt. Die Grenzfläche zwischen den Körnern wird als Korngrenze bezeichnet. Wenn Stahl versagt, beispielsweise aufgrund von Ermüdungsrissen, versagt er in der Regel entlang der Korngrenzen.
Wie weit muss man schauen, um erkennbare Körner zu sehen? Eine 100-fache Vergrößerung oder das 100-fache des menschlichen Sehvermögens ist ausreichend. Allerdings verrät die bloße Betrachtung von unbehandeltem Stahl mit der 100-fachen Vergrößerung nicht viel. Die Probe wird vorbereitet, indem sie poliert und die Oberfläche mit einer Säure (normalerweise Salpetersäure und Alkohol), einem sogenannten Nitroethanol-Ätzmittel, geätzt wird.
Es sind die Körner und ihr inneres Gitter, die die Schlagfestigkeit, MYS, UTS und Dehnung bestimmen, denen ein Stahl standhalten kann, bevor er versagt.
Stahlherstellungsschritte wie Warm- und Kaltwalzen von Bändern üben Spannung auf die Kornstruktur aus. Wenn sich ihre Form dauerhaft ändert, bedeutet dies, dass die Spannung das Korn verformt. Andere Verarbeitungsschritte wie das Aufwickeln des Stahls zu Coils, das Abwickeln und das Verformen der Stahlkörner in einem Rohrwalzwerk (um das Rohr zu formen und seine Größe anzupassen) üben ebenfalls Druck auf das Material aus. Das Kaltziehen des Rohrs auf dem Dorn sowie Fertigungsschritte wie das Formen und Biegen von Enden üben ebenfalls Druck auf das Material aus. Änderungen in der Kornstruktur werden als Versetzungen bezeichnet.
Die oben genannten Schritte verringern die Duktilität des Stahls, d. h. seine Fähigkeit, Zugspannungen (Aufreißspannungen) standzuhalten. Stahl wird spröde, d. h., er bricht leichter, wenn er weiter bearbeitet wird. Die Dehnung ist eine Komponente der Duktilität (die Kompressibilität eine andere). Es ist wichtig zu verstehen, dass ein Versagen am häufigsten bei Zugspannung und nicht bei Druckspannung auftritt. Aufgrund seiner relativ hohen Dehnungskapazität ist Stahl sehr widerstandsfähig gegen Zugspannung. Unter Druckspannung verformt sich Stahl jedoch leicht – er ist duktil –, was ein Vorteil ist.
Beton hat eine hohe Druckfestigkeit, aber eine geringe Duktilität im Vergleich zu Beton. Diese Eigenschaften sind denen von Stahl entgegengesetzt. Deshalb wird Beton für Straßen, Gebäude und Gehwege häufig mit Bewehrungsstahl versehen. Das Ergebnis ist ein Produkt mit den Stärken zweier Materialien: Unter Spannung ist Stahl stark und unter Druck Beton.
Während der Kaltbearbeitung nimmt die Duktilität des Stahls ab, während seine Härte zunimmt. Mit anderen Worten: Er härtet aus. Je nach Situation kann dies ein Vorteil sein, es kann jedoch auch ein Nachteil sein, da Härte mit Sprödigkeit gleichgesetzt wird. Das heißt, je härter Stahl wird, desto weniger elastisch wird er und desto wahrscheinlicher ist es, dass er versagt.
Mit anderen Worten: Jeder Prozessschritt verbraucht einen Teil der Duktilität des Rohrs. Es wird im Laufe der Bearbeitung härter, und wenn es zu hart ist, ist es im Grunde nutzlos. Härte ist Sprödigkeit, und ein sprödes Rohr versagt wahrscheinlich bei der Verwendung.
Hat der Hersteller in diesem Fall irgendwelche Optionen? Kurz gesagt, ja. Diese Option ist das Glühen, und obwohl es nicht gerade magisch ist, kommt es der Magie so nahe, wie es nur geht.
Einfach ausgedrückt beseitigt das Glühen alle Auswirkungen physikalischer Spannungen auf das Metall. Bei diesem Prozess wird das Metall auf eine Spannungsabbau- oder Rekristallisationstemperatur erhitzt, wodurch Versetzungen beseitigt werden. Je nach der beim Glühprozess verwendeten Temperatur und Dauer wird dadurch seine Duktilität teilweise oder vollständig wiederhergestellt.
Glühen und kontrolliertes Abkühlen fördern das Kornwachstum. Dies ist vorteilhaft, wenn die Sprödigkeit des Materials verringert werden soll. Unkontrolliertes Kornwachstum kann das Metall jedoch zu sehr erweichen und es für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar machen. Das Stoppen des Glühprozesses ist eine weitere, nahezu magische Sache. Durch Abschrecken bei der richtigen Temperatur mit dem richtigen Abschreckmittel zum richtigen Zeitpunkt wird der Prozess schnell gestoppt, um die Wiederherstellungseigenschaften des Stahls zu erhalten.
Sollten wir die Härtespezifikation fallen lassen? Nein. Härteeigenschaften sind in erster Linie als Referenzpunkt bei der Spezifikation von Stahlrohren wertvoll. Als nützliches Maß ist die Härte eine von mehreren Eigenschaften, die bei der Bestellung von Rohrmaterial angegeben und beim Erhalt überprüft werden sollten (und bei jeder Lieferung aufgezeichnet werden sollten). Wenn die Härteprüfung der Prüfstandard ist, sollte sie über entsprechende Skalenwerte und Kontrollbereiche verfügen.
Es handelt sich jedoch nicht um einen echten Test zur Qualifizierung (Annahme oder Ablehnung) von Material. Zusätzlich zur Härte sollten Hersteller Lieferungen gelegentlich testen, um andere relevante Eigenschaften wie MYS, UTS oder Mindestdehnung zu bestimmen, abhängig von der Anwendung des Rohrs.
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