Verschiedene Testprotokolle (Brinell, Rockwell, Vickers) verfügen über spezifische Verfahren für das zu testende Projekt. Der Rockwell-T-Test eignet sich für die Prüfung von dünnwandigen Rohren, indem das Rohr der Länge nach geschnitten und die Wand vom Innendurchmesser statt vom Außendurchmesser getestet wird.
Die Bestellung eines Schlauchs ist ein bisschen so, als würde man zu einem Autohändler gehen und ein Auto oder einen LKW bestellen. Heutzutage ermöglichen die vielen verfügbaren Optionen Käufern, das Fahrzeug auf vielfältige Weise anzupassen – Innen- und Außenfarben, Innenausstattungspakete, Optionen für das Außendesign, Antriebsstrangoptionen und ein Audiosystem, das fast mit einem Home-Entertainment-System mithalten kann. Angesichts all dieser Optionen werden Sie mit einem Standardfahrzeug ohne Schnickschnack möglicherweise nicht zufrieden sein.
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 z. B. die Mindeststreckgrenze (MYS), die Zugfestigkeit (UTS) und die Mindestdehnung vor Bruch. Allerdings verwenden viele in der Branche – Ingenieure, Einkäufer und Hersteller – branchenübliche Abkürzungen, die die Verwendung „normaler“ geschweißter Rohre erfordern und nur eine Eigenschaft angeben: Härte.
Versuchen Sie, ein Auto nach einem einzigen Merkmal zu bestellen („Ich brauche ein Auto mit Automatikgetriebe“), und mit einem Verkäufer kommen Sie nicht weit. Er muss ein Bestellformular mit vielen Optionen ausfüllen. Rohr ist genau das – um das richtige Rohr für die Anwendung zu erhalten, benötigt der Rohrhersteller mehr Informationen als nur die Härte.
Wie wird Härte zu einem anerkannten Ersatz für andere mechanische Eigenschaften? Angefangen hat es wahrscheinlich mit einem Rohrhersteller. Da die Härteprüfung schnell und einfach ist und eine relativ kostengünstige Ausrüstung erfordert, verwenden Rohrverkäufer häufig die Härteprüfung, um zwei Rohre zu vergleichen. Um eine Härteprüfung durchzuführen, benötigen sie lediglich ein glattes Rohrstück und einen Prüfstand.
Die Rohrhärte korreliert gut mit der UTS. Als Faustregel gilt, dass Prozentsätze oder Prozentbereiche bei der Schätzung von MYS hilfreich sind, sodass leicht zu erkennen ist, wie die Härteprüfung ein geeigneter Indikator für andere Eigenschaften sein kann.
Auch andere Tests sind relativ komplex. Während die Härteprüfung auf einer einzigen Maschine nur etwa eine Minute dauert, erfordern MYS-, UTS- und Dehnungsprüfungen eine Probenvorbereitung und erhebliche Investitionen in große Laborgeräte. Zum Vergleich: Ein Rohrmühlenbetreiber benötigt Sekunden für die Durchführung einer Härteprüfung und Stunden für einen professionellen Metallurgietechniker für die Durchführung einer Zugprüfung. Die Durchführung einer Härteprüfung ist nicht schwierig.
Das soll nicht heißen, dass die Hersteller technischer Rohre keine Härteprüfungen durchführen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass die meisten Menschen dies tun, aber da sie die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messgeräten auf allen ihren Prüfgeräten bewerten, sind sie sich der Grenzen der Prüfung bewusst. Die meisten nutzen die Beurteilung der Rohrhärte als Teil des Produktionsprozesses, nutzen sie jedoch nicht zur Quantifizierung der Rohreigenschaften. Dies ist nur ein Pass/Fail-Test.
Warum müssen Sie über MYS, UTS und Mindestdehnung Bescheid wissen? Sie geben an, wie sich das Rohr beim Zusammenbau verhält.
MYS ist die minimale Kraft, die eine dauerhafte Verformung des Materials hervorruft. Wenn Sie versuchen, einen geraden Draht (z. B. einen Kleiderbügel) leicht zu biegen und den Druck nachzulassen, geschieht eines von zwei Dingen: Er springt in seinen ursprünglichen Zustand (gerade) zurück oder er bleibt gebogen. Wenn er immer noch gerade ist, sind Sie nicht an MYS vorbeigekommen. Wenn er immer noch gebogen ist, haben Sie ihn überschritten.
Klemmen Sie nun beide Enden des Drahts mit einer Zange fest. Wenn Sie den Draht in zwei Teile reißen können, haben Sie seine UTS überschritten. Sie üben große Spannung darauf aus und haben zwei Drähte, um Ihre übermenschliche Leistung zu zeigen. Wenn die ursprüngliche Länge des Drahts 5 Zoll beträgt und die beiden Längen nach dem Bruch zusammen 6 Zoll ergeben, wird der Draht um 1 Zoll oder 20 % gedehnt UTS.
Mikrofotografische Stahlproben müssen mit einer leicht sauren Lösung (normalerweise Salpetersäure und Alkohol (Nitroethanol)) geschnitten, poliert und geätzt werden, um die Körner sichtbar zu machen. Zur Inspektion 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 legen ein kurzes Rohrstück in einen Schraubstock mit gezahnten Backen und drehen den Schraubstock zum Schließen. Die Backen des Schraubstocks glätten nicht nur das Rohr, sondern hinterlassen auch Vertiefungen auf der Oberfläche des Rohrs.
So funktioniert der Härtetest, aber er ist nicht so grob. Dieser Test hat eine kontrollierte Schlaggröße und einen kontrollierten Druck. Diese Kräfte verformen die Oberfläche und erzeugen eine Vertiefung oder Vertiefung. Die Größe oder Tiefe der Vertiefung bestimmt die Härte des Metalls.
Für die Bewertung von Stahl sind Brinell-, Vickers- und Rockwell-Härtetests üblich. Jeder hat seine eigene Skala und einige haben mehrere Testmethoden, wie Rockwell A, B und C. Für Stahlrohre verweist die ASTM-Spezifikation A513 auf den Rockwell-B-Test (abgekürzt als 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 typisch 100 kgf.A Das Ergebnis für Standard-Baustahl ist HRB 60.
Materialwissenschaftler wissen, dass die Härte linear mit der UTS zusammenhängt. Daher kann eine gegebene Härte die UTS vorhersagen. Ebenso wissen Rohrhersteller, dass MYS und UTS zusammenhängen. Bei geschweißten Rohren beträgt MYS typischerweise 70 % bis 85 % der UTS 0 PSI.
Die gebräuchlichste Rohrspezifikation in der allgemeinen Fertigung ist die maximale Härte. Zusätzlich zur Größe ging es dem Ingenieur darum, ein geschweißtes elektrisch widerstandsgeschweißtes (ERW) Rohr innerhalb eines guten Arbeitsbereichs zu spezifizieren, was dazu führen könnte, dass eine maximale Härte von möglicherweise HRB 60 in der Bauteilzeichnung seinen Weg findet. Allein diese Entscheidung führt zu einer Reihe endgültiger mechanischer Eigenschaften, einschließlich der Härte selbst.
Erstens sagt uns die Härte von HRB 60 nicht viel. Der Wert 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? Es kann nicht quantifiziert werden wie Volumen (gemessen in Dezibel), Drehmoment (gemessen in Pfund-Fuß), Geschwindigkeit (gemessen in Abstand relativ zur Zeit) oder UTS (gemessen in Pfund pro Quadrat). Zoll).Die Ablesung von HRB 60 sagt uns nichts Spezifisches. Dies ist eine Eigenschaft des Materials, aber keine physikalische Eigenschaft. Zweitens eignet sich die Härteprüfung nicht für Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit. Die Bewertung zweier Stellen auf einem Prüfling, selbst wenn die Prüfstellen nahe beieinander liegen, führt häufig zu großen Abweichungen bei den Härtemesswerten. Dieses Problem liegt in der Natur der Prüfung. Nachdem eine Position gemessen wurde, kann sie nicht ein zweites Mal gemessen werden, um die Ergebnisse zu überprüfen. Eine Wiederholbarkeit der Prüfung ist nicht möglich.
Dies bedeutet nicht, dass die Härteprüfung umständlich ist. Tatsächlich bietet sie einen guten Anhaltspunkt für die UTS eines Materials und ist eine schnelle und einfach durchzuführende Prüfung. Allerdings sollte sich jeder, der an der Spezifikation, dem Kauf und der Herstellung von Rohren beteiligt ist, der Einschränkungen als Prüfparameter bewusst sein.
Da „normale“ Rohre nicht genau definiert sind, beschränken Rohrhersteller sie bei Bedarf oft auf die beiden am häufigsten verwendeten Stahlrohre und Rohrtypen gemäß ASTM A513: 1008 und 1010. Selbst nach dem Verzicht auf alle anderen Rohrtypen sind die Möglichkeiten hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften dieser beiden Rohrtypen weit offen. Tatsächlich weisen diese Rohrtypen das größte Spektrum an mechanischen Eigenschaften aller Typen auf.
Beispielsweise wird ein Rohr als weich beschrieben, wenn MYS niedrig und die Dehnung hoch ist, was bedeutet, dass es eine bessere Zug-, Durchbiegungs- und Verformungsleistung aufweist als ein als hart beschriebenes Rohr, das ein relativ hohes MYS und eine relativ geringe Dehnung aufweist. Dies ähnelt dem Unterschied zwischen weichem und hartem Draht, wie z. B. Kleiderbügeln und Bohrern.
Die Dehnung selbst ist ein weiterer Faktor, der sich erheblich auf kritische Rohranwendungen auswirkt. Rohre mit hoher Dehnung können Zugkräften standhalten;Materialien mit geringer Dehnung sind spröder und daher anfälliger für katastrophale Ermüdungsausfälle. Die Dehnung steht jedoch nicht in direktem Zusammenhang mit UTS, der einzigen mechanischen Eigenschaft, die direkt mit der Härte zusammenhängt.
Warum unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften der Rohre so stark? Erstens ist die chemische Zusammensetzung unterschiedlich. Stahl ist eine feste Lösung aus Eisen und Kohlenstoff sowie anderen wichtigen Legierungen M 1010 gibt einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,08 % und 0,13 % an. Diese Unterschiede scheinen nicht groß zu sein, sind aber groß genug, um anderswo einen großen Unterschied zu machen.
Zweitens kann das Stahlrohr in sieben verschiedenen Herstellungsprozessen hergestellt oder hergestellt und anschließend verarbeitet werden. ASTM A513 in Bezug auf die ERW-Rohrproduktion listet sieben Typen auf:
Wenn die chemische Zusammensetzung des Stahls und die Rohrherstellungsschritte keinen Einfluss auf die Härte des Stahls haben, was dann? Die Beantwortung dieser Frage bedeutet, über die Details nachzudenken. Diese Frage wirft zwei weitere Fragen auf: Welche Details und wie nah?
Details zu den Körnern, aus denen der Stahl besteht, sind die erste Antwort. Wenn Stahl in einem primären Stahlwerk hergestellt wird, kühlt er nicht zu einem riesigen Block mit einem einzigen Merkmal ab. Während der Stahl abkühlt, organisieren sich die Moleküle des Stahls in sich wiederholenden Mustern (Kristallen), ähnlich wie bei der Bildung von Schneeflocken. Nachdem sich Kristalle gebildet haben, sammeln sie sich zu Gruppen an, die Körner genannt werden. Mit fortschreitender Abkühlung wachsen Körner und bilden sich im gesamten Blech oder der Platte. Die Körner hören auf zu wachsen, wenn die letzten Stahlmoleküle von den Körnern absorbiert werden. All dies Dies geschieht auf mikroskopischer Ebene, da die durchschnittliche Größe eines Stahlkorns etwa 64 µ oder 0,0025 Zoll breit ist. Obwohl jedes Korn dem anderen ähnelt, sind sie nicht gleich. Sie unterscheiden sich geringfügig in Größe, Ausrichtung und Kohlenstoffgehalt. Die Grenzfläche zwischen den Körnern wird Korngrenze genannt. Wenn Stahl beispielsweise aufgrund von Ermüdungsrissen versagt, neigt er dazu, entlang der Korngrenzen zu versagen.
Wie weit muss man blicken, um erkennbare Körner zu erkennen? Eine 100-fache Vergrößerung bzw. eine 100-fache Vergrößerung des menschlichen Sehvermögens reicht aus. Allerdings verrät ein bloßer Blick auf unbehandelten Stahl bei 100-facher Vergrößerung nicht viel. Die Probe wird durch Polieren der Probe und Ätzen der Oberfläche mit einer Säure (normalerweise Salpetersäure und Alkohol), einem sogenannten Nitroethanol-Ätzmittel, vorbereitet.
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 das Warm- und Kaltwalzen von Bändern üben Spannungen auf die Kornstruktur aus;Wenn sie ihre Form dauerhaft ändern, bedeutet dies, dass die Spannung das Korn verformt. Andere Verarbeitungsschritte, wie das Aufwickeln des Stahls zu Spulen, das Abwickeln und das Verformen der Stahlkörner durch eine Rohrmühle (um das Rohr zu formen und zu dimensionieren). Das Kaltziehen des Rohrs auf dem Dorn übt ebenfalls Druck auf das Material aus, ebenso wie Herstellungsschritte wie Endformen und Biegen. Änderungen in der Kornstruktur werden als Versetzungen bezeichnet.
Die oben genannten Schritte schwächen die Duktilität des Stahls ab, d. h. seine Fähigkeit, einer Zugbeanspruchung (Aufziehspannung) standzuhalten. Stahl wird spröde, was bedeutet, dass er leichter bricht, wenn Sie weiter daran arbeiten. Dehnung ist eine Komponente der Duktilität (Kompressibilität eine andere). Es ist wichtig zu verstehen, dass Versagen am häufigsten bei Zugbeanspruchung und nicht bei Kompression auftritt. Stahl ist aufgrund seiner relativ hohen Dehnungskapazität sehr widerstandsfähig gegen Zugbeanspruchung. Stahl verformt sich jedoch leicht unter Druckbeanspruchung – er ist duktil – was ein Vorteil ist.
Beton hat eine hohe Druckfestigkeit, aber im Vergleich zu Beton eine geringe Duktilität. Diese Eigenschaften sind denen von Stahl entgegengesetzt. Deshalb wird Beton, der für Straßen, Gebäude und Gehwege verwendet wird, oft mit Bewehrungsstäben versehen. Das Ergebnis ist ein Produkt mit der Stärke von zwei Materialien: Unter Spannung ist Stahl stark und unter Druck ist Beton.
Während der Kaltumformung nimmt die Duktilität des Stahls ab und seine Härte nimmt zu. Mit anderen Worten: Er härtet aus. Abhängig von der Situation kann dies von Vorteil sein;Dies kann jedoch ein Nachteil sein, da Härte mit Sprödigkeit gleichgesetzt wird. Das heißt, je härter Stahl wird, desto weniger elastisch wird er.Daher ist es wahrscheinlicher, dass es scheitert.
Mit anderen Worten, jeder Prozessschritt verbraucht einen Teil der Duktilität des Rohrs. Es wird härter, je mehr das Teil arbeitet, und wenn es zu hart ist, ist es im Grunde genommen nutzlos. Härte ist Sprödigkeit, und ein sprödes Rohr wird bei der Verwendung wahrscheinlich versagen.
Hat der Hersteller in diesem Fall irgendwelche Optionen? Kurz gesagt, ja. Diese Option ist Ausheilen, und obwohl sie nicht ganz magisch ist, kommt sie der Magie so nahe, wie es nur geht.
Laienhaft ausgedrückt beseitigt das Glühen alle Auswirkungen physikalischer Spannungen auf das Metall. Dieser Prozess erhitzt das Metall auf eine Spannungsabbau- oder Rekristallisationstemperatur und beseitigt dadurch Versetzungen. Abhängig von der spezifischen Temperatur und Zeit, die beim Glühprozess verwendet wird, stellt der Prozess so seine Duktilität teilweise oder vollständig wieder her.
Glühen und kontrollierte Abkühlung fördern das Kornwachstum. Dies ist von Vorteil, wenn das Ziel darin besteht, die Sprödigkeit des Materials zu verringern, aber unkontrolliertes Kornwachstum kann das Metall zu sehr erweichen und es für die beabsichtigte Verwendung unbrauchbar machen. Das Stoppen des Glühprozesses ist eine weitere nahezu magische Sache. Das Abschrecken bei der richtigen Temperatur mit dem richtigen Abschreckmittel zur richtigen Zeit bringt den Prozess schnell zum Stillstand, um die Erholungseigenschaften des Stahls zu erreichen.
Sollten wir die Härteangabe streichen? Nein. Härteeigenschaften sind in erster Linie als Bezugspunkt bei der Spezifikation von Stahlrohren wertvoll. Die Härte ist ein nützliches Maß und eines von mehreren Merkmalen, die bei der Bestellung von Rohrmaterial angegeben und bei Erhalt überprüft werden sollten (und bei jeder Lieferung aufgezeichnet werden sollten). Wenn die Härteprüfung der Prüfstandard ist, sollten geeignete Skalenwerte und Kontrollbereiche vorhanden sein.
Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen echten Test für die Eignung (Annahme oder Ablehnung) von Material. Zusätzlich zur Härte sollten Hersteller ihre Sendungen gelegentlich testen, um je nach Verwendungszweck des Rohrs andere relevante Eigenschaften wie MYS, UTS oder Mindestdehnung zu bestimmen.
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Tube & Pipe Journal war 1990 das erste Magazin, das sich der Metallrohrindustrie widmete. Bis heute ist es die einzige Publikation in Nordamerika, die sich dieser Branche widmet, und hat sich zur vertrauenswürdigsten Informationsquelle für Rohrfachleute entwickelt.
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