Varios protocolos de prueba (Brinell, Rockwell, Vickers) tienen procedimientos específicos para el proyecto bajo prueba. La prueba T de Rockwell es adecuada para inspeccionar tubos de paredes livianas cortando el tubo a lo largo y probando la pared desde el diámetro interno en lugar del diámetro externo.
Solicitar un tubo es un poco como ir a un concesionario de automóviles y pedir un automóvil o camioneta. Hoy en día, las muchas opciones disponibles permiten a los compradores personalizar el vehículo de diversas maneras: colores interiores y exteriores, paquetes de acabados interiores, opciones de estilo exterior, opciones de tren motriz y un sistema de audio que casi rivaliza con un sistema de entretenimiento en el hogar. Dadas todas estas opciones, es posible que no esté satisfecho con un vehículo estándar y sin lujos.
Las tuberías de acero son justamente eso. Tienen miles de opciones o especificaciones. Además de las dimensiones, la especificación enumera propiedades químicas y varias propiedades mecánicas, como el límite elástico mínimo (MYS), la resistencia máxima a la tracción (UTS) y la elongación mínima antes de la falla. Sin embargo, muchos en la industria (ingenieros, agentes de compras y fabricantes) utilizan abreviaturas aceptadas en la industria que requieren el uso de tuberías soldadas "normales" y especifican solo una característica: dureza.
Intente pedir un automóvil por una sola característica ("Necesito un automóvil con transmisión automática") y no llegará muy lejos con un vendedor. Tiene que completar un formulario de pedido con muchas opciones. La tubería es solo eso: para obtener la tubería correcta para la aplicación, el fabricante de la tubería necesita más información que solo la dureza.
¿Cómo se convierte la dureza en un sustituto reconocido de otras propiedades mecánicas? Probablemente comenzó con un fabricante de tubos. Debido a que las pruebas de dureza son rápidas, fáciles y requieren equipos relativamente económicos, los vendedores de tubos a menudo utilizan pruebas de dureza para comparar dos tubos. Para realizar una prueba de dureza, todo lo que necesitan es un trozo liso de tubería y un soporte de prueba.
La dureza del tubo se correlaciona bien con UTS y, como regla general, los porcentajes o rangos de porcentajes son útiles para estimar MYS, por lo que es fácil ver cómo las pruebas de dureza pueden ser un indicador adecuado para otras propiedades.
Además, otras pruebas son relativamente complejas. Mientras que las pruebas de dureza toman solo un minuto aproximadamente en una sola máquina, las pruebas MYS, UTS y de elongación requieren una preparación de muestra y una inversión significativa en equipos de laboratorio grandes. A modo de comparación, un operador de un molino de tubos tarda segundos en realizar una prueba de dureza y un técnico metalúrgico profesional horas en realizar una prueba de tracción. No es difícil realizar una verificación de dureza.
Esto no quiere decir que los fabricantes de tubos de ingeniería no utilicen pruebas de dureza. Es seguro decir que la mayoría de las personas lo hacen, pero debido a que realizan evaluaciones de repetibilidad y reproducibilidad de calibre en todos sus equipos de prueba, son muy conscientes de las limitaciones de la prueba. La mayoría utiliza la evaluación de la dureza del tubo como parte del proceso de producción, pero no la utilizan para cuantificar las propiedades del tubo. Esta es solo una prueba de aprobado/reprobado.
¿Por qué es necesario conocer MYS, UTS y elongación mínima? Indican cómo se comportará el tubo en el ensamblaje.
MYS es la fuerza mínima que provoca la deformación permanente del material. Si intentas doblar ligeramente un alambre recto (como una percha) y liberas la presión, ocurrirá una de dos cosas: volverá a su estado original (recto) o permanecerá doblado. Si sigue recto, no has superado MYS. Si sigue doblado, lo has superado.
Ahora, usa unos alicates para sujetar ambos extremos del cable. Si puedes romper el cable en dos pedazos, has superado su UTS. Le pones mucha tensión y tienes dos cables para demostrar tu esfuerzo sobrehumano. Si la longitud original del cable es de 5 pulgadas, y las dos longitudes después de la falla suman 6 pulgadas, el cable se estira 1 pulgada, o 20%. La prueba de alargamiento real se mide a 2 pulgadas del punto de falla, pero sea como sea, el concepto de cable de tracción ilustra el UTS.
Las muestras de fotomicrografía de acero deben cortarse, pulirse y grabarse utilizando una solución ligeramente ácida (generalmente ácido nítrico y alcohol (nitroetanol)) para que los granos sean visibles. Un aumento de 100x se utiliza comúnmente para inspeccionar los granos de acero y determinar el tamaño del grano.
La dureza es una prueba de cómo responde un material al impacto. Imagine colocar un trozo corto de tubería en una prensa con mordazas dentadas y girar la prensa para cerrarla. Además de aplanar el tubo, las mordazas de la prensa también dejan hendiduras en la superficie del tubo.
Así es como funciona la prueba de dureza, pero no es tan tosca. Esta prueba tiene un tamaño de impacto controlado y una presión controlada. Estas fuerzas deforman la superficie, creando una hendidura o sangría. El tamaño o la profundidad de la hendidura determina la dureza del metal.
Para evaluar el acero, las pruebas de dureza comunes son Brinell, Vickers y Rockwell. Cada una tiene su propia escala y algunas tienen múltiples métodos de prueba, como Rockwell A, B y C. Para las tuberías de acero, la especificación ASTM A513 hace referencia a la prueba Rockwell B (abreviada como HRB o RB). La prueba Rockwell B mide la diferencia en la penetración del acero por una bola de acero de 1/16 de pulgada de diámetro entre una precarga pequeña y una carga primaria de 100 kgf. Un resultado típico para el acero dulce estándar es HRB 60.
Los científicos de materiales saben que la dureza está relacionada linealmente con la UTS. Por lo tanto, una dureza dada puede predecir la UTS. Del mismo modo, los fabricantes de tubos saben que la MYS y la UTS están relacionadas. Para las tuberías soldadas, la MYS suele ser del 70% al 85% de la UTS. La cantidad exacta depende del proceso de fabricación del tubo. La dureza de HRB 60 se correlaciona con una UTS de 60 000 libras por pulgada cuadrada (PSI) y una MYS del 80 %, o 48 000 PSI.
La especificación de tubería más común en la fabricación general es la dureza máxima. Además del tamaño, el ingeniero estaba preocupado por especificar una tubería soldada por resistencia eléctrica (ERW) dentro de un buen rango de trabajo, lo que podría dar como resultado una dureza máxima de posiblemente HRB 60 en el plano del componente. Esta decisión por sí sola conduce a una variedad de propiedades mecánicas finales, incluida la dureza misma.
En primer lugar, la dureza de HRB 60 no nos dice mucho. La lectura de HRB 60 es un número adimensional. El material evaluado con HRB 59 es más blando que el material probado con HRB 60, y HRB 61 es más duro que HRB 60, pero ¿en cuánto? No se puede cuantificar como el volumen (medido en decibelios), el torque (medido en libras-pie), la velocidad (medida en distancia relativa al tiempo) o UTS (medido en libras por pulgada cuadrada). La lectura de HRB 60 no nos dice nada específico. Esta es una propiedad del material, pero no una propiedad física. En segundo lugar, las pruebas de dureza no son adecuadas para la repetibilidad o reproducibilidad. La evaluación de dos ubicaciones en una muestra de prueba, incluso si las ubicaciones de prueba están cerca una de la otra, a menudo resulta en una gran variación en las lecturas de dureza. A este problema se suma la naturaleza de la prueba. Después de medir una posición, no se puede medir una segunda vez para verificar los resultados. La repetibilidad de la prueba no es... posible.
Esto no significa que la prueba de dureza sea incómoda. De hecho, proporciona una buena guía para la UTS de un material y es una prueba rápida y fácil de realizar. Sin embargo, todos los involucrados en la especificación, compra y fabricación de tubos deben ser conscientes de sus limitaciones como parámetro de prueba.
Debido a que las tuberías "normales" no están bien definidas, cuando es necesario, los fabricantes de tuberías a menudo las reducen a los dos tipos de tuberías de acero más utilizados definidos en ASTM A513: 1008 y 1010. Incluso después de eliminar todos los demás tipos de tubos, las posibilidades en términos de propiedades mecánicas de estos dos tipos de tubos están abiertas. De hecho, estos tipos de tubos tienen la gama más amplia de propiedades mecánicas de cualquier tipo.
Por ejemplo, un tubo se describe como blando si el MYS es bajo y el alargamiento es alto, lo que significa que tiene un mejor desempeño en tracción, deflexión y ajuste que un tubo descrito como duro, que tiene un MYS relativamente alto y un alargamiento relativamente bajo. Esto es similar a la diferencia entre alambre blando y duro, como perchas y taladros.
La elongación en sí es otro factor que tiene un impacto significativo en las aplicaciones críticas de tuberías. Los tubos con alta elongación pueden soportar fuerzas de tracción; los materiales con baja elongación son más frágiles y, por lo tanto, más propensos a fallas catastróficas de tipo fatiga. Sin embargo, la elongación no está directamente relacionada con la UTS, que es la única propiedad mecánica directamente relacionada con la dureza.
¿Por qué varían tanto las propiedades mecánicas de los tubos? En primer lugar, la composición química es diferente. El acero es una solución sólida de hierro, carbono y otras aleaciones importantes. Para simplificar, aquí solo abordaremos los porcentajes de carbono. Los átomos de carbono reemplazan algunos de los átomos de hierro, formando la estructura cristalina del acero. La norma ASTM 1008 es un grado primario integral con un contenido de carbono del 0 % al 0,10 %. El cero es un número muy especial que produce propiedades únicas cuando el contenido de carbono en el acero es ultrabajo. La norma ASTM 1010 especifica un contenido de carbono entre el 0,08 % y el 0,13 %. Estas diferencias no parecen enormes, pero son lo suficientemente grandes como para marcar una gran diferencia en otros aspectos.
En segundo lugar, la tubería de acero se puede fabricar o fabricar y posteriormente procesar en siete procesos de fabricación diferentes. La norma ASTM A513 relacionada con la producción de tuberías ERW enumera siete tipos:
Si la composición química del acero y los pasos de fabricación del tubo no tienen ningún efecto sobre la dureza del acero, ¿qué es? Responder a esta pregunta significa analizar los detalles. Esta pregunta plantea dos preguntas más: ¿Qué detalles y con qué precisión?
Los detalles sobre los granos que componen el acero son la primera respuesta. Cuando el acero se fabrica en una acería primaria, no se enfría en un bloque enorme con una sola característica. A medida que el acero se enfría, las moléculas del acero se organizan en patrones repetitivos (cristales), de forma similar a cómo se forman los copos de nieve. Después de que se forman los cristales, se agregan en grupos llamados granos. A medida que avanza el enfriamiento, los granos crecen y se forman en toda la lámina o placa. Los granos dejan de crecer a medida que las últimas moléculas de acero son absorbidas por los granos. Todo esto sucede a nivel microscópico porque el tamaño promedio del grano de acero es de aproximadamente 64 µ o 0,0025 pulgadas de ancho. Si bien cada grano es similar al siguiente, no son iguales. Varían ligeramente en tamaño, orientación y contenido de carbono. La interfaz entre los granos se llama límite de grano. Cuando el acero falla, por ejemplo debido a grietas por fatiga, tiende a fallar a lo largo de los límites de grano.
¿Hasta dónde hay que mirar para ver granos discernibles? Un aumento de 100x, o la visión humana de 100x, es suficiente. Sin embargo, simplemente mirar acero sin tratar con 100 veces más aumento no revela mucho. La muestra se prepara puliendo la muestra y grabando la superficie con un ácido (generalmente ácido nítrico y alcohol) llamado grabador de nitroetanol.
Son los granos y su red interna los que determinan la resistencia al impacto, MYS, UTS y elongación que un acero puede soportar antes de fallar.
Los pasos de fabricación de acero, como el laminado en caliente y en frío de tiras, aplican tensión en la estructura del grano; si cambian de forma permanentemente, esto significa que la tensión deforma el grano. Otros pasos de procesamiento, como enrollar el acero en bobinas, desenrollarlo y deformar los granos de acero a través de un laminador de tubos (para formar y dimensionar el tubo), el estirado en frío del tubo en el mandril también ejerce presión sobre el material, al igual que los pasos de fabricación como el conformado y doblado de los extremos. Los cambios en la estructura del grano se denominan dislocaciones.
Los pasos anteriores reducen la ductilidad del acero, que es su capacidad de soportar la tensión de tracción (apertura). El acero se vuelve frágil, lo que significa que es más probable que se rompa si sigue trabajando en él. El alargamiento es un componente de la ductilidad (la compresibilidad es otro). Es importante entender que la falla ocurre con mayor frecuencia durante la tensión de tracción, no la compresión. El acero es muy resistente a la tensión de tracción debido a su capacidad de alargamiento relativamente alta. Sin embargo, el acero se deforma fácilmente bajo tensión de compresión (es dúctil), lo cual es una ventaja.
El hormigón tiene una alta resistencia a la compresión pero una baja ductilidad en comparación con el hormigón. Estas propiedades son opuestas a las del acero. Es por eso que el hormigón utilizado para carreteras, edificios y aceras a menudo está equipado con barras de refuerzo. El resultado es un producto con las resistencias de dos materiales: bajo tensión, el acero es fuerte y, bajo presión, el hormigón.
Durante el trabajo en frío, a medida que disminuye la ductilidad del acero, aumenta su dureza; en otras palabras, se endurecerá. Dependiendo de la situación, esto puede ser un beneficio; sin embargo, puede ser una desventaja, ya que la dureza se equipara con la fragilidad. Es decir, a medida que el acero se vuelve más duro, se vuelve menos elástico; por lo tanto, es más probable que falle.
En otras palabras, cada paso del proceso consume parte de la ductilidad de la tubería. Se vuelve más dura a medida que la pieza trabaja, y si es demasiado dura es básicamente inútil. La dureza es fragilidad, y es probable que un tubo frágil falle cuando se usa.
¿Tiene el fabricante alguna opción en este caso? En resumen, sí. Esa opción es el recocido, y si bien no es del todo mágico, es lo más cercano a la magia que se puede conseguir.
En términos sencillos, el recocido elimina todos los efectos de la tensión física sobre el metal. Este proceso calienta el metal a una temperatura de alivio de tensión o recristalización, eliminando así las dislocaciones. Dependiendo de la temperatura específica y el tiempo utilizado en el proceso de recocido, el proceso restaura parte o la totalidad de su ductilidad.
El recocido y el enfriamiento controlado promueven el crecimiento del grano. Esto es beneficioso si el objetivo es reducir la fragilidad del material, pero el crecimiento descontrolado del grano puede ablandar demasiado el metal, volviéndolo inutilizable para el uso previsto. Detener el proceso de recocido es otra cosa casi mágica. El enfriamiento a la temperatura adecuada con el agente de enfriamiento adecuado en el momento adecuado detiene rápidamente el proceso para obtener las propiedades de recuperación del acero.
¿Deberíamos eliminar la especificación de dureza? No. Las características de dureza son valiosas principalmente como punto de referencia al especificar tubos de acero. Una medida útil, la dureza es una de varias características que se deben especificar al solicitar material tubular y verificar al recibirlo (y se debe registrar con cada envío). Cuando la inspección de dureza es el estándar de inspección, debe tener valores de escala y rangos de control apropiados.
Sin embargo, no es una prueba real para calificar (aceptar o rechazar) el material. Además de la dureza, los fabricantes deben ocasionalmente probar los envíos para determinar otras propiedades relevantes, como MYS, UTS o elongación mínima, dependiendo de la aplicación del tubo.
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 se convirtió en la primera revista dedicada a servir a la industria de tuberías de metal en 1990. Hoy en día, sigue siendo la única publicación en América del Norte dedicada a la industria y se ha convertido en la fuente de información más confiable para los profesionales de las tuberías.
Ahora con acceso completo a la edición digital de The FABRICATOR, fácil acceso a valiosos recursos de la industria.
La edición digital de The Tube & Pipe Journal ahora es totalmente accesible y proporciona un fácil acceso a valiosos recursos de la industria.
Disfrute de acceso completo a la edición digital de STAMPING Journal, que ofrece los últimos avances tecnológicos, mejores prácticas y noticias de la industria para el mercado de estampación de metales.
Disfrute de acceso completo a la edición digital de The Additive Report para aprender cómo se puede utilizar la fabricación aditiva para mejorar la eficiencia operativa y aumentar las ganancias.
Ahora con acceso completo a la edición digital de The Fabricator en Español, fácil acceso a valiosos recursos de la industria.