Varios protocolos de prueba (Brinell, Rockwell, Vickers) tienen procedimientos específicos para el proyecto bajo prueba. La prueba Rockwell T es adecuada para inspeccionar tubos de pared delgada cortando el tubo a lo largo y probando la pared desde el diámetro interior en lugar del diámetro exterior.
Pedir un tubo es un poco como ir a un concesionario de automóviles y pedir un automóvil o una camioneta. Hoy en día, las muchas opciones disponibles permiten a los compradores personalizar el vehículo en una variedad de formas: 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 sencillo.
Las tuberías de acero son exactamente eso. Tiene miles de opciones o especificaciones. Además de las dimensiones, la especificación enumera varias propiedades químicas y mecánicas, como el límite elástico mínimo (MYS), la resistencia máxima a la tracción (UTS) y el alargamiento mínimo antes de fallar. Sin embargo, muchos en la industria (ingenieros, agentes de compras y fabricantes) usan abreviaturas aceptadas en la industria que requieren el uso de tubería soldada "normal" y especifican solo una característica: dureza.
Intente ordenar un automóvil por una sola característica ("Necesito un automóvil con transmisión automática") y no llegará demasiado lejos con un vendedor. Tiene que completar un formulario de pedido con muchas opciones. La tubería es solo eso: para obtener la tubería adecuada 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 productor de tuberías. Debido a que las pruebas de dureza son rápidas, fáciles y requieren un equipo relativamente económico, los vendedores de tubos a menudo usan pruebas de dureza para comparar dos tubos. Para realizar una prueba de dureza, todo lo que necesitan es una longitud uniforme de tubería y un banco de pruebas.
La dureza del tubo se correlaciona bien con UTS y, como regla general, los porcentajes o los rangos de porcentaje 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 más o menos en una sola máquina, las pruebas MYS, UTS y de elongación requieren la preparación de muestras y una inversión significativa en grandes equipos de laboratorio. En comparación, toma segundos para que un operador de molino de tubos realice una prueba de dureza y horas para que un técnico metalúrgico profesional realice una prueba de tracción. No es difícil realizar una prueba de dureza.
Esto no quiere decir que los fabricantes de tuberías diseñadas no usen 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 calibres en todos sus equipos de prueba, son muy conscientes de las limitaciones de la prueba. La mayoría usa la evaluación de la dureza de los tubos como parte del proceso de producción, pero no la usa para cuantificar las propiedades de los tubos. Esta es solo una prueba de aprobación/rechazo.
¿Por qué necesita saber sobre MYS, UTS y elongación mínima? Indican cómo se comportará el tubo en el montaje.
MYS es la fuerza mínima que causa la deformación permanente del material. Si intenta doblar ligeramente un alambre recto (como una percha) y libera la presión, sucederá una de dos cosas: volverá a su estado original (recto) o permanecerá doblado. Si aún está recto, no ha pasado MYS.
Ahora, use pinzas para sujetar ambos extremos del cable. Si puede romper el cable en dos pedazos, está sobre su UTS. Le aplica mucha tensión y tiene dos cables para mostrar su esfuerzo sobrehumano. la UTS.
Las muestras de microfotografías de acero deben cortarse, pulirse y grabarse con una solución ligeramente ácida (generalmente ácido nítrico y alcohol (nitroetanol)) para que los granos sean visibles. La ampliación de 100x se usa 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 un tornillo de banco con mordazas dentadas y girar el tornillo de banco para cerrarlo. Además de aplanar el tubo, las mordazas del tornillo de banco también dejan muescas 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 presión controlada. Estas fuerzas deforman la superficie, creando una hendidura o muesca. El tamaño o la profundidad de la muesca determina la dureza del metal.
Para evaluar acero, las pruebas de dureza comunes son Brinell, Vickers y Rockwell. Cada una tiene su propia escala y algunas tienen varios métodos de prueba, como Rockwell A, B y C. Para tuberías de acero, la especificación A513 de ASTM hace referencia a la prueba Rockwell B (abreviada como HRB o RB). El acero dulce estándar es HRB 60.
Los científicos de materiales saben que la dureza está linealmente relacionada con UTS. Por lo tanto, una dureza dada puede predecir UTS. Asimismo, los fabricantes de tubos saben que MYS y UTS están relacionados. o 48,000 PSI.
La especificación de tubería más común en la fabricación general es la dureza máxima. Además del tamaño, el ingeniero se preocupó por especificar una tubería soldada por resistencia eléctrica (ERW) dentro de un buen rango de trabajo, lo que podría resultar en una dureza máxima de posiblemente HRB 60 en el dibujo del componente. Esta decisión por sí sola conduce a una variedad de propiedades mecánicas finales, incluida la dureza misma.
Primero, la dureza de HRB 60 no nos dice mucho. La lectura HRB 60 es un número adimensional. El material evaluado con HRB 59 es más suave que el material probado con HRB 60, y HRB 61 es más duro que HRB 60, pero ¿cuánto? La lectura de HRB 60 no nos dice nada específico. Esta es una propiedad del material, pero no una propiedad física. En segundo lugar, la prueba de dureza no es adecuada para la repetibilidad o reproducibilidad. .
Esto no significa que la prueba de dureza sea un inconveniente. De hecho, proporciona una buena guía para el 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 conocer sus limitaciones como parámetro de prueba.
Debido a que la tubería "normal" no está bien definida, cuando es necesario, los fabricantes de tuberías a menudo la reducen a los dos tipos de tubería y tubería de acero más comúnmente utilizados definidos en ASTM A513: 1008 y 1010. Incluso después de eliminar todos los demás tipos de tubería, las posibilidades en términos de propiedades mecánicas de estos dos tipos de tubería están abiertas. De hecho, estos tipos de tubería 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 se comporta mejor en tracción, deflexión y fraguado 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.
El alargamiento en sí mismo es otro factor que tiene un impacto significativo en las aplicaciones críticas de tuberías. Los tubos con un alto alargamiento 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? Primero, la composición química es diferente. El acero es una solución sólida de hierro y carbono y otras aleaciones importantes. Para simplificar, aquí solo trataremos los porcentajes de carbono. Los átomos de carbono reemplazan algunos de los átomos de hierro, formando la estructura cristalina del acero. -low.ASTM 1010 especifica un contenido de carbono entre 0,08 % y 0,13 %. Estas diferencias no parecen enormes, pero son lo suficientemente grandes como para marcar una gran diferencia en otros lugares.
En segundo lugar, la tubería de acero se puede fabricar o fabricar y luego 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 efecto sobre la dureza del acero, ¿cuál es? Responder a esta pregunta significa analizar detenidamente los detalles. Esta pregunta plantea dos preguntas más: ¿Qué detalles y qué tan cerca?
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), similar a como se forman los copos de nieve. Después de que se forman los cristales, se agregan en grupos llamados granos. Sucede a nivel microscópico porque el grano de acero de tamaño promedio 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 denomina 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.
¿Qué tan lejos tiene que mirar para ver granos perceptibles? Un aumento de 100x, o la visión humana de 100x, es suficiente. Sin embargo, solo mirar acero sin tratar a 100 veces el poder 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 la tira, aplican tensión en la estructura del grano;si cambian permanentemente de forma, esto significa que la tensión deforma el grano. Otros pasos de procesamiento, como enrollar el acero en rollos, desenrollarlo y deformar los granos de acero a través de un molino 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 la formación de extremos y el doblado. Los cambios en la estructura del grano se denominan dislocaciones.
Los pasos anteriores reducen la ductilidad del acero, que es su capacidad para soportar la tensión de tracción (apertura). El acero se vuelve quebradizo, lo que significa que es más probable que se rompa si continúa trabajando en él. El alargamiento es un componente de la ductilidad (la compresibilidad es otro). esfuerzo 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 que se utiliza para carreteras, edificios y aceras suele estar equipado con barras de refuerzo. El resultado es un producto con la resistencia 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 funciona, y si es demasiado dura, básicamente es inútil. La dureza es fragilidad y es probable que una tubería quebradiza falle cuando se usa.
¿Tiene el fabricante alguna opción en este caso? En resumen, sí. Esa opción es el recocido, y aunque no es del todo mágico, es lo más parecido 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 y el tiempo específicos utilizados 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, dejándolo inutilizable para el uso previsto. Detener el proceso de recocido es otra cosa casi mágica. El enfriamiento rápido a la temperatura adecuada con el agente de enfriamiento adecuado en el momento adecuado detiene el proceso rápidamente para obtener las propiedades de recuperación del acero.
¿Deberíamos descartar la especificación de dureza? No. Las características de dureza son valiosas principalmente como punto de referencia al especificar tuberías de acero. Una medida útil, la dureza es una de varias características que deben especificarse al pedir material tubular y verificarse al recibirlo (y debe registrarse 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 verdadera prueba para calificar (aceptar o rechazar) el material. Además de la dureza, los fabricantes deben probar ocasionalmente los envíos para determinar otras propiedades relevantes, como MYS, UTS o elongación mínima, según la aplicación del tubo.
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