پروتکل‌های مختلف آزمایش (برینل، راکول، ویکرز) رویه‌های خاصی برای پروژه تحت آزمایش دارند. آزمایش راکول تی برای بازرسی لوله‌های با دیواره سبک با برش طولی لوله و آزمایش دیواره از قطر داخلی به جای قطر خارجی مناسب است.
سفارش تیوبینگ کمی شبیه رفتن به نمایندگی خودرو و سفارش یک ماشین یا کامیون است. امروزه، گزینه‌های فراوان موجود به خریداران این امکان را می‌دهد که وسیله نقلیه را به روش‌های مختلفی سفارشی کنند - رنگ‌های داخلی و خارجی، بسته‌های تزئینات داخلی، گزینه‌های طراحی خارجی، انتخاب سیستم انتقال قدرت و سیستم صوتی که تقریباً با یک سیستم سرگرمی خانگی رقابت می‌کند. با توجه به همه این گزینه‌ها، ممکن است از یک وسیله نقلیه استاندارد و بدون زرق و برق راضی نباشید.
لوله‌های فولادی دقیقاً همین هستند. هزاران گزینه یا مشخصات دارند. علاوه بر ابعاد، مشخصات، خواص شیمیایی و مکانیکی متعددی مانند حداقل استحکام تسلیم (MYS)، استحکام کششی نهایی (UTS) و حداقل ازدیاد طول قبل از شکست را فهرست می‌کند. با این حال، بسیاری در صنعت - مهندسان، نمایندگان خرید و تولیدکنندگان - از اختصارات پذیرفته شده صنعتی استفاده می‌کنند که نیاز به استفاده از لوله جوش داده شده "معمولی" دارند و فقط یک ویژگی را مشخص می‌کنند: سختی.
سعی کنید یک ماشین را بر اساس یک ویژگی واحد سفارش دهید ("من به یک ماشین با گیربکس اتوماتیک نیاز دارم") و با یک فروشنده خیلی راه به جایی نخواهید برد. او باید فرم سفارش را با گزینه‌های زیادی پر کند. لوله دقیقاً همین است - برای تهیه لوله مناسب برای کاربرد، سازنده لوله به اطلاعات بیشتری نسبت به سختی نیاز دارد.
چگونه سختی به یک جایگزین شناخته شده برای سایر خواص مکانیکی تبدیل می‌شود؟ احتمالاً این امر با یک تولیدکننده لوله آغاز شده است. از آنجا که آزمایش سختی سریع، آسان و به تجهیزات نسبتاً ارزان نیاز دارد، فروشندگان لوله اغلب از آزمایش سختی برای مقایسه دو لوله استفاده می‌کنند. برای انجام آزمایش سختی، تنها چیزی که نیاز دارند یک طول صاف از لوله و یک پایه آزمایش است.
سختی لوله با UTS همبستگی خوبی دارد و به عنوان یک قاعده کلی، درصدها یا محدوده‌های درصد در تخمین MYS مفید هستند، بنابراین به راحتی می‌توان فهمید که چگونه آزمایش سختی می‌تواند یک معیار مناسب برای سایر خواص باشد.
همچنین، آزمایش‌های دیگر نسبتاً پیچیده هستند. در حالی که آزمایش سختی تنها حدود یک دقیقه با یک دستگاه طول می‌کشد، آزمایش‌های MYS، UTS و ازدیاد طول نیاز به آماده‌سازی نمونه و سرمایه‌گذاری قابل توجه در تجهیزات آزمایشگاهی بزرگ دارند. به عنوان مقایسه، انجام آزمایش سختی برای یک اپراتور آسیاب لوله چند ثانیه و انجام آزمایش کشش برای یک تکنسین متالورژی حرفه‌ای ساعت‌ها طول می‌کشد. انجام بررسی سختی دشوار نیست.
این به این معنی نیست که تولیدکنندگان لوله‌های مهندسی‌شده از آزمایش سختی استفاده نمی‌کنند. می‌توان با اطمینان گفت که اکثر مردم این کار را انجام می‌دهند، اما از آنجا که آنها ارزیابی‌های تکرارپذیری و تجدیدپذیری گیج را روی تمام تجهیزات آزمایش خود انجام می‌دهند، از محدودیت‌های این آزمایش به خوبی آگاه هستند. اکثر آنها از ارزیابی سختی لوله به عنوان بخشی از فرآیند تولید استفاده می‌کنند، اما از آن برای تعیین کمیت خواص لوله استفاده نمی‌کنند. این فقط یک آزمایش قبول/رد است.
چرا باید در مورد MYS، UTS و حداقل کشیدگی بدانید؟ آنها نشان می‌دهند که لوله در مونتاژ چگونه رفتار خواهد کرد.
MYS حداقل نیرویی است که باعث تغییر شکل دائمی ماده می‌شود. اگر سعی کنید یک سیم صاف (مانند چوب لباسی) را کمی خم کنید و فشار را آزاد کنید، یکی از دو اتفاق می‌افتد: به حالت اولیه خود (صاف) برمی‌گردد یا خمیده باقی می‌ماند. اگر هنوز صاف است، از MYS عبور نکرده‌اید. اگر هنوز خمیده است، بیش از حد خم شده‌اید.
حالا، با استفاده از انبردست، هر دو انتهای سیم را ببندید. اگر بتوانید سیم را به دو قسمت تقسیم کنید، از UTS آن عبور کرده‌اید. شما کشش زیادی به آن وارد می‌کنید و دو سیم دارید که تلاش فوق بشری شما را نشان می‌دهند. اگر طول اولیه سیم ۵ اینچ باشد و دو طول پس از شکست به ۶ اینچ برسد، سیم ۱ اینچ یا ۲۰٪ کشیده می‌شود. آزمایش کشیدگی واقعی در فاصله ۲ اینچی از نقطه شکست اندازه‌گیری می‌شود، اما مهم نیست - مفهوم سیم کششی، UTS را نشان می‌دهد.
نمونه‌های فتومیکروگراف فولادی باید برش داده شوند، صیقل داده شوند و با استفاده از یک محلول اسیدی ملایم (معمولاً اسید نیتریک و الکل (نیترو اتانول)) حکاکی شوند تا دانه‌ها قابل مشاهده شوند. بزرگنمایی ۱۰۰ برابر معمولاً برای بررسی دانه‌های فولادی و تعیین اندازه دانه استفاده می‌شود.
سختی، آزمونی برای سنجش چگونگی واکنش یک ماده به ضربه است. تصور کنید که یک قطعه کوتاه لوله را درون یک گیره با فک‌های دندانه‌دار قرار می‌دهید و گیره را برای بستن می‌چرخانید. فک‌های گیره علاوه بر صاف کردن لوله، فرورفتگی‌هایی نیز روی سطح لوله ایجاد می‌کنند.
اینگونه است که آزمایش سختی کار می‌کند، اما آنقدرها هم خشن نیست. این آزمایش دارای اندازه ضربه و فشار کنترل‌شده است. این نیروها سطح را تغییر شکل می‌دهند و یک فرورفتگی یا فرورفتگی ایجاد می‌کنند. اندازه یا عمق فرورفتگی، سختی فلز را تعیین می‌کند.
برای ارزیابی فولاد، آزمون‌های سختی رایج عبارتند از برینل، ویکرز و راکول. هر کدام مقیاس خاص خود را دارند و برخی روش‌های آزمایش متعددی مانند راکول A، B و C دارند. برای لوله‌های فولادی، ASTM Specification A513 به آزمون راکول B (به اختصار HRB یا RB) اشاره دارد. آزمون راکول B تفاوت در نفوذ فولاد توسط یک گلوله فولادی با قطر 1⁄16 اینچ بین یک پیش‌بار کوچک و یک بار اولیه 100 کیلوگرم نیرو را اندازه‌گیری می‌کند. نتیجه معمول برای فولاد نرم استاندارد HRB 60 است.
دانشمندان علم مواد می‌دانند که سختی با UTS رابطه خطی دارد. بنابراین، یک سختی مشخص می‌تواند UTS را پیش‌بینی کند. به همین ترتیب، تولیدکنندگان لوله می‌دانند که MYS و UTS با هم مرتبط هستند. برای لوله‌های جوش داده شده، MYS معمولاً 70 تا 85 درصد UTS است. مقدار دقیق آن به فرآیند ساخت لوله بستگی دارد. سختی HRB 60 با UTS برابر با 60000 پوند بر اینچ مربع (PSI) و MYS برابر با 80 درصد یا 48000 PSI مرتبط است.
رایج‌ترین مشخصه لوله در تولید عمومی، حداکثر سختی است. علاوه بر اندازه، مهندس نگران تعیین مشخصات یک لوله جوش داده شده با مقاومت الکتریکی (ERW) در یک محدوده کاری خوب بود، که می‌تواند منجر به حداکثر سختی احتمالاً HRB 60 شود که در نقشه قطعه دیده می‌شود. این تصمیم به تنهایی منجر به طیف وسیعی از خواص مکانیکی نهایی، از جمله خود سختی، می‌شود.
اولاً، سختی HRB 60 چیز زیادی به ما نمی‌گوید. عدد HRB 60 یک عدد بدون بعد است. ماده‌ای که با HRB 59 ارزیابی شده است، نرم‌تر از ماده‌ای است که با HRB 60 آزمایش شده است و HRB 61 سخت‌تر از HRB 60 است، اما چقدر؟ نمی‌توان آن را مانند حجم (اندازه‌گیری شده بر حسب دسی‌بل)، گشتاور (اندازه‌گیری شده بر حسب پوند-فوت)، سرعت (اندازه‌گیری شده بر حسب فاصله نسبت به زمان) یا UTS (اندازه‌گیری شده بر حسب پوند بر اینچ مربع) کمّی کرد. خواندن HRB 60 چیز خاصی به ما نمی‌گوید. این یک ویژگی ماده است، اما یک ویژگی فیزیکی نیست. ثانیاً، آزمایش سختی برای تکرارپذیری یا بازتولیدپذیری مناسب نیست. ارزیابی دو مکان روی یک نمونه آزمایشی، حتی اگر مکان‌های آزمایش نزدیک به هم باشند، اغلب منجر به تغییرات زیادی در قرائت‌های سختی می‌شود. پیچیده کردن این مسئله ماهیت آزمایش است. پس از اندازه‌گیری یک موقعیت، نمی‌توان آن را برای بار دوم برای تأیید نتایج اندازه‌گیری کرد. تکرارپذیری آزمایش امکان‌پذیر نیست.
این بدان معنا نیست که آزمایش سختی ناخوشایند است. در واقع، این آزمایش راهنمای خوبی برای UTS یک ماده ارائه می‌دهد و انجام آن سریع و آسان است. با این حال، هر کسی که در تعیین، خرید و ساخت لوله‌ها دخیل است باید از محدودیت‌های آن به عنوان یک پارامتر آزمایش آگاه باشد.
از آنجا که لوله «معمولی» به خوبی تعریف نشده است، در صورت نیاز، تولیدکنندگان لوله اغلب آن را به دو نوع لوله فولادی رایج و لوله‌های تعریف شده در ASTM A513: 1008 و 1010 محدود می‌کنند. حتی پس از حذف سایر انواع لوله، احتمالات از نظر خواص مکانیکی این دو نوع لوله بسیار گسترده است. در واقع، این نوع لوله‌ها وسیع‌ترین طیف خواص مکانیکی را در بین انواع دیگر دارند.
برای مثال، اگر MYS کم و ازدیاد طول زیاد باشد، لوله‌ای نرم توصیف می‌شود، به این معنی که در کشش، انحراف و مقاومت در برابر خمش، عملکرد بهتری نسبت به لوله‌ای سخت دارد که MYS نسبتاً بالا و ازدیاد طول نسبتاً کمی دارد. این مشابه تفاوت بین سیم نرم و سخت، مانند چوب لباسی و مته است.
خودِ افزایش طول، عامل دیگری است که تأثیر قابل توجهی بر کاربردهای حیاتی لوله دارد. لوله‌هایی با افزایش طول زیاد می‌توانند نیروهای کششی را تحمل کنند؛ موادی با افزایش طول کم، شکننده‌تر هستند و بنابراین بیشتر مستعد شکست‌های فاجعه‌بار از نوع خستگی هستند. با این حال، افزایش طول مستقیماً با UTS که تنها خاصیت مکانیکی است که مستقیماً با سختی مرتبط است، مرتبط نیست.
چرا خواص مکانیکی لوله‌ها اینقدر متفاوت است؟ اولاً، ترکیب شیمیایی آنها متفاوت است. فولاد محلول جامدی از آهن و کربن و سایر آلیاژهای مهم است. برای سادگی، در اینجا فقط به درصد کربن می‌پردازیم. اتم‌های کربن جایگزین برخی از اتم‌های آهن می‌شوند و ساختار بلوری فولاد را تشکیل می‌دهند. ASTM 1008 یک گرید اولیه فراگیر با محتوای کربن 0٪ تا 0.10٪ است. صفر یک عدد بسیار خاص است که وقتی محتوای کربن در فولاد بسیار کم است، خواص منحصر به فردی ایجاد می‌کند. ASTM 1010 محتوای کربن بین 0.08٪ و 0.13٪ را مشخص می‌کند. این تفاوت‌ها زیاد به نظر نمی‌رسند، اما به اندازه کافی بزرگ هستند که در جای دیگر تفاوت بزرگی ایجاد کنند.
دوم، لوله فولادی می‌تواند در هفت فرآیند تولید مختلف ساخته یا ساخته و متعاقباً پردازش شود. ASTM A513 مربوط به تولید لوله ERW هفت نوع را فهرست می‌کند:
اگر ترکیب شیمیایی فولاد و مراحل تولید لوله هیچ تاثیری بر سختی فولاد ندارند، پس چه چیزی تاثیر دارد؟ پاسخ به این سوال به معنای بررسی دقیق جزئیات است. این سوال دو سوال دیگر را مطرح می‌کند: چه جزئیاتی، و چقدر به هم نزدیک هستند؟
جزئیات مربوط به دانه‌هایی که فولاد را تشکیل می‌دهند، اولین پاسخ هستند. وقتی فولاد در یک کارخانه فولاد اولیه ساخته می‌شود، به یک بلوک بزرگ با یک ویژگی واحد خنک نمی‌شود. با خنک شدن فولاد، مولکول‌های فولاد در الگوهای تکراری (کریستال‌ها) سازماندهی می‌شوند، شبیه به نحوه تشکیل دانه‌های برف. پس از تشکیل کریستال‌ها، آنها در گروه‌هایی به نام دانه جمع می‌شوند. با پیشرفت خنک شدن، دانه‌ها رشد می‌کنند و در سراسر ورق یا صفحه تشکیل می‌شوند. با جذب آخرین مولکول‌های فولاد توسط دانه‌ها، رشد دانه‌ها متوقف می‌شود. همه این اتفاقات در سطح میکروسکوپی رخ می‌دهد زیرا اندازه متوسط ​​دانه فولاد حدود 64 میکرومتر یا 0.0025 اینچ عرض دارد. در حالی که هر دانه مشابه دانه بعدی است، اما یکسان نیستند. آنها از نظر اندازه، جهت‌گیری و محتوای کربن کمی متفاوت هستند. سطح مشترک بین دانه‌ها مرز دانه نامیده می‌شود. هنگامی که فولاد می‌شکند، به عنوان مثال به دلیل ترک‌های خستگی، تمایل دارد در امتداد مرزهای دانه‌ها بشکند.
برای دیدن دانه‌های قابل تشخیص چقدر باید نگاه کنید؟ بزرگنمایی ۱۰۰ برابر یا ۱۰۰ برابر دید انسان کافی است. با این حال، فقط نگاه کردن به فولاد بدون پوشش با قدرت ۱۰۰ برابر، چیز زیادی را نشان نمی‌دهد. نمونه با صیقل دادن نمونه و حکاکی سطح با اسیدی (معمولاً اسید نیتریک و الکل) به نام اچانت نیترواتانول تهیه می‌شود.
این دانه‌ها و شبکه داخلی آنها هستند که مقاومت ضربه، MYS، UTS و ازدیاد طولی را که یک فولاد می‌تواند قبل از شکست تحمل کند، تعیین می‌کنند.
مراحل فولادسازی، مانند نورد گرم و سرد نوار، به ساختار دانه‌ها تنش وارد می‌کنند؛ اگر شکل آنها به طور دائم تغییر کند، به این معنی است که تنش باعث تغییر شکل دانه می‌شود. سایر مراحل فرآوری، مانند کلاف کردن فولاد به صورت کلاف، باز کردن کلاف آن و تغییر شکل دانه‌های فولاد از طریق آسیاب لوله (برای شکل‌دهی و اندازه‌دهی لوله). کشش سرد لوله روی مندرل نیز مانند مراحل تولید مانند شکل‌دهی انتهایی و خم کردن، به ماده فشار وارد می‌کند. تغییرات در ساختار دانه‌ها، نابجایی نامیده می‌شوند.
مراحل فوق، شکل‌پذیری فولاد را که توانایی آن در تحمل تنش کششی (کششی-بازشونده) است، کاهش می‌دهد. فولاد شکننده می‌شود، به این معنی که اگر به کار روی آن ادامه دهید، احتمال شکستن آن بیشتر می‌شود. افزایش طول یکی از اجزای شکل‌پذیری است (تراکم‌پذیری یکی دیگر از آنهاست). درک این نکته مهم است که شکست اغلب در طول تنش کششی رخ می‌دهد، نه فشاری. فولاد به دلیل ظرفیت افزایش طول نسبتاً بالای خود، در برابر تنش کششی بسیار مقاوم است. با این حال، فولاد به راحتی تحت تنش فشاری تغییر شکل می‌دهد - شکل‌پذیر است - که یک مزیت محسوب می‌شود.
بتن در مقایسه با بتن معمولی، مقاومت فشاری بالایی دارد اما شکل‌پذیری آن کم است. این خواص در تضاد با خواص فولاد است. به همین دلیل است که بتن مورد استفاده برای جاده‌ها، ساختمان‌ها و پیاده‌روها اغلب با میلگرد مسلح می‌شود. نتیجه، محصولی با مقاومت دو ماده است: فولاد در کشش قوی و بتن در فشار.
در طول کار سرد، با کاهش شکل‌پذیری فولاد، سختی آن افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، سخت می‌شود. بسته به شرایط، این می‌تواند یک مزیت باشد؛ با این حال، ممکن است یک عیب نیز باشد زیرا سختی با شکنندگی برابر است. یعنی، با سخت‌تر شدن فولاد، خاصیت ارتجاعی آن کمتر می‌شود؛ بنابراین، احتمال شکست آن بیشتر می‌شود.
به عبارت دیگر، هر مرحله از فرآیند، مقداری از انعطاف‌پذیری لوله را مصرف می‌کند. با کار کردن قطعه، لوله سخت‌تر می‌شود و اگر خیلی سخت باشد، اساساً بی‌فایده است. سختی، شکنندگی است و یک لوله شکننده احتمالاً هنگام استفاده دچار شکست می‌شود.
آیا سازنده در این مورد گزینه‌ای دارد؟ به طور خلاصه، بله. این گزینه آنیل کردن است، و اگرچه کاملاً جادویی نیست، اما به جادویی که می‌توانید تصور کنید نزدیک است.
به عبارت ساده، آنیل کردن تمام اثرات تنش فیزیکی روی فلز را از بین می‌برد. این فرآیند فلز را تا دمای آزادسازی تنش یا تبلور مجدد گرم می‌کند و در نتیجه نابجایی‌ها را از بین می‌برد. بسته به دما و زمان خاص مورد استفاده در فرآیند آنیل کردن، این فرآیند بخشی یا تمام شکل‌پذیری آن را بازیابی می‌کند.
آنیل کردن و خنک کردن کنترل‌شده، رشد دانه را افزایش می‌دهد. اگر هدف کاهش شکنندگی ماده باشد، این مفید است، اما رشد کنترل‌نشده دانه می‌تواند فلز را بیش از حد نرم کند و آن را برای کاربرد مورد نظرش غیرقابل استفاده کند. متوقف کردن فرآیند آنیل کردن نیز یک چیز تقریباً جادویی است. کوئنچ کردن در دمای مناسب با عامل کوئنچ مناسب در زمان مناسب، فرآیند را به سرعت متوقف می‌کند تا خواص بازیابی فولاد به دست آید.
آیا باید مشخصات سختی را حذف کنیم؟ خیر. ویژگی‌های سختی در درجه اول به عنوان یک نقطه مرجع هنگام تعیین مشخصات لوله‌های فولادی ارزشمند هستند. سختی، یک معیار مفید، یکی از چندین ویژگی است که باید هنگام سفارش مواد لوله‌ای مشخص شده و پس از دریافت بررسی شود (و باید با هر محموله ثبت شود). وقتی بازرسی سختی استاندارد بازرسی است، باید مقادیر مقیاس و محدوده‌های کنترل مناسبی داشته باشد.
با این حال، این یک آزمایش واقعی برای تایید صلاحیت (پذیرش یا رد) مواد نیست. علاوه بر سختی، تولیدکنندگان باید گاهی اوقات محموله‌ها را آزمایش کنند تا سایر خواص مرتبط مانند MYS، UTS یا حداقل کشیدگی را بسته به کاربرد لوله تعیین کنند.
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.
مجله لوله و لوله (Tube & Pipe Journal) در سال ۱۹۹۰ اولین مجله‌ای بود که به خدمت‌رسانی به صنعت لوله‌های فلزی اختصاص داده شد. امروزه، این مجله تنها نشریه در آمریکای شمالی است که به این صنعت اختصاص داده شده و به معتبرترین منبع اطلاعات برای متخصصان لوله تبدیل شده است.
اکنون با دسترسی کامل به نسخه دیجیتال The FABRICATOR، دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت.
نسخه دیجیتالی مجله لوله و لوله اکنون به طور کامل در دسترس است و دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت را فراهم می‌کند.
از دسترسی کامل به نسخه دیجیتال STAMPING Journal لذت ببرید، که آخرین پیشرفت‌های تکنولوژیکی، بهترین شیوه‌ها و اخبار صنعت را برای بازار مهرزنی فلزات ارائه می‌دهد.
از دسترسی کامل به نسخه دیجیتال گزارش افزایشی لذت ببرید تا یاد بگیرید که چگونه می‌توان از تولید افزایشی برای بهبود بهره‌وری عملیاتی و افزایش سود استفاده کرد.
اکنون با دسترسی کامل به نسخه دیجیتال The Fabricator به زبان اسپانیایی، دسترسی آسان به منابع ارزشمند صنعت.