Différents protocoles de test (Brinell, Rockwell, Vickers) ont des procédures spécifiques au projet testé. Le test Rockwell T convient à l'inspection des tubes à paroi légère en coupant le tube dans le sens de la longueur et en testant la paroi à partir du diamètre intérieur plutôt que du diamètre extérieur.
Commander un tube, c'est un peu comme aller chez un concessionnaire automobile et commander une voiture ou un camion. Aujourd'hui, les nombreuses options disponibles permettent aux acheteurs de personnaliser le véhicule de diverses manières : couleurs intérieures et extérieures, ensembles de garnitures intérieures, options de style extérieur, choix de groupes motopropulseurs et un système audio qui rivalise presque avec un système de divertissement à domicile. Compte tenu de toutes ces options, vous ne serez peut-être pas satisfait d'un véhicule standard et sans fioritures.
Les tuyaux en acier ne sont que cela. Ils ont des milliers d'options ou de spécifications. En plus des dimensions, la spécification répertorie les propriétés chimiques et plusieurs propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance ultime à la traction (UTS) et l'allongement minimal avant rupture. Cependant, de nombreux acteurs de l'industrie (ingénieurs, agents d'achat et fabricants) utilisent des abréviations industrielles acceptées qui nécessitent l'utilisation de tuyaux soudés « normaux » et ne spécifient qu'une seule caractéristique : la dureté.
Essayez de commander une voiture en fonction d'une seule caractéristique (« J'ai besoin d'une voiture avec une transmission automatique ») et vous n'irez pas très loin avec un vendeur. Il doit remplir un bon de commande avec de nombreuses options. Le tuyau est exactement cela : afin d'obtenir le bon tuyau pour l'application, le fabricant de tuyaux a besoin de plus d'informations que la simple dureté.
Comment la dureté devient-elle un substitut reconnu aux autres propriétés mécaniques ? Cela a probablement commencé avec un fabricant de tuyaux. Étant donné que les tests de dureté sont rapides, faciles et nécessitent un équipement relativement peu coûteux, les vendeurs de tubes utilisent souvent les tests de dureté pour comparer deux tubes. Pour effectuer un test de dureté, tout ce dont ils ont besoin est une longueur de tuyau lisse et un banc d'essai.
La dureté du tube est bien corrélée à l'UTS et, en règle générale, les pourcentages ou les plages de pourcentages sont utiles pour estimer le MYS. Il est donc facile de voir comment les tests de dureté peuvent être un indicateur approprié pour d'autres propriétés.
De plus, d'autres tests sont relativement complexes. Alors que les tests de dureté ne prennent qu'une minute environ sur une seule machine, les tests MYS, UTS et d'allongement nécessitent une préparation d'échantillons et un investissement important dans de gros équipements de laboratoire. À titre de comparaison, il faut quelques secondes à un opérateur de tuberie pour effectuer un test de dureté et des heures à un technicien métallurgique professionnel pour effectuer un test de traction. Il n'est pas difficile d'effectuer un contrôle de dureté.
Cela ne veut pas dire que les fabricants de tuyaux techniques n'utilisent pas de tests de dureté. On peut dire sans se tromper que la plupart des gens le font, mais comme ils effectuent des évaluations de répétabilité et de reproductibilité des jauges sur tous leurs équipements de test, ils sont bien conscients des limites du test. La plupart utilisent l'évaluation de la dureté des tubes dans le cadre du processus de production, mais ils ne l'utilisent pas pour quantifier les propriétés des tubes. Il s'agit simplement d'un test de réussite/échec.
Pourquoi avez-vous besoin de connaître MYS, UTS et l'allongement minimum ? Ils indiquent comment le tube se comportera lors de l'assemblage.
MYS est la force minimale qui provoque une déformation permanente du matériau. Si vous essayez de plier légèrement un fil droit (comme un cintre) et de relâcher la pression, l'une des deux choses suivantes se produira : il reviendra à son état d'origine (droit) ou il restera plié. S'il est toujours droit, vous n'avez pas dépassé MYS. S'il est toujours plié, vous l'avez dépassé.
Maintenant, utilisez une pince pour serrer les deux extrémités du fil. Si vous pouvez déchirer le fil en deux morceaux, vous avez dépassé son UTS. Vous avez mis beaucoup de tension dessus et vous avez deux fils pour montrer votre effort surhumain. Si la longueur d'origine du fil est de 5 pouces et que les deux longueurs après rupture s'additionnent à 6 pouces, le fil est étiré de 1 pouce, soit 20 %. Le test d'allongement réel est mesuré à moins de 2 pouces du point de rupture, mais peu importe, le concept de fil de traction illustre l'UTS.
Les échantillons de photomicrographies en acier doivent être coupés, polis et gravés à l'aide d'une solution légèrement acide (généralement de l'acide nitrique et de l'alcool (nitroéthanol)) pour rendre les grains visibles. Un grossissement de 100x est couramment utilisé pour inspecter les grains d'acier et déterminer la taille des grains.
La dureté est un test de la façon dont un matériau réagit à l'impact. Imaginez que vous placez un petit morceau de tuyau dans un étau avec des mâchoires dentelées et que vous tournez l'étau pour le fermer. En plus d'aplatir le tube, les mâchoires de l'étau laissent également des empreintes sur la surface du tube.
C'est ainsi que fonctionne le test de dureté, mais ce n'est pas si brutal. Ce test a une taille d'impact contrôlée et une pression contrôlée. Ces forces déforment la surface, créant une indentation ou une empreinte. La taille ou la profondeur de l'empreinte détermine la dureté du métal.
Pour évaluer l'acier, les tests de dureté courants sont Brinell, Vickers et Rockwell. Chacun a sa propre échelle, et certains ont plusieurs méthodes de test, telles que Rockwell A, B et C. Pour les tuyaux en acier, la spécification ASTM A513 fait référence au test Rockwell B (abrégé en HRB ou RB). Le test Rockwell B mesure la différence de pénétration de l'acier par une bille d'acier de 1⁄16 pouce de diamètre entre une petite précharge et une charge primaire de 100 kgf. Un résultat typique pour l'acier doux standard est HRB 60.
Les scientifiques des matériaux savent que la dureté est linéairement liée à l'UTS. Par conséquent, une dureté donnée peut prédire l'UTS. De même, les fabricants de tubes savent que MYS et UTS sont liés. Pour les tubes soudés, MYS représente généralement 70 à 85 % de l'UTS. La quantité exacte dépend du processus de fabrication du tube. La dureté du HRB 60 est corrélée à un UTS de 60 000 livres par pouce carré (PSI) et à un MYS de 80 %, soit 48 000 PSI.
La spécification de tuyau la plus courante dans la fabrication générale est la dureté maximale. En plus de la taille, l'ingénieur s'est préoccupé de spécifier un tuyau soudé par résistance électrique (ERW) dans une bonne plage de travail, ce qui pourrait entraîner une dureté maximale de HRB 60 sur le dessin du composant. Cette décision à elle seule conduit à une gamme de propriétés mécaniques finales, y compris la dureté elle-même.
Premièrement, la dureté du HRB 60 ne nous apprend pas grand-chose. La valeur mesurée du HRB 60 est un nombre sans dimension. Le matériau évalué avec le HRB 59 est plus tendre que celui testé avec le HRB 60, et le HRB 61 est plus dur que le HRB 60, mais de combien ? On ne peut pas quantifier cette dureté comme le volume (mesuré en décibels), le couple (mesuré en livres-pieds), la vitesse (mesurée en distance par rapport au temps) ou la résistance à l'usure (mesurée en livres par pouce carré). La valeur mesurée du HRB 60 ne nous apprend rien de précis. Il s'agit d'une propriété du matériau, et non d'une propriété physique. Deuxièmement, les essais de dureté ne sont pas adaptés à la répétabilité ni à la reproductibilité. L'évaluation de deux emplacements sur un échantillon, même proches l'un de l'autre, entraîne souvent une variation importante des valeurs de dureté. La nature même de l'essai aggrave ce problème. Une fois une position mesurée, il est impossible de la mesurer une seconde fois pour vérifier les résultats. Répétabilité de l'essai ce n'est pas possible.
Cela ne signifie pas que les tests de dureté sont peu pratiques. En fait, ils fournissent un bon guide pour l'UTS d'un matériau et constituent un test rapide et facile à réaliser. Cependant, toutes les personnes impliquées dans la spécification, l'achat et la fabrication de tubes doivent être conscientes de ses limites en tant que paramètre de test.
Étant donné que les tuyaux « normaux » ne sont pas bien définis, lorsque cela est nécessaire, les fabricants de tuyaux les réduisent souvent aux deux types de tuyaux en acier et de tuyaux les plus couramment utilisés, définis dans la norme ASTM A513 : 1008 et 1010. Même après avoir éliminé tous les autres types de tubes, les possibilités en termes de propriétés mécaniques de ces deux types de tubes sont très ouvertes. En fait, ces types de tubes ont la plus large gamme de propriétés mécaniques de tous les types.
Par exemple, un tube est décrit comme mou si le MYS est faible et l'allongement est élevé, ce qui signifie qu'il se comporte mieux en traction, en déflexion et en déformation qu'un tube décrit comme dur, qui a un MYS relativement élevé et un allongement relativement faible. Ceci est similaire à la différence entre les fils mous et durs, comme les cintres et les perceuses.
L'allongement lui-même est un autre facteur qui a un impact significatif sur les applications de tuyaux critiques. Les tubes à allongement élevé peuvent résister aux forces de traction ; les matériaux à faible allongement sont plus fragiles et donc plus sujets aux défaillances de type fatigue catastrophique. Cependant, l'allongement n'est pas directement lié à l'UTS, qui est la seule propriété mécanique directement liée à la dureté.
Pourquoi les propriétés mécaniques des tubes varient-elles autant ? Tout d'abord, la composition chimique est différente. L'acier est une solution solide de fer et de carbone et d'autres alliages importants. Pour simplifier, nous ne traiterons ici que des pourcentages de carbone. Les atomes de carbone remplacent certains atomes de fer, formant la structure cristalline de l'acier. L'ASTM 1008 est une nuance primaire globale avec une teneur en carbone de 0 % à 0,10 %. Zéro est un nombre très spécial qui produit des propriétés uniques lorsque la teneur en carbone de l'acier est ultra-faible. L'ASTM 1010 spécifie une teneur en carbone comprise entre 0,08 % et 0,13 %. Ces différences ne semblent pas énormes, mais elles sont suffisamment importantes pour faire une grande différence ailleurs.
Deuxièmement, le tube en acier peut être fabriqué ou fabriqué puis traité selon sept procédés de fabrication différents. La norme ASTM A513 relative à la production de tubes ERW répertorie sept types :
Si la composition chimique de l'acier et les étapes de fabrication du tube n'ont aucun effet sur la dureté de l'acier, qu'est-ce que c'est ? Répondre à cette question signifie examiner les détails. Cette question soulève deux autres questions : quels détails et à quel point ?
Français Les détails sur les grains qui composent l'acier sont la première réponse. Lorsque l'acier est fabriqué dans une aciérie primaire, il ne refroidit pas en un énorme bloc avec une seule caractéristique. Lorsque l'acier refroidit, les molécules de l'acier s'organisent en motifs répétitifs (cristaux), de la même manière que se forment les flocons de neige. Une fois les cristaux formés, ils s'agrègent en groupes appelés grains. Au fur et à mesure que le refroidissement progresse, les grains se développent et se forment dans toute la tôle ou la plaque. Les grains cessent de croître lorsque les dernières molécules d'acier sont absorbées par les grains. Tout cela se produit au niveau microscopique car la taille moyenne des grains d'acier est d'environ 64 µ ou 0,0025 pouce de large. Bien que chaque grain soit similaire au suivant, ils ne sont pas identiques. Ils varient légèrement en taille, en orientation et en teneur en carbone. L'interface entre les grains est appelée limite de grain. Lorsque l'acier se rompt, par exemple en raison de fissures de fatigue, il a tendance à se rompre le long des limites de grains.
Jusqu'où faut-il regarder pour voir des grains discernables ? Un grossissement de 100x, ou une vision humaine de 100x, suffit. Cependant, le simple fait de regarder de l'acier non traité à une puissance 100 fois supérieure ne révèle pas grand-chose. L'échantillon est préparé en polissant l'échantillon et en gravant la surface avec un acide (généralement de l'acide nitrique et de l'alcool) appelé agent de gravure au nitroéthanol.
Ce sont les grains et leur réseau interne qui déterminent la résistance aux chocs, le MYS, l'UTS et l'allongement qu'un acier peut supporter avant la rupture.
Les étapes de fabrication de l'acier, telles que le laminage à chaud et à froid des bandes, appliquent une contrainte sur la structure du grain ; si elles changent de forme de façon permanente, cela signifie que la contrainte déforme le grain. D'autres étapes de traitement, telles que l'enroulement de l'acier en bobines, son déroulement et la déformation des grains d'acier dans un laminoir à tubes (pour former et dimensionner le tube). L'étirage à froid du tube sur le mandrin exerce également une pression sur le matériau, tout comme les étapes de fabrication telles que le formage des extrémités et le pliage. Les changements dans la structure du grain sont appelés dislocations.
Les étapes ci-dessus épuisent la ductilité de l'acier, qui est sa capacité à résister à la contrainte de traction (traction-ouverture). L'acier devient cassant, ce qui signifie qu'il est plus susceptible de se casser si vous continuez à travailler dessus. L'allongement est un composant de la ductilité (la compressibilité en est un autre). Il est important de comprendre que la défaillance se produit le plus souvent pendant la contrainte de traction, et non pendant la compression. L'acier est très résistant à la contrainte de traction en raison de sa capacité d'allongement relativement élevée. Cependant, l'acier se déforme facilement sous contrainte de compression - il est ductile - ce qui est un avantage.
Le béton a une résistance à la compression élevée mais une faible ductilité par rapport au béton. Ces propriétés sont opposées à celles de l'acier. C'est pourquoi le béton utilisé pour les routes, les bâtiments et les trottoirs est souvent équipé de barres d'armature. Le résultat est un produit avec les forces de deux matériaux : sous tension, l'acier est solide et sous pression, le béton.
Lors du travail à froid, à mesure que la ductilité de l'acier diminue, sa dureté augmente. En d'autres termes, il durcira. Selon la situation, cela peut être un avantage ; cependant, cela peut être un inconvénient puisque la dureté est assimilée à la fragilité. Autrement dit, à mesure que l'acier devient plus dur, il devient moins élastique ; par conséquent, il est plus susceptible de se briser.
En d'autres termes, chaque étape du processus consomme une partie de la ductilité du tuyau. Il devient plus dur à mesure que la pièce fonctionne, et s'il est trop dur, il est fondamentalement inutile. La dureté est une fragilité, et un tube cassant est susceptible de tomber en panne lorsqu'il est utilisé.
Le fabricant a-t-il des options dans ce cas ? En bref, oui. Cette option est le recuit, et même si ce n'est pas tout à fait magique, c'est aussi proche de la magie que possible.
En termes simples, le recuit supprime tous les effets des contraintes physiques sur le métal. Ce processus chauffe le métal à une température de relaxation des contraintes ou de recristallisation, éliminant ainsi les dislocations. En fonction de la température et du temps spécifiques utilisés dans le processus de recuit, le processus restaure ainsi une partie ou la totalité de sa ductilité.
Le recuit et le refroidissement contrôlé favorisent la croissance des grains. Ceci est bénéfique si l'objectif est de réduire la fragilité du matériau, mais une croissance incontrôlée des grains peut trop ramollir le métal, le rendant inutilisable pour l'usage prévu. Arrêter le processus de recuit est une autre chose presque magique. La trempe à la bonne température avec le bon agent de trempe au bon moment arrête rapidement le processus pour obtenir les propriétés de récupération de l'acier.
Devrions-nous abandonner la spécification de dureté ? Non. Les caractéristiques de dureté sont utiles principalement comme point de référence lors de la spécification des tubes en acier. Une mesure utile, la dureté est l'une des nombreuses caractéristiques qui doivent être spécifiées lors de la commande de matériel tubulaire et vérifiées à la réception (et doivent être enregistrées à chaque expédition). Lorsque l'inspection de la dureté est la norme d'inspection, elle doit avoir des valeurs d'échelle et des plages de contrôle appropriées.
Cependant, il ne s'agit pas d'un véritable test de qualification (acceptation ou rejet) du matériau. En plus de la dureté, les fabricants doivent occasionnellement tester les expéditions pour déterminer d'autres propriétés pertinentes, telles que MYS, UTS ou l'allongement minimum, en fonction de l'application du tube.
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