Različiti protokoli ispitivanja (Brinell, Rockwell, Vickers) imaju postupke specifične za projekt koji se ispituje. Rockwellov T-test prikladan je za ispitivanje tankostijenih cijevi rezanjem cijevi po dužini i ispitivanjem stijenke od unutarnjeg promjera, a ne od vanjskog promjera.
Naručivanje cijevi pomalo je kao odlazak u autokuću i naručivanje automobila ili kamiona. Danas brojne dostupne opcije omogućuju kupcima da prilagode vozilo na razne načine - boje interijera i eksterijera, paketi unutarnjih obloga, opcije vanjskog stila, izbor pogonskog sklopa i audio sustav koji gotovo konkurira sustavu kućne zabave. S obzirom na sve ove opcije, možda nećete biti zadovoljni standardnim vozilom bez ikakvih dodataka.
Čelične cijevi su upravo to. Ima tisuće opcija ili specifikacija. Osim dimenzija, specifikacija navodi kemijska i nekoliko mehaničkih svojstava kao što su minimalna granica razvlačenja (MYS), vlačna čvrstoća (UTS) i minimalno istezanje prije loma. Međutim, mnogi u industriji - inženjeri, nabavni agenti i proizvođači - koriste prihvaćene industrijske skraćenice koje zahtijevaju upotrebu "normalnih" zavarenih cijevi i specificiraju samo jednu karakteristiku: tvrdoću.
Pokušajte naručiti automobil prema jednoj karakteristici („Trebam automobil s automatskim mjenjačem“) i nećete daleko stići s prodavačem. Mora ispuniti narudžbenicu s mnogo opcija. Cijev je upravo to - kako bi dobio pravu cijev za primjenu, proizvođaču cijevi treba više informacija od same tvrdoće.
Kako tvrdoća postaje priznata zamjena za druga mehanička svojstva? Vjerojatno je počelo s proizvođačem cijevi. Budući da je ispitivanje tvrdoće brzo, jednostavno i zahtijeva relativno jeftinu opremu, prodavači cijevi često koriste ispitivanje tvrdoće za usporedbu dviju cijevi. Za izvođenje ispitivanja tvrdoće, sve što im je potrebno je glatki komad cijevi i ispitni stalak.
Tvrdoća cijevi dobro korelira s UTS-om, i kao opće pravilo, postoci ili rasponi postotaka korisni su za procjenu MYS-a, pa je lako vidjeti kako ispitivanje tvrdoće može biti prikladna zamjena za druga svojstva.
Također, druga ispitivanja su relativno složena. Dok ispitivanje tvrdoće traje samo minutu ili nešto više na jednom stroju, MYS, UTS i ispitivanje izduženja zahtijevaju pripremu uzorka i značajna ulaganja u veliku laboratorijsku opremu. Za usporedbu, operateru mlina cijevi potrebne su sekunde da izvrši ispitivanje tvrdoće, a profesionalnom metalurškom tehničaru sati da izvrši ispitivanje vlačne čvrstoće. Nije teško izvršiti provjeru tvrdoće.
To ne znači da proizvođači inženjerskih cijevi ne koriste ispitivanje tvrdoće. Može se sa sigurnošću reći da većina ljudi to čini, ali budući da provode procjene ponovljivosti i reproducibilnosti mjerenja na svoj svojoj ispitnoj opremi, dobro su svjesni ograničenja ispitivanja. Većina koristi procjenu tvrdoće cijevi kao dio proizvodnog procesa, ali je ne koriste za kvantificiranje svojstava cijevi. Ovo je samo ispitivanje prolaza/pad.
Zašto trebate znati o MYS, UTS i minimalnom istezanju? Oni pokazuju kako će se cijev ponašati prilikom montaže.
MYS je minimalna sila koja uzrokuje trajnu deformaciju materijala. Ako pokušate lagano saviti ravnu žicu (poput vješalice za kapute) i otpustiti pritisak, dogodit će se jedna od dvije stvari: vratit će se u prvobitno stanje (ravno) ili će ostati savijena. Ako je još uvijek ravna, niste prošli MYS. Ako je još uvijek savijena, pretjerali ste.
Sada kliještima stegnite oba kraja žice. Ako možete žicu razderati na dva dijela, prešli ste njezin UTS. Stavili ste veliku napetost na nju i imate dvije žice koje pokazuju vaš nadljudski napor. Ako je izvorna duljina žice 5 inča, a dvije duljine nakon loma zbroje se do 6 inča, žica je rastegnuta za 1 inč ili 20%. Stvarni test izduženja mjeri se unutar 2 inča od točke loma, ali što god bilo - koncept povlačenja žice ilustrira UTS.
Uzorke čelika snimljene fotomikrografijom potrebno je rezati, polirati i nagrizati blago kiselom otopinom (obično dušičnom kiselinom i alkoholom (nitroetanolom)) kako bi zrna bila vidljiva. Za pregled zrna čelika i određivanje veličine zrna obično se koristi povećanje od 100x.
Tvrdoća je test kako materijal reagira na udar. Zamislite da stavite kratki komad cijevi u škripac s nazubljenim čeljustima i okrećete škripac da se zatvori. Osim što spljošte cijev, čeljusti škripca također ostavljaju udubljenja na površini cijevi.
Tako funkcionira test tvrdoće, ali nije tako grub. Ovaj test ima kontroliranu veličinu udara i kontrolirani tlak. Te sile deformiraju površinu, stvarajući udubljenje ili udubljenje. Veličina ili dubina udubljenja određuje tvrdoću metala.
Za procjenu čelika, uobičajeni testovi tvrdoće su Brinell, Vickers i Rockwell. Svaki ima svoju skalu, a neki imaju više metoda ispitivanja, kao što su Rockwell A, B i C. Za čelične cijevi, ASTM specifikacija A513 upućuje na Rockwell B test (skraćeno HRB ili RB). Rockwell B test mjeri razliku u prodiranju čelika čelične kuglice promjera 1⁄16 inča između malog predopterećenja i primarnog opterećenja od 100 kgf. Tipičan rezultat za standardni meki čelik je HRB 60.
Znanstvenici koji se bave materijalima znaju da je tvrdoća linearno povezana s UTS-om. Stoga, određena tvrdoća može predvidjeti UTS. Slično tome, proizvođači cijevi znaju da su MYS i UTS povezani. Za zavarene cijevi, MYS je obično 70% do 85% UTS-a. Točan iznos ovisi o procesu izrade cijevi. Tvrdoća HRB 60 korelira s UTS-om od 60.000 funti po kvadratnom inču (PSI) i MYS-om od 80% ili 48.000 PSI.
Najčešća specifikacija cijevi u općoj proizvodnji je maksimalna tvrdoća. Osim veličine, inženjer se bavio specificiranjem zavarene elektrootporno zavarene (ERW) cijevi unutar dobrog radnog raspona, što bi moglo rezultirati maksimalnom tvrdoćom od moguće HRB 60 na crtežu komponente. Samo ta odluka dovodi do niza konačnih mehaničkih svojstava, uključujući i samu tvrdoću.
Prvo, tvrdoća HRB 60 nam ne govori mnogo. Očitavanje HRB 60 je bezdimenzijski broj. Materijal procijenjen s HRB 59 je mekši od materijala testiranog s HRB 60, a HRB 61 je tvrđi od HRB 60, ali za koliko? Ne može se kvantificirati poput volumena (mjerenog u decibelima), momenta (mjerenog u funtama-stopama), brzine (mjerene u udaljenosti u odnosu na vrijeme) ili UTS-a (mjerenog u funtama po kvadratnom inču). Očitavanje HRB 60 nam ne govori ništa specifično. To je svojstvo materijala, ali ne fizičko svojstvo. Drugo, ispitivanje tvrdoće nije prikladno za ponovljivost ili reproducibilnost. Procjena dvaju mjesta na ispitnom uzorku, čak i ako su mjesta ispitivanja blizu jedno drugome, često rezultira velikom varijacijom u očitanjima tvrdoće. Priroda ispitivanja pogoršava ovaj problem. Nakon što je položaj izmjeren, ne može se izmjeriti drugi put kako bi se provjerili rezultati. Ponovljivost ispitivanja nije moguća.
To ne znači da je ispitivanje tvrdoće nezgodno. Zapravo, ono pruža dobar vodič za UTS materijala, a to je brz i jednostavan test za izvođenje. Međutim, svi koji su uključeni u specificiranje, kupnju i proizvodnju cijevi trebali bi biti svjesni njegovih ograničenja kao parametra ispitivanja.
Budući da „normalna“ cijev nije dobro definirana, kada je potrebno, proizvođači cijevi često je sužavaju na dvije najčešće korištene čelične cijevi i vrste cijevi definirane u ASTM A513: 1008 i 1010. Čak i nakon eliminacije svih ostalih vrsta cijevi, mogućnosti u smislu mehaničkih svojstava ove dvije vrste cijevi su širom otvorene. Zapravo, ove vrste cijevi imaju najširi raspon mehaničkih svojstava od svih vrsta.
Na primjer, cijev se opisuje kao mekana ako je MYS nizak, a istezanje visoko, što znači da se bolje ponaša u vlačnoj čvrstoći, otklonu i stvrdnjavanju od cijevi opisane kao tvrda, koja ima relativno visok MYS i relativno nisko istezanje. To je slično razlici između meke i tvrde žice, kao što su vješalice za kapute i bušilice.
Samo istezanje je još jedan faktor koji ima značajan utjecaj na kritične primjene cijevi. Cijevi s visokim istezanjem mogu izdržati vlačne sile; materijali s niskim istezanjem su krhkiji i stoga skloniji katastrofalnim lomovima uzrokovanim zamorom. Međutim, istezanje nije izravno povezano s UTS-om, što je jedino mehaničko svojstvo izravno povezano s tvrdoćom.
Zašto se mehanička svojstva cijevi toliko razlikuju? Prvo, kemijski sastav je različit. Čelik je čvrsta otopina željeza i ugljika te drugih važnih legura. Radi jednostavnosti, ovdje ćemo se baviti samo postocima ugljika. Atomi ugljika zamjenjuju neke od atoma željeza, tvoreći kristalnu strukturu čelika. ASTM 1008 je sveobuhvatna primarna klasa s udjelom ugljika od 0% do 0,10%. Nula je vrlo poseban broj koji proizvodi jedinstvena svojstva kada je udio ugljika u čeliku ultra nizak. ASTM 1010 specificira udio ugljika između 0,08% i 0,13%. Ove razlike ne čine se ogromnim, ali su dovoljno velike da naprave veliku razliku negdje drugdje.
Drugo, čelična cijev može se izraditi ili izraditi i potom obraditi u sedam različitih proizvodnih procesa. ASTM A513 koji se odnosi na proizvodnju ERW cijevi navodi sedam vrsta:
Ako kemijski sastav čelika i koraci proizvodnje cijevi nemaju utjecaja na tvrdoću čelika, što onda utječe? Odgovor na ovo pitanje znači detaljno proučavanje detalja. Ovo pitanje postavlja još dva pitanja: Koji detalji i koliko precizno?
Detalji o zrnima koja čine čelik prvi su odgovor. Kada se čelik proizvodi u primarnoj čeličani, ne hladi se u ogroman blok s jednom značajkom. Kako se čelik hladi, molekule čelika organiziraju se u ponavljajuće uzorke (kristale), slično kao što se formiraju pahulje snijega. Nakon što se kristali formiraju, oni se agregiraju u skupine koje se nazivaju zrna. Kako hlađenje napreduje, zrna rastu i formiraju se po cijelom limu ili ploči. Zrna prestaju rasti dok zrna apsorbiraju posljednje molekule čelika. Sve se to događa na mikroskopskoj razini jer je prosječna veličina zrna čelika oko 64 µ ili 0,0025 inča široka. Iako je svako zrno slično sljedećem, nisu ista. Malo se razlikuju po veličini, orijentaciji i sadržaju ugljika. Sučelje između zrna naziva se granica zrna. Kada čelik pukne, na primjer zbog pukotina od zamora, sklon je puknuti duž granica zrna.
Koliko daleko morate gledati da biste vidjeli uočljiva zrna? Dovoljno je povećanje od 100x ili 100x ljudski vid. Međutim, samo gledanje netretiranog čelika pri 100 puta većem uvećanju ne otkriva mnogo. Uzorak se priprema poliranjem uzorka i jetkanjem površine kiselinom (obično dušičnom kiselinom i alkoholom) koja se naziva nitroetanolno sredstvo za jetkanje.
Zrna i njihova unutarnja rešetka određuju udarnu čvrstoću, MYS, UTS i istezanje koje čelik može izdržati prije loma.
Koraci u proizvodnji čelika, poput toplog i hladnog valjanja trake, primjenjuju naprezanje u strukturu zrna; ako trajno mijenjaju oblik, to znači da naprezanje deformira zrno. Ostali koraci obrade, poput namotavanja čelika u zavojnice, odmotavanja i deformiranja čeličnih zrna kroz cijevno mlin (za oblikovanje i dimenzioniranje cijevi). Hladno izvlačenje cijevi na trnu također vrši pritisak na materijal, kao i koraci u proizvodnji poput oblikovanja krajeva i savijanja. Promjene u strukturi zrna nazivaju se dislokacije.
Gore navedeni koraci smanjuju duktilnost čelika, što je njegova sposobnost da izdrži vlačno naprezanje (naprezanje pri otvaranju). Čelik postaje krhak, što znači da je vjerojatnije da će se slomiti ako nastavite raditi na njemu. Istezanje je jedna komponenta duktilnosti (stišljivost je druga). Važno je razumjeti da se lom najčešće događa tijekom vlačnog naprezanja, a ne kompresije. Čelik je vrlo otporan na vlačno naprezanje zbog svog relativno visokog kapaciteta istezanja. Međutim, čelik se lako deformira pod tlačnim naprezanjem - duktilan je - što je prednost.
Beton ima visoku tlačnu čvrstoću, ali nisku duktilnost u usporedbi s betonom. Ta su svojstva suprotna svojstvima čelika. Zato se beton koji se koristi za ceste, zgrade i pločnike često oprema armaturom. Rezultat je proizvod s čvrstoćama dvaju materijala: pod naponom je čelik čvrst, a pod tlakom beton.
Tijekom hladne obrade, kako se duktilnost čelika smanjuje, njegova tvrdoća se povećava. Drugim riječima, on će se stvrdnuti. Ovisno o situaciji, to može biti prednost; međutim, može biti i nedostatak jer se tvrdoća izjednačava s krhkošću. To jest, kako čelik postaje tvrđi, postaje manje elastičan; stoga je vjerojatnije da će se lomiti.
Drugim riječima, svaki korak u procesu troši dio duktilnosti cijevi. Postaje tvrđa kako se dio obrađuje, a ako je pretvrda, u osnovi je beskorisna. Tvrdoća je krhkost, a krhka cijev vjerojatno će se slomiti tijekom upotrebe.
Ima li proizvođač ikakve mogućnosti u ovom slučaju? Ukratko, da. Ta je opcija žarenje i iako nije baš magično, najbliže je magiji što možete dobiti.
Jednostavno rečeno, žarenje uklanja sve učinke fizičkog naprezanja na metal. Ovaj proces zagrijava metal do temperature ublažavanja naprezanja ili rekristalizacije, čime se uklanjaju dislokacije. Ovisno o specifičnoj temperaturi i vremenu korištenom u procesu žarenja, proces tako vraća dio ili svu njegovu duktilnost.
Žarenje i kontrolirano hlađenje potiču rast zrna. To je korisno ako je cilj smanjiti krhkost materijala, ali nekontrolirani rast zrna može previše omekšati metal, čineći ga neupotrebljivim za namjeravanu upotrebu. Zaustavljanje procesa žarenja još je jedna gotovo magična stvar. Kaljenje na pravoj temperaturi s pravim sredstvom za kaljenje u pravo vrijeme brzo zaustavlja proces kako bi se dobila svojstva oporavka čelika.
Trebamo li izostaviti specifikaciju tvrdoće? Ne. Karakteristike tvrdoće vrijedne su prvenstveno kao referentna točka pri specificiranju čeličnih cijevi. Tvrdoća je korisna mjera i jedna je od nekoliko karakteristika koje treba navesti prilikom naručivanja cjevastog materijala i provjeriti pri primitku (i treba je zabilježiti sa svakom pošiljkom). Kada je ispitivanje tvrdoće standard inspekcije, ono treba imati odgovarajuće vrijednosti na skali i kontrolne raspone.
Međutim, to nije pravi test za kvalificiranje (prihvaćanje ili odbijanje) materijala. Osim tvrdoće, proizvođači bi povremeno trebali testirati pošiljke kako bi utvrdili druga relevantna svojstva, kao što su MYS, UTS ili minimalno istezanje, ovisno o primjeni cijevi.
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.
Časopis Tube & Pipe Journal postao je prvi časopis posvećen industriji metalnih cijevi 1990. godine. Danas je to jedina publikacija u Sjevernoj Americi posvećena toj industriji i postao je najpouzdaniji izvor informacija za stručnjake za cijevi.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The FABRICATOR, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje časopisa The Tube & Pipe Journal sada je u potpunosti dostupno, omogućujući jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju časopisa STAMPING, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište štancanja metala.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju časopisa The Additive Report kako biste saznali kako se aditivna proizvodnja može koristiti za poboljšanje operativne učinkovitosti i povećanje profita.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The Fabricator en Español, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.