Vari protocolli di test (Brinell, Rockwell, Vickers) hanno procedure specifiche per il progetto in prova. Il test Rockwell T è adatto per ispezionare tubi a parete leggera tagliando il tubo longitudinalmente e testando la parete dal diametro interno piuttosto che dal diametro esterno.
Ordinare un tubo è un po' come andare da un concessionario di automobili e ordinare un'auto o un camion. Oggi, le numerose opzioni disponibili consentono agli acquirenti di personalizzare il veicolo in vari modi: colori interni ed esterni, pacchetti di finiture interne, opzioni di stile esterno, scelte di propulsione e un sistema audio che quasi rivaleggia con un sistema di intrattenimento domestico. Date tutte queste opzioni, potresti non essere soddisfatto di un veicolo standard e senza fronzoli.
I tubi in acciaio sono proprio questo. Ha migliaia di opzioni o specifiche. Oltre alle dimensioni, la specifica elenca diverse proprietà chimiche e meccaniche come il carico di snervamento minimo (MYS), il carico di rottura alla trazione (UTS) e l'allungamento minimo prima del cedimento. Tuttavia, molti nel settore - ingegneri, agenti di acquisto e produttori - utilizzano abbreviazioni del settore accettate che richiedono l'uso di tubi saldati "normali" e specificano solo una caratteristica: la durezza.
Prova a ordinare un'auto in base a una singola caratteristica ("Ho bisogno di un'auto con cambio automatico") e non andrai troppo lontano con un venditore. Deve compilare un modulo d'ordine con molte opzioni. Il tubo è proprio questo: per ottenere il tubo giusto per l'applicazione, il produttore del tubo ha bisogno di più informazioni oltre alla semplice durezza.
In che modo la durezza diventa un sostituto riconosciuto di altre proprietà meccaniche?Probabilmente è iniziato con un produttore di tubi.Poiché il test di durezza è rapido, facile e richiede attrezzature relativamente economiche, i venditori di tubi spesso usano il test di durezza per confrontare due tubi.Per eseguire un test di durezza, tutto ciò di cui hanno bisogno è una lunghezza regolare del tubo e un banco di prova.
La durezza del tubo si correla bene con UTS e, come regola generale, le percentuali o gli intervalli percentuali sono utili per stimare MYS, quindi è facile vedere come il test di durezza può essere un proxy adatto per altre proprietà.
Inoltre, altri test sono relativamente complessi. Mentre i test di durezza richiedono solo un minuto circa su una singola macchina, i test MYS, UTS e di allungamento richiedono la preparazione del campione e un investimento significativo in grandi apparecchiature di laboratorio. A titolo di confronto, un operatore di un laminatoio impiega pochi secondi per eseguire un test di durezza e ore per un tecnico metallurgico professionista per eseguire un test di trazione. Non è difficile eseguire un controllo di durezza.
Questo non vuol dire che i produttori di tubi ingegnerizzati non utilizzino i test di durezza. È sicuro affermare che la maggior parte delle persone lo fa, ma poiché eseguono valutazioni di ripetibilità e riproducibilità su tutte le loro apparecchiature di prova, sono ben consapevoli dei limiti del test. La maggior parte usa la valutazione della durezza del tubo come parte del processo di produzione, ma non la usa per quantificare le proprietà del tubo. Questo è solo un test di superamento/fallimento.
Perché è necessario conoscere MYS, UTS e l'allungamento minimo? Indicano come si comporterà il tubo durante l'assemblaggio.
MYS è la forza minima che causa la deformazione permanente del materiale. Se provi a piegare leggermente un filo dritto (come un appendiabiti) e a rilasciare la pressione, accadrà una delle due cose: tornerà al suo stato originale (dritto) o rimarrà piegato. Se è ancora dritto, non hai superato MYS. Se è ancora piegato, l'hai superato.
Ora, usa le pinze per bloccare entrambe le estremità del filo. Se riesci a strappare il filo in due pezzi, hai superato il suo UTS. Metti molta tensione su di esso e hai due fili per mostrare il tuo sforzo sovrumano. Se la lunghezza originale del filo è di 5 pollici, e le due lunghezze dopo il cedimento si sommano a 6 pollici, il filo viene allungato di 1 pollice, o del 20%. UTS.
I campioni di acciaio fotomicrografico devono essere tagliati, lucidati e incisi utilizzando una soluzione leggermente acida (solitamente acido nitrico e alcool (nitroetanolo)) per rendere visibili i grani. L'ingrandimento 100x è comunemente usato per ispezionare i grani di acciaio e determinare la dimensione dei grani.
La durezza è una prova di come un materiale risponde all'impatto.Immagina di inserire un breve pezzo di tubo in una morsa con ganasce seghettate e di girare la morsa per chiuderla.Oltre ad appiattire il tubo, le ganasce della morsa lasciano anche rientranze sulla superficie del tubo.
Ecco come funziona il test di durezza, ma non è così approssimativo. Questo test ha una dimensione dell'impatto controllata e una pressione controllata. Queste forze deformano la superficie, creando una rientranza o una rientranza. La dimensione o la profondità della rientranza determina la durezza del metallo.
Per la valutazione dell'acciaio, i test di durezza comuni sono Brinell, Vickers e Rockwell. Ciascuno ha la propria scala e alcuni hanno più metodi di prova, come Rockwell A, B e C. Per i tubi in acciaio, la specifica ASTM A513 fa riferimento al test Rockwell B (abbreviato come HRB o RB). l'acciaio è HRB 60.
Gli scienziati dei materiali sanno che la durezza è linearmente correlata all'UTS. Pertanto, una determinata durezza può prevedere l'UTS. Allo stesso modo, i produttori di tubi sanno che MYS e UTS sono correlati. Per i tubi saldati, il MYS è in genere compreso tra il 70% e l'85% dell'UTS. L'importo esatto dipende dal processo di fabbricazione del tubo. 000 PSI.
La specifica del tubo più comune nella produzione generale è la durezza massima. Oltre alle dimensioni, l'ingegnere si è preoccupato di specificare un tubo saldato a resistenza elettrica (ERW) all'interno di un buon intervallo di lavoro, che potrebbe comportare una durezza massima di HRB 60 eventualmente trovata sul disegno del componente. Questa decisione da sola porta a una gamma di proprietà meccaniche finali, inclusa la durezza stessa.
Innanzitutto, la durezza di HRB 60 non ci dice molto. La lettura di HRB 60 è un numero adimensionale. Il materiale valutato con HRB 59 è più morbido del materiale testato con HRB 60 e HRB 61 è più duro di HRB 60, ma di quanto? per pollice quadrato). La lettura di HRB 60 non ci dice nulla di specifico. Questa è una proprietà del materiale, ma non una proprietà fisica. In secondo luogo, il test di durezza non è adatto per la ripetibilità o la riproducibilità. La valutazione di due posizioni su un campione di prova, anche se le posizioni di prova sono vicine l'una all'altra, spesso si traduce in una grande variazione nelle letture di durezza. Ad aggravare questo problema è la natura del test. possibile.
Ciò non significa che il test di durezza sia scomodo. In effetti, fornisce una buona guida per l'UTS di un materiale ed è un test rapido e facile da eseguire. Tuttavia, chiunque sia coinvolto nella specifica, nell'acquisto e nella produzione di tubi dovrebbe essere consapevole dei suoi limiti come parametro di test.
Poiché il tubo "normale" non è ben definito, quando necessario, i produttori di tubi spesso lo restringono ai due tipi di tubi e tubi in acciaio più comunemente usati definiti in ASTM A513: 1008 e 1010. Anche dopo aver eliminato tutti gli altri tipi di tubi, le possibilità in termini di proprietà meccaniche di questi due tipi di tubi sono molto aperte. Infatti, questi tipi di tubi hanno la più ampia gamma di proprietà meccaniche di qualsiasi tipo.
Ad esempio, un tubo è descritto come morbido se il MYS è basso e l'allungamento è alto, il che significa che ha prestazioni migliori in termini di trazione, flessione e presa rispetto a un tubo descritto come duro, che ha un MYS relativamente alto e un allungamento relativamente basso. Questo è simile alla differenza tra filo morbido e duro, come appendiabiti e trapani.
L'allungamento stesso è un altro fattore che ha un impatto significativo sulle applicazioni critiche dei tubi. I tubi con elevato allungamento possono resistere alle forze di trazione;i materiali con basso allungamento sono più fragili e quindi più soggetti a guasti catastrofici di tipo fatica. Tuttavia, l'allungamento non è direttamente correlato all'UTS, che è l'unica proprietà meccanica direttamente correlata alla durezza.
Perché le proprietà meccaniche dei tubi variano così tanto? Innanzitutto, la composizione chimica è diversa. L'acciaio è una soluzione solida di ferro e carbonio e altre leghe importanti. Per semplicità, qui ci occuperemo solo delle percentuali di carbonio. Gli atomi di carbonio sostituiscono alcuni degli atomi di ferro, formando la struttura cristallina dell'acciaio. ASTM 1008 è un grado primario onnicomprensivo con un contenuto di carbonio dallo 0% allo 0,10%. -low.ASTM 1010 specifica un contenuto di carbonio compreso tra 0,08% e 0,13%. Queste differenze non sembrano enormi, ma sono abbastanza grandi da fare una grande differenza altrove.
In secondo luogo, il tubo d'acciaio può essere fabbricato o fabbricato e successivamente lavorato in sette diversi processi di produzione. ASTM A513 relativo alla produzione di tubi ERW elenca sette tipi:
Se la composizione chimica dell'acciaio e le fasi di produzione del tubo non hanno alcun effetto sulla durezza dell'acciaio, che cos'è? Rispondere a questa domanda significa esaminare attentamente i dettagli. Questa domanda pone altre due domande: quali dettagli e quanto vicini?
I dettagli sui grani che compongono l'acciaio sono la prima risposta. Quando l'acciaio viene prodotto in un'acciaieria primaria, non si raffredda in un enorme blocco con una sola caratteristica. Man mano che l'acciaio si raffredda, le molecole dell'acciaio si organizzano in schemi ripetuti (cristalli), simili a come si formano i fiocchi di neve. Dopo che i cristalli si sono formati, si aggregano in gruppi chiamati grani. accade a livello microscopico perché la dimensione media del grano dell'acciaio è larga circa 64 µ o 0,0025 pollici. Anche se ogni grano è simile al successivo, non sono uguali. Variano leggermente per dimensioni, orientamento e contenuto di carbonio. L'interfaccia tra i grani è chiamata bordo del grano.
Quanto lontano devi guardare per vedere i grani distinguibili? Un ingrandimento 100x, o una visione umana 100x, è sufficiente. Tuttavia, solo guardare l'acciaio non trattato a 100 volte la potenza non rivela molto. Il campione viene preparato lucidando il campione e incidendo la superficie con un acido (solitamente acido nitrico e alcol) chiamato mordenzante al nitroetanolo.
Sono i grani e il loro reticolo interno che determinano la resistenza all'urto, il MYS, l'UTS e l'allungamento che un acciaio può sopportare prima della rottura.
Le fasi di produzione dell'acciaio, come la laminazione a caldo ea freddo del nastro, applicano sollecitazioni alla struttura del grano;se cambiano forma in modo permanente, ciò significa che lo stress deforma il grano. Altre fasi di lavorazione, come avvolgere l'acciaio in bobine, svolgerlo e deformare i grani di acciaio attraverso un laminatoio per tubi (per formare e dimensionare il tubo). Anche la trafilatura a freddo del tubo sul mandrino esercita pressione sul materiale, così come le fasi di produzione come la formatura e la piegatura dell'estremità. I ​​cambiamenti nella struttura del grano sono chiamati dislocazioni.
I passaggi precedenti esauriscono la duttilità dell'acciaio, che è la sua capacità di resistere allo stress di trazione (pull-open). L'acciaio diventa fragile, il che significa che è più probabile che si rompa se continui a lavorarci sopra. L'allungamento è un componente della duttilità (la compressibilità è un altro). – è duttile – il che è un vantaggio.
Il calcestruzzo ha un'elevata resistenza alla compressione ma una bassa duttilità rispetto al calcestruzzo. Queste proprietà sono opposte a quelle dell'acciaio. Ecco perché il calcestruzzo utilizzato per strade, edifici e marciapiedi è spesso dotato di armature. Il risultato è un prodotto con i punti di forza di due materiali: sotto tensione, l'acciaio è resistente e sotto pressione, il cemento.
Durante la lavorazione a freddo, man mano che la duttilità dell'acciaio diminuisce, la sua durezza aumenta. In altre parole, si indurirà. A seconda della situazione, questo può essere un vantaggio;tuttavia, può essere uno svantaggio poiché la durezza è equiparata alla fragilità. Cioè, quando l'acciaio diventa più duro, diventa meno elastico;pertanto, è più probabile che fallisca.
In altre parole, ogni fase del processo consuma parte della duttilità del tubo. Diventa più duro man mano che la parte lavora e se è troppo dura è praticamente inutile. La durezza è fragilità e un tubo fragile è probabile che si rompa quando viene utilizzato.
Il produttore ha qualche opzione in questo caso? In breve, sì. Quell'opzione è la ricottura e, sebbene non sia del tutto magica, è il più vicino possibile alla magia.
In parole povere, la ricottura rimuove tutti gli effetti dello stress fisico sul metallo. Questo processo riscalda il metallo a una temperatura di distensione o di ricristallizzazione, eliminando così le dislocazioni. A seconda della temperatura e del tempo specifici utilizzati nel processo di ricottura, il processo ripristina quindi parte o tutta la sua duttilità.
La ricottura e il raffreddamento controllato promuovono la crescita del grano. Ciò è vantaggioso se l'obiettivo è ridurre la fragilità del materiale, ma la crescita incontrollata del grano può ammorbidire troppo il metallo, rendendolo inutilizzabile per l'uso previsto. L'arresto del processo di ricottura è un'altra cosa quasi magica. La tempra alla giusta temperatura con l'agente di tempra giusto al momento giusto interrompe rapidamente il processo per ottenere le proprietà di recupero dell'acciaio.
Dovremmo abbandonare la specifica di durezza? no. Le caratteristiche di durezza sono preziose principalmente come punto di riferimento quando si specificano tubi in acciaio. Una misura utile, la durezza è una delle numerose caratteristiche che dovrebbero essere specificate al momento dell'ordine del materiale tubolare e verificate al ricevimento (e dovrebbero essere registrate con ogni spedizione). Quando l'ispezione della durezza è lo standard di ispezione, dovrebbe avere valori di scala e intervalli di controllo appropriati.
Tuttavia, non è un vero test per qualificare (accettare o rifiutare) il materiale. Oltre alla durezza, i produttori dovrebbero occasionalmente testare le spedizioni per determinare altre proprietà rilevanti, come MYS, UTS o allungamento minimo, a seconda dell'applicazione 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.
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