Diversi protocolli di prova (Brinell, Rockwell, Vickers) hanno procedure specifiche per il progetto in esame. Il test Rockwell T è adatto per ispezionare tubi a parete leggera tagliando il tubo longitudinalmente e testando la parete dal diametro interno anziché da quello esterno.
Ordinare un tubolare è un po' come andare in un concessionario e ordinare un'auto o un camioncino. Oggi, le numerose opzioni disponibili consentono agli acquirenti di personalizzare il veicolo in vari modi: colori degli interni e degli 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. Considerate tutte queste opzioni, potresti non essere soddisfatto di un veicolo standard e senza fronzoli.
I tubi in acciaio sono proprio questo. Hanno migliaia di opzioni o specifiche. Oltre alle dimensioni, le specifiche elencano proprietà chimiche e diverse proprietà meccaniche, come il limite minimo di snervamento (MYS), il limite massimo di trazione (UTS) e l'allungamento minimo prima della rottura. Tuttavia, molti nel settore (ingegneri, addetti agli acquisti e produttori) utilizzano abbreviazioni industriali 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 molto lontano con un venditore. Dovrà compilare un modulo d'ordine con molte opzioni. I tubi sono proprio questo: per ottenere il tubo giusto per l'applicazione, il produttore dei tubi ha bisogno di più informazioni della sola durezza.
Come fa la durezza a diventare un sostituto riconosciuto di altre proprietà meccaniche? Probabilmente è iniziato con un produttore di tubi. Poiché la prova di durezza è rapida, semplice e richiede attrezzature relativamente economiche, i venditori di tubi spesso usano la prova di durezza per confrontare due tubi. Per eseguire una prova di durezza, tutto ciò di cui hanno bisogno è un tratto di tubo liscio e un banco di prova.
La durezza del tubo è ben correlata all'UTS e, come regola generale, le percentuali o gli intervalli percentuali sono utili per stimare l'MYS, quindi è facile vedere come la prova di durezza possa essere un indicatore adeguato per altre proprietà.
Inoltre, altri test sono relativamente complessi. Mentre il test di durezza richiede 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 attrezzature di laboratorio. A titolo di paragone, un operatore di un laminatoio per tubi impiega pochi secondi per eseguire un test di durezza e un tecnico metallurgico professionista impiega ore per eseguire un test di trazione. Non è difficile eseguire un controllo della durezza.
Ciò non significa 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 della ripetibilità e riproducibilità degli strumenti su tutte le loro apparecchiature di prova, sono ben consapevoli dei limiti del test. La maggior parte utilizza la valutazione della durezza dei tubi come parte del processo di produzione, ma non la usa per quantificare le proprietà dei tubi. Si tratta solo di un test di superamento/fallimento.
Perché è importante conoscere MYS, UTS e allungamento minimo? Indicano come si comporterà il tubo durante l'assemblaggio.
MYS è la forza minima che causa una deformazione permanente del materiale. Se provi a piegare leggermente un filo dritto (come una gruccia) e a rilasciare la pressione, accadrà una di queste due cose: tornerà al suo stato originale (dritto) oppure rimarrà piegato. Se è ancora dritto, non hai superato il MYS. Se è ancora piegato, hai superato il limite.
Ora, usa delle pinze per stringere entrambe le estremità del filo. Se riesci a strappare il filo in due pezzi, hai superato il suo UTS. Gli applichi molta tensione e hai due fili a dimostrazione del tuo sforzo sovrumano. Se la lunghezza originale del filo è di 5 pollici e le due lunghezze dopo la rottura sommano a 6 pollici, il filo è allungato di 1 pollice, ovvero del 20%. Il test di allungamento effettivo viene misurato entro 2 pollici dal punto di rottura, ma comunque sia, il concetto di filo di trazione illustra l'UTS.
I campioni di microfotografia in acciaio devono essere tagliati, lucidati e incisi utilizzando una soluzione leggermente acida (solitamente acido nitrico e alcol (nitroetanolo)) per rendere visibili i grani. Per ispezionare i grani di acciaio e determinarne la dimensione, si usa comunemente un ingrandimento 100x.
La durezza è un test che valuta la reazione di un materiale all'impatto. Immagina di mettere un breve pezzo di tubo in una morsa con ganasce seghettate e di ruotare la morsa per chiuderla. Oltre ad appiattire il tubo, le ganasce della morsa lasciano anche delle incisioni sulla superficie del tubo.
Ecco come funziona il test di durezza, ma non è così brutale. Questo test prevede una dimensione d'impatto controllata e una pressione controllata. Queste forze deformano la superficie, creando un'ammaccatura o un'indentazione. La dimensione o la profondità dell'ammaccatura determina la durezza del metallo.
Per valutare l'acciaio, i test di durezza più comuni sono Brinell, Vickers e Rockwell. Ognuno ha la sua 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 in HRB o RB). Il test Rockwell B misura la differenza di penetrazione dell'acciaio da parte di una sfera d'acciaio di 1⁄16 di pollice di diametro tra un piccolo precarico e un carico primario di 100 kgf. Un risultato tipico per l'acciaio dolce standard è HRB 60.
Gli scienziati dei materiali sanno che la durezza è linearmente correlata all'UTS. Pertanto, una data durezza può prevedere l'UTS. Allo stesso modo, i produttori di tubi sanno che MYS e UTS sono correlati. Per i tubi saldati, MYS è in genere dal 70% all'85% di UTS. La quantità esatta dipende dal processo di fabbricazione del tubo. La durezza di HRB 60 è correlata a un UTS di 60.000 libbre per pollice quadrato (PSI) e un MYS dell'80%, ovvero 48.000 PSI.
La specifica più comune per i tubi nella produzione generale è la durezza massima. Oltre alle dimensioni, l'ingegnere era interessato a specificare un tubo saldato con saldatura a resistenza elettrica (ERW) entro un buon intervallo di lavoro, che avrebbe potuto comportare una durezza massima di 60 HRB sul disegno del componente. Questa decisione da sola determina una gamma di proprietà meccaniche finali, tra cui la durezza stessa.
In primo luogo, 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? Non può essere quantificato come il volume (misurato in decibel), la coppia (misurata in libbre-piedi), la velocità (misurata in distanza rispetto al tempo) o UTS (misurata in libbre 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, la prova di durezza non è adatta per la ripetibilità o la riproducibilità. La valutazione di due punti su un provino, anche se i punti di prova sono vicini tra loro, spesso si traduce in una grande variazione nelle letture di durezza. A complicare questo problema è la natura della prova. Dopo che una posizione è stata misurata, non può essere misurata una seconda volta per verificare i risultati. La ripetibilità del test non è possibile.
Ciò non significa che la prova di durezza sia scomoda. Anzi, fornisce una buona guida per l'UTS di un materiale ed è una prova rapida 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 prova.
Poiché il tubo "normale" non è ben definito, quando necessario i produttori di tubi spesso lo restringono ai due tipi di tubi in acciaio e tubi 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 ampie. 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 cedimento rispetto a un tubo descritto come duro, che ha un MYS relativamente alto e un allungamento relativamente basso. Ciò è simile alla differenza tra fili morbidi e duri, come quelli delle grucce e dei trapani.
Anche l'allungamento è un 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 inclini a guasti catastrofici di tipo fatica. Tuttavia, l'allungamento non è direttamente correlato alla durezza 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, carbonio e altre leghe importanti. Per semplicità, qui tratteremo solo le percentuali di carbonio. Gli atomi di carbonio sostituiscono alcuni atomi di ferro, formando la struttura cristallina dell'acciaio. L'ASTM 1008 è un grado primario onnicomprensivo con un contenuto di carbonio dallo 0% allo 0,10%. Zero è un numero molto speciale che produce proprietà uniche quando il contenuto di carbonio nell'acciaio è bassissimo. L'ASTM 1010 specifica un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,08% e lo 0,13%. Queste differenze non sembrano enormi, ma sono abbastanza grandi da fare una grande differenza altrove.
In secondo luogo, il tubo in acciaio può essere fabbricato o fabbricato e successivamente lavorato in sette diversi processi di produzione. La norma ASTM A513 relativa alla produzione di tubi ERW elenca sette tipi:
Se la composizione chimica dell'acciaio e le fasi di produzione dei tubi non hanno alcun effetto sulla durezza dell'acciaio, qual è? Rispondere a questa domanda significa analizzare attentamente i dettagli. Questa domanda solleva altre due domande: quali dettagli e quanto precisi?
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 singola caratteristica. Man mano che l'acciaio si raffredda, le sue molecole si organizzano in schemi ripetuti (cristalli), in modo simile a come si formano i fiocchi di neve. Dopo che i cristalli si sono formati, si aggregano in gruppi chiamati grani. Con il progredire del raffreddamento, i grani crescono e si formano in tutta la lamiera o la piastra. I grani smettono di crescere quando le ultime molecole di acciaio vengono assorbite dai grani. Tutto ciò avviene a livello microscopico perché la dimensione media dei grani di acciaio è di circa 64 µ o 0,0025 pollici di larghezza. Sebbene ogni grano sia simile al successivo, non sono uguali. Variano leggermente in termini di dimensioni, orientamento e contenuto di carbonio. L'interfaccia tra i grani è chiamata bordo grano. Quando l'acciaio si rompe, ad esempio a causa di cricche da fatica, tende a rompersi lungo i bordi grano.
Quanto lontano bisogna guardare per vedere grani distinguibili? Un ingrandimento 100x, o la visione umana 100x, è sufficiente. Tuttavia, guardare semplicemente l'acciaio non trattato a 100 volte l'ingrandimento non rivela molto. Il campione viene preparato lucidandolo e incidendo la superficie con un acido (solitamente acido nitrico e alcol) chiamato agente mordenzante al nitroetanolo.
Sono i grani e il loro reticolo interno a determinare la resistenza all'impatto, MYS, UTS e l'allungamento che un acciaio può sopportare prima di rompersi.
Le fasi di produzione dell'acciaio, come la laminazione a caldo e a freddo delle strisce, applicano sollecitazioni nella struttura dei grani; se cambiano forma in modo permanente, significa che la sollecitazione deforma i grani. Altre fasi di lavorazione, come l'avvolgimento dell'acciaio in bobine, lo svolgimento e la deformazione dei grani di acciaio tramite 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 delle estremità e la piegatura. Le variazioni nella struttura dei grani sono chiamate dislocazioni.
I passaggi sopra descritti riducono la duttilità dell'acciaio, ovvero la sua capacità di resistere a sollecitazioni di trazione (apertura). L'acciaio diventa fragile, il che significa che è più probabile che si rompa se si continua a lavorarci. L'allungamento è una componente della duttilità (l'altra è la comprimibilità). È importante capire che la rottura si verifica più spesso durante le sollecitazioni di trazione, non di compressione. L'acciaio è molto resistente alle sollecitazioni di trazione grazie alla sua capacità di allungamento relativamente elevata. Tuttavia, l'acciaio si deforma facilmente sotto sollecitazioni di compressione: 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 barre d'armatura. Il risultato è un prodotto con la resistenza di due materiali: sotto tensione, l'acciaio è forte, sotto pressione, il calcestruzzo.
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 anche essere uno svantaggio, poiché la durezza è sinonimo di fragilità. Vale a dire che man mano che l'acciaio diventa più duro, diventa meno elastico; quindi, è più probabile che si rompa.
In altre parole, ogni fase del processo consuma parte della duttilità del tubo. Diventa più duro man mano che il pezzo viene lavorato e, se è troppo duro, è praticamente inutile. La durezza è sinonimo di fragilità e un tubo fragile rischia di rompersi durante l'uso.
Il produttore ha qualche opzione in questo caso? In breve, sì. L'opzione è la ricottura e, sebbene non sia proprio magica, è la cosa più vicina alla magia che si possa immaginare.
In parole povere, la ricottura elimina tutti gli effetti dello stress fisico sul metallo. Questo processo riscalda il metallo fino 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 favoriscono la crescita dei grani. Questo è utile se l'obiettivo è ridurre la fragilità del materiale, ma una crescita incontrollata dei grani 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 arresta rapidamente il processo per ottenere le proprietà di recupero dell'acciaio.
Dovremmo eliminare la specifica della 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 devono essere specificate quando si ordina materiale tubolare e verificate al ricevimento (e devono 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 si tratta di un vero e proprio 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.
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