さまざまなテスト プロトコル (ブリネル、ロックウェル、ビッカース) には、テスト対象のプロジェクトに固有の手順があります。ロックウェル T テストは、チューブを縦に切断し、外径ではなく内径から壁をテストすることにより、薄肉チューブを検査するのに適しています。
チューブを注文することは、自動車販売店に行って車やトラックを注文することに少し似ています。今日では、内装と外装の色、内装トリム パッケージ、外装スタイリング オプション、パワートレインの選択、ホーム エンターテイメント システムに匹敵するオーディオ システムなど、さまざまな方法で購入者が車両をカスタマイズできるオプションが豊富に用意されています。これらのオプションをすべて考慮すると、標準的で飾り気のない車両では満足できないかもしれません。
鋼管はまさにその名の通りで、何千ものオプションや仕様があります。寸法に加えて、仕様には、最小降伏強度 (MYS)、極限引張強度 (UTS)、破損前の最小伸びなど、化学的特性やいくつかの機械的特性が記載されています。しかし、業界のエンジニア、購買担当者、製造業者の多くは、業界で認められた略語を使用して、「通常の」溶接管の使用を義務付け、硬度という 1 つの特性のみを指定しています。
車を 1 つの特性（「オートマチック トランスミッションの車が必要です」）で注文しようとしても、セールスマンからはあまり何も得られません。セールスマンは、多くのオプションを含む注文書に記入する必要があります。パイプもまさにその通りです。用途に適したパイプを得るために、パイプ製造業者は硬度以外の情報も必要とします。
硬度はどのようにして他の機械的特性の代用として認識されるようになったのでしょうか。おそらく、パイプ製造業者が始めたものでしょう。硬度テストは迅速かつ簡単で、比較的安価な機器を必要とするため、チューブ販売員は 2 本のチューブを比較するために硬度テストを使用することがよくあります。硬度テストを実行するために必要なのは、滑らかな長さのパイプとテスト スタンドだけです。
チューブの硬度は UTS とよく相関しており、経験則として、パーセンテージまたはパーセンテージの範囲は MYS を推定するのに役立ちます。そのため、硬度テストが他の特性の適切な代替指標になり得ることは容易に理解できます。
また、他のテストは比較的複雑です。硬度テストは単一のマシンで1分程度しかかかりませんが、MYS、UTS、および伸びテストにはサンプルの準備と大型の実験装置への多額の投資が必要です。比較すると、チューブミルのオペレーターが硬度テストを実行するには数秒かかり、プロの冶金技術者が引張テストを実行するには数時間かかります。硬度チェックを実行することは難しくありません。
これは、エンジニアリングパイプ製造業者が硬度テストを使用していないと言っているわけではありません。ほとんどの人が使用していると言っても過言ではありませんが、すべてのテスト機器でゲージの繰り返し性と再現性の評価を行っているため、テストの限界を十分に認識しています。ほとんどの製造業者は、製造プロセスの一部としてチューブの硬度を評価していますが、チューブの特性を定量化するために使用していません。これは単なる合否テストです。
MYS、UTS、最小伸びについて知っておく必要があるのはなぜでしょうか。これらは、チューブが組み立て時にどのように動作するかを示します。
MYS は、材料の永久変形を引き起こす最小の力です。まっすぐなワイヤー (コートハンガーなど) を少し曲げて圧力を解放すると、次の 2 つのうちのいずれかが起こります。元の状態 (まっすぐ) に戻るか、曲がったままになります。まだまっすぐであれば、MYS を超えていません。まだ曲がっている場合は、MYS を超えています。
次に、ペンチを使用してワイヤの両端を挟みます。ワイヤを 2 つに引き裂くことができれば、UTS を超えています。ワイヤに大きな張力をかけると、超人的な努力を示す 2 本のワイヤが得られます。ワイヤの元の長さが 5 インチで、破損後の 2 つの長さを合計すると 6 インチになる場合、ワイヤは 1 インチ、つまり 20% 伸びています。実際の伸びテストは破損点から 2 インチ以内で測定されますが、とにかく、ワイヤを引っ張るという概念によって UTS が示されます。
鋼の顕微鏡写真サンプルは、粒子を見えるようにするために、弱酸性溶液（通常は硝酸とアルコール（ニトロエタノール））を使用して切断、研磨、エッチングする必要があります。鋼の粒子を検査し、粒子サイズを決定するには、通常、100 倍の倍率が使用されます。
硬度は、物質が衝撃に対してどのように反応するかをテストするものです。短いパイプを鋸歯状のジョーが付いたバイスに入れて、バイスを回して閉じるところを想像してください。パイプを平らにするだけでなく、バ​​イスのジョーはチューブの表面にへこみを残します。
硬度試験はこのように行われますが、それほど厳しいものではありません。この試験では、衝撃の大きさと圧力が制御されています。これらの力によって表面が変形し、へこみや窪みが生じます。へこみの大きさや深さによって、金属の硬度が決まります。
鋼を評価するための一般的な硬度試験は、ブリネル、ビッカース、ロックウェルです。それぞれに独自の尺度があり、ロックウェル A、B、C など、複数の試験方法があるものもあります。鋼管の場合、ASTM 仕様 A513 はロックウェル B 試験 (略して HRB または RB) を参照します。ロックウェル B 試験は、小さな予荷重と 100 kgf の主荷重の間で、直径 1⁄16 インチの鋼球による鋼の貫入の差を測定します。標準的な軟鋼の一般的な結果は HRB 60 です。
材料科学者は、硬度が UTS と直線関係にあることを知っています。したがって、特定の硬度から UTS を予測できます。同様に、チューブ製造業者は、MYS と UTS が関連していることを知っています。溶接パイプの場合、MYS は通常 UTS の 70% ～ 85% です。正確な量はチューブの製造プロセスによって異なります。HRB 60 の硬度は、UTS が 60,000 ポンド/平方インチ (PSI)、MYS が 80%、つまり 48,000 PSI に相当します。
一般的な製造業で最も一般的なパイプ仕様は、最大硬度です。サイズに加えて、エンジニアは、良好な動作範囲内で溶接された電気抵抗溶接 (ERW) パイプを指定することに関心があり、その結果、コンポーネントの図面に最大硬度 HRB 60 が記載される可能性があります。この決定だけで、硬度自体を含む最終的な機械的特性の範囲が決まります。
まず、HRB 60の硬度は、あまり多くのことを教えてくれません。HRB 60という数値は無次元数です。HRB 59で評価された材料はHRB 60でテストされた材料よりも柔らかく、HRB 61はHRB 60よりも硬いのですが、どの程度硬いのでしょうか？体積（デシベルで測定）、トルク（ポンドフィートで測定）、速度（時間に対する距離で測定）、UTS（ポンド/平方インチで測定）のように定量化することはできません。HRB 60の数値は、具体的なことは何も教えてくれません。これは材料の特性であり、物理的特性ではありません。次に、硬度試験は繰り返し性や再現性には適していません。試験片上の2つの場所を評価する場合、試験場所が互いに近くても、硬度の測定値に大きなばらつきが生じることがよくあります。この問題をさらに複雑にしているのは、試験の性質です。ある位置を測定した後、その位置を再度測定して、結果。テストの再現は不可能です。
これは、硬度試験が不便であることを意味するものではありません。実際、硬度試験は材料の UTS の優れたガイドを提供し、迅速かつ簡単に実行できる試験です。ただし、チューブの指定、購入、製造に関わるすべての人が、試験パラメータとしての硬度試験の限界を認識しておく必要があります。
「通常の」パイプは明確に定義されていないため、必要に応じて、パイプ製造業者は、ASTM A513: 1008 と 1010 で定義されている、最も一般的に使用される 2 つの鋼管とパイプ タイプに絞り込むことがよくあります。他のすべてのチューブ タイプを除外した後でも、これら 2 つのチューブ タイプの機械的特性の可能性は大きく広がります。実際、これらのチューブ タイプは、あらゆるタイプの中で最も幅広い機械的特性を備えています。
たとえば、MYS が低く伸びが大きいチューブは柔らかいと表現されます。これは、MYS が比較的高く伸びが比較的低い硬いと表現されるチューブよりも、引張、たわみ、およびセットの性能が優れていることを意味します。これは、コートハンガーやドリルなどの柔らかいワイヤーと硬いワイヤーの違いに似ています。
伸び自体は、重要なパイプ用途に重大な影響を与えるもう 1 つの要素です。伸び率の高いチューブは引張力に耐えることができ、伸び率の低い材料は脆くなり、そのため壊滅的な疲労タイプの破損が発生しやすくなります。ただし、伸び率は UTS とは直接関係がありません。UTS は硬度に直接関係する唯一の機械的特性です。
なぜチューブの機械的特性は、このように大きく異なるのでしょうか。まず、化学組成が異なります。鋼は、鉄と炭素およびその他の重要な合金の固溶体です。簡単にするために、ここでは炭素の割合についてのみ扱います。炭素原子は鉄原子の一部を置き換えて、鋼の結晶構造を形成します。ASTM 1008 は、炭素含有量が 0% ～ 0.10% の包括的な一次等級です。ゼロは非常に特別な数字であり、鋼の炭素含有量が非常に低い場合に、独自の特性を生み出します。ASTM 1010 は、0.08% ～ 0.13% の炭素含有量を指定します。これらの違いは大きくないように見えますが、他の場所で大きな違いを生むには十分な大きさです。
2 番目に、鋼管は 7 つの異なる製造プロセスで製造、または製造後に加工することができます。ERW パイプの製造に関連する ASTM A513 では、次の 7 つのタイプがリストされています。
鋼の化学組成と管の製造工程が鋼の硬度に影響を与えないのであれば、何が影響を与えるのでしょうか。この質問に答えるには、詳細を詳しく調べる必要があります。この質問は、さらに 2 つの質問を引き起こします。どのような詳細か、そしてどの程度近いか。
鋼鉄を構成する結晶粒の詳細が、最初の答えです。鋼鉄は一次製鋼所で作られる際、単一の特徴を持つ巨大な塊に冷却されるわけではありません。鋼鉄が冷えると、鋼鉄の分子は、雪の結晶が形成されるのと同じように、繰り返しパターン (結晶) に組織化されます。結晶が形成されると、それらは結晶粒と呼ばれるグループに集まります。冷却が進むと、結晶粒は成長し、シートまたはプレート全体に形成されます。最後の鋼鉄分子が結晶粒に吸収されると、結晶粒の成長は停止します。平均的な鋼鉄結晶粒のサイズは、約 64 µm (0.0025 インチ) の幅であるため、これらはすべて微視的レベルで起こります。各結晶粒は隣の結晶粒と似ていますが、すべて同じではありません。それらは、サイズ、方向、および炭素含有量がわずかに異なります。結晶粒と結晶粒の間の境界面は粒界と呼ばれます。鋼鉄が、たとえば疲労亀裂によって破損する場合、粒界に沿って破損する傾向があります。
識別できる粒子を見るには、どのくらい遠くまで見なければならないでしょうか? 100 倍の倍率、つまり人間の視力の 100 倍で十分です。ただし、未処理の鋼を 100 倍の倍率で見るだけでは、あまり多くのことはわかりません。サンプルは、サンプルを研磨し、ニトロエタノール エッチング液と呼ばれる酸 (通常は硝酸とアルコール) で表面をエッチングすることによって準備されます。
鋼が破損するまでに耐えられる衝撃強度、MYS、UTS、伸びを決定するのは、粒子とその内部格子です。
鋼板の熱間圧延や冷間圧延などの製鋼工程では、結晶粒構造に応力がかかります。結晶粒構造が永久的に変化した場合、応力によって結晶粒が変形していることを意味します。その他の処理工程には、鋼をコイル状に巻く、コイルをほどく、鋼粒をチューブミルで変形させる（チューブを成形してサイズを決める）などがあります。マンドレル上でのチューブの冷間引抜きも、端部成形や曲げなどの製造工程と同様に、材料に圧力をかけます。結晶粒構造の変化は転位と呼ばれます。
上記の手順により、鋼の延性、つまり引張（引き開く）応力に耐える能力が低下します。鋼は脆くなり、そのまま作業を続けると破損する可能性が高くなります。伸びは延性の 1 つの要素です（圧縮性は別の要素です）。破損は圧縮時ではなく、引張応力時に最も頻繁に発生することを理解することが重要です。鋼は比較的伸び率が高いため、引張応力に対して非常に耐性があります。ただし、鋼は圧縮応力を受けると簡単に変形します（延性があるため）。これは利点です。
コンクリートは、コンクリートに比べて圧縮強度は高いですが、延性は低くなっています。これらの特性は鋼鉄とは逆です。そのため、道路、建物、歩道に使用されるコンクリートには、多くの場合、鉄筋が使用されています。その結果、張力下では鋼鉄が強く、圧力下ではコンクリートが強くなるという、2つの材料の長所を兼ね備えた製品が生まれます。
冷間加工中、鋼の延性が低下すると硬度が増大します。つまり、硬化します。状況によっては、これは利点となる場合もありますが、硬さは脆さと同義であるため、欠点となる場合もあります。つまり、鋼が硬くなると弾性が低下するため、破損する可能性が高くなります。
言い換えれば、各プロセスステップでパイプの延性がいくらか消費されます。部品が使用されるにつれてパイプは硬くなり、硬すぎると基本的に役に立たなくなります。硬さは脆さであり、脆いチューブは使用時に破損する可能性が高くなります。
この場合、メーカーには何か選択肢があるのでしょうか? 一言で言えば、あります。その選択肢とはアニーリングであり、これはまさに魔法ではありませんが、限りなく魔法に近いものです。
簡単に言えば、焼きなましは金属に対する物理的ストレスの影響をすべて除去します。このプロセスでは、金属を応力緩和温度または再結晶温度まで加熱し、転位を除去します。焼きなましプロセスで使用される特定の温度と時間に応じて、このプロセスによって金属の延性の一部またはすべてが回復します。
焼きなましと制御された冷却は、結晶粒の成長を促進します。材料の脆さを軽減することが目的の場合は、これは有益ですが、制御されていない結晶粒の成長は金属を過度に軟化させ、意図された用途に使用できなくなる可能性があります。焼きなましプロセスを停止することは、もう 1 つのほぼ魔法のことです。適切な温度で適切な焼入れ剤を使用して適切なタイミングで焼入れを行うと、プロセスがすぐに停止し、鋼の回復特性が得られます。
硬度の指定を省略すべきでしょうか?いいえ。硬度特性は、主に鋼管を指定する際の基準点として役立ちます。硬度は、管状材料を発注する際に指定し、受領時に確認する(出荷ごとに記録する)必要がある特性の1つです。硬度検査が検査基準である場合、適切なスケール値と管理範囲が必要です。
ただし、これは材料を適格とする（合格または不合格とする）ための真のテストではありません。製造業者は、硬度に加えて、チューブの用途に応じて、MYS、UTS、最小伸びなど、他の関連する特性を判断するために、出荷品を定期的にテストする必要があります。
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