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、チューブを長さ方向に切断し、外径ではなく内径から壁をテストすることにより、ライトウォール チューブの検査に適しています。
チューブの注文は、自動車ディーラーに行って車やトラックを注文するのと少し似ています。現在、多くのオプションが用意されているため、購入者は、内外装の色、インテリアトリムパッケージ、外装スタイルのオプション、パワートレインの選択、ホームエンターテインメントシステムに匹敵するオーディオシステムなど、さまざまな方法で車両をカスタマイズできます。これらすべてのオプションを考慮すると、標準的な飾り気のない車では満足できないかもしれません。
鋼管はまさにそのようなものです。鋼管には何千ものオプションや仕様があります。仕様には、寸法に加えて、最小降伏強さ (MYS)、極限引張強さ (UTS)、破断前の最小伸びなどの化学的特性といくつかの機械的特性がリストされています。しかし、業界の多くのエンジニア、購買代理店、メーカーは、「通常の」溶接パイプの使用を必要とする業界で認められている略語を使用し、特性を 1 つだけ指定しています。硬度。
単一の特性 (「オートマチック トランスミッションを備えた車が必要です」) に基づいて車を注文してみてください。セールスマンとの関係はそれほど難しくありません。セールスマンは多くのオプションを含む注文フォームに記入する必要があります。パイプとはまさにそのようなものです。用途に適したパイプを入手するために、パイプ メーカーは硬度だけでなく、より多くの情報を必要とします。
硬さはどのようにして他の機械的特性の代替として認められるようになりますか?それはおそらくパイプの製造業者から始まったものと思われます。硬さ試験は迅速かつ簡単で、比較的安価な機器が必要なため、管の営業担当者はよく硬さ試験を使用して 2 つの管を比較します。硬さ試験を実行するために必要なのは、滑らかな長さのパイプと試験スタンドだけです。
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つため、硬度試験が他の特性の適切な代用となり得ることが簡単にわかります。
また、他の試験は比較的複雑です。硬さ試験は 1 台の機械でわずか 1 分程度しかかかりませんが、MYS、UTS、伸び試験にはサンプルの準備と大規模な実験室設備への多額の投資が必要です。それに比べて、チューブミルのオペレーターが硬さ試験を行うには数秒かかり、プロの冶金技術者が引張試験を行うには数時間かかります。硬さのチェックを実行することは難しいことではありません。
これは、加工パイプのメーカーが硬度試験を使用していないと言っているわけではありません。ほとんどの人が硬度試験を使用していると言っても過言ではありませんが、すべての試験装置でゲージの再現性と再現性の評価を行っているため、メーカーは試験の限界をよく認識しています。ほとんどの製造プロセスの一部としてチューブの硬度の評価を使用していますが、チューブの特性を定量化するためには使用していません。これは単なる合否テストです。
MYS、UTS、最小伸びについて知る必要があるのはなぜですか?これらは、組み立て時にチューブが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。真っ直ぐなワイヤー (コート ハンガーなど) を少し曲げて圧力を解放しようとすると、2 つのうちの 1 つが起こります。元の状態 (真っ直ぐ) に戻るか、曲がったままになります。まだ真っ直ぐな場合は、MYS を超えていません。まだ曲がっている場合は、オーバーシュートです。
次に、ペンチを使ってワイヤーの両端をクランプします。ワイヤーを 2 つの部分に引き裂くことができれば、UTS を超えています。ワイヤーに多くの張力をかけ、超人的な努力を示すために 2 本のワイヤーを用意します。ワイヤーの元の長さが 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、ワイヤーは 1 インチ、つまり 20% 伸びます。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、いずれにせよ、プル ワイヤーの概念は、 UTS。
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、切断、研磨、弱酸性溶液 (通常は硝酸とアルコール (ニトロエタノール)) を使用してエッチングする必要があります。鋼粒子を検査して粒子サイズを決定するには、100 倍の倍率が一般的に使用されます。
硬度は、材料が衝撃にどのように反応するかをテストするものです。鋸歯状のジョーが付いた万力に短いパイプを入れ、万力を回して閉じることを想像してください。チューブを平らにすることに加えて、万力のジョーはチューブの表面にくぼみを残します。
これが硬度試験の仕組みですが、それほど大まかな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ます。これらの力によって表面が変形し、くぼみまたはくぼみが作成されます。くぼみのサイズまたは深さが金属の硬度を決定します。
鋼の評価に一般的な硬さ試験はブリネル、ビッカース、ロックウェルです。それぞれに独自のスケールがあり、ロックウェル A、B、C などの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 (HRB または RB と略称) を参照しています。ロックウェル B 試験は、小さな予圧と 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。標準的な軟鋼の典型的な結果は HRB 60 です。
材料科学者は、硬度が UTS と直線的に関係してい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、管メーカーも 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。正確な量は管の製造プロセスによって異なります。HRB 60 の硬度は、60,000 ポンド/平方インチ (PSI) の UTS および 80% の MYS に相関します。 48,000PSI。
一般的な製造における最も一般的なパイプの仕様は、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縫溶接 (ERW) パイプを指定することにも関心を持っていました。その結果、おそらく HRB 60 の最大硬度が部品図面上に表示される可能性があります。この決定だけでも、硬度自体を含むさまざまな最終機械的特性につながります。
まず、HRB 60 の硬度からは多くのことがわかりません。HRB 60 の読み取り値は無次元の数値です。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 より硬いですが、どのくらいですか?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)、または UTS のように定量化することはできません。 (ポンド/平方インチで測定)。HRB 60 を読み取っても、具体的なことは何もわかりません。これは材料の特性ですが、物理的特性ではありません。第二に、硬さ試験は再現性や再現性に適していません。試験片上の 2 つの位置を評価すると、たとえ試験位置が互いに近い場合でも、硬さ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。この問題がさらに複雑になるのは試験の性質です。ある位置を測定した後は、再度測定することはできません。結果を確認してください。テストの再現性は不可能です。
これは、硬度試験が不便であるという意味ではありません。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、製造に携わるすべての人は、試験パラメータとしての限界を認識する必要があります。
「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 メーカーは、最も一般的に使用される 2 つの鋼管と、ASTM A513 で定義されているパイプ タイプ (1008 および 1010) 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開かれています。実際、これらのチューブ タイプは、どのタイプのチューブよりも幅広い機械的特性を持っています。
たとえば、MYS が低く伸びが高い場合、その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。
伸び自体も、重要なパイプ用途に大きな影響を与えるもう 1 つの要素です。伸びが高いチューブは引張力に耐えることができます。伸びが低い材料はより脆いため、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、伸びは、硬さに直接関係する唯一の機械的特性である UTS には直接関係しません。
チューブの機械的特性がこれほど異なるのはなぜですか? まず、化学組成が異なります。鋼は鉄と炭素、その他の重要な合金の固溶体です。わかりやすくするために、ここでは炭素の割合のみを扱います。炭素原子は鉄原子の一部を置き換え、鋼の結晶構造を形成します。ASTM 1008 は、炭素含有量が 0% ～ 0.10% の包括的な一次グレードです。ゼロは、炭素が含まれるときに独特の特性を生み出す非常に特別な数字です。鋼中の炭素含有量は非常に低いです。ASTM 1010 では、炭素含有量が 0.08% ～ 0.13% と規定されています。これらの違いはそれほど大きくないようですが、他の部分では大きな違いを生むのに十分な大きさです。
第二に、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 には、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及ぼさない場合、鋼の硬度は何ですか?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。この質問には、さらに 2 つの質問が生じます。詳細はどのようなもので、どれくらい近いものですか?
鋼を構成する粒子の詳細が最初の答えです。第一の製鉄所で鋼が製造されるとき、鋼は単一の特徴を備えた巨大なブロックに冷却されません。鋼が冷えるにつれて、雪の結晶が形成されるのと同じように、鋼の分子は繰り返しのパターン (結晶) で組織されます。結晶が形成された後、結晶は粒子と呼ばれるグループに集合します。冷却が進むにつれて、粒子が成長し、シートまたはプレート全体に形成されます。最後の鋼の分子が粒子に吸収されると、粒子の成長が停止します。これらすべてが発生します。平均サイズの鋼粒子の幅は約 64 μ または 0.0025 インチであるため、顕微鏡レベルです。各粒子は隣の粒子と似ていますが、同じではありません。サイズ、方向、炭素含有量がわずかに異なります。粒子間の界面は粒界と呼ばれます。たとえば疲労亀裂が原因で鋼が破損する場合、粒界に沿って破損する傾向があります。
識別可能な粒子を確認するには、どのくらい遠くまで見なければなりませんか? 100 倍の倍率、つまり人間の視覚の 100 倍で十分です。しかし、未処理の鋼を 100 倍の倍率で見ただけでは、多くはわかりません。サンプルは、サンプルを研磨し、ニトロエタノール エッチャントと呼ばれる酸 (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。
鋼が破損する前に耐えられる衝撃強度、MYS、UTS、伸びを決定するのは、結晶粒とその内部格子です。
ストリップの熱間および冷間圧延などの製鋼ステップでは、結晶粒構造に応力が加えられます。形状が永久に変化する場合、これは応力によって粒子が変形していることを意味します。鋼をコイル状に巻き、巻き戻し、チューブミルで鋼粒子を変形させる（管の形成とサイズ調整を行う）などの他の加工ステップも行われます。マンドレル上での管の冷間引抜きも、端部成形や曲げなどの製造ステップと同様に、材料に圧力をかけます。粒子構造の変化は転位と呼ばれます。
上記の手順により、引張 (引張り) 応力に耐える能力である鋼の延性が低下します。鋼は脆くなり、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 (圧縮率は別の要素です)。破損は圧縮ではなく引張応力中に発生することが最も多いことを理解することが重要です。鋼は伸び能力が比較的高いため、引張応力に対して非常に耐性があります。ただし、鋼は、以下のような条件下では容易に変形します。圧縮応力 – 延性がある – これが利点です。
コンクリートは、圧縮強度が高いものの、コンクリートに比べて延性が低いという特性を持っています。これらの特性は鋼とは逆です。そのため、道路、建物、歩道に使用されるコンクリートには鉄筋が取り付けられることがよくあります。その結果、引張下では鋼が強く、圧力下ではコンクリートの2つの材料の長所を併せ持った製品が得られます。
冷間加工中、鋼の延性が低下するため、鋼の硬度が増加します。つまり、硬化します。状況によっては、これが利点となる場合があります。ただし、硬度は脆さと同等であるため、これは欠点になる可能性があります。つまり、鋼が硬くなるにつれて、弾性が低くなります。したがって、失敗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の一部が消費されます。部品が機能するにつれて硬くなりますが、硬すぎると基本的に役に立ちません。硬さとは脆さのことであり、脆いチューブを使用すると破損する可能性が高くなります。
この場合、メーカーには何らかのオプションがありますか? つまり、はい。そのオプションはアニーリングです。それは完全に魔法ではありませんが、できる限り魔法に近いものです。
平たく言えば、焼きなましは、金属に対する物理的応力の影響をすべて取り除きます。このプロセスでは、金属を応力除去または再結晶温度まで加熱し、それによって転位を除去します。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、このプロセスにより延性の一部またはすべてが回復します。
アニーリングと制御された冷却は粒子の成長を促進します。これは、材料の脆性を軽減することが目的の場合には有益ですが、制御されていない粒子の成長は金属を柔らかくしすぎて、本来の用途に使用できなくなる可能性があります。アニーリングプロセスを停止することは、もう一つの魔法に近いことです。適切な温度で、適切なタイミングで適切な焼入れ剤を使用して焼入れを行うと、プロセスが迅速に停止され、鋼の回復特性が得られます。
硬度の仕様を削除する必要がありますか?いいえ。硬度の特性は、主に鋼管を指定する際の基準点として価値があります。有用な尺度として、硬度は、管状材料を注文するときに指定し、受領時にチェックする必要がある (また、出荷ごとに記録する必要がある) いくつかの特性の 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、これは材料の適格性 (合格または不合格) を判断するための真のテストではありません。メーカーは、硬度に加えて、チューブの用途に応じて、MYS、UTS、または最小伸びなどの他の関連特性を判断するために出荷品を時々テストする必要があります。
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