다양한 테스트 프로토콜(브리넬, 로크웰, 비커스)에는 테스트 중인 프로젝트에 맞는 특정 절차가 있습니다. 로크웰 T 테스트는 튜브를 길이 방향으로 자르고 외부 직경이 아닌 내부 직경에서 벽을 테스트하여 가벼운 벽 튜브를 검사하는 데 적합합니다.
튜빙을 주문하는 것은 자동차 대리점에 가서 승용차나 트럭을 주문하는 것과 비슷합니다. 오늘날, 구매자는 다양한 옵션을 통해 차량을 다양한 방식으로 맞춤 설정할 수 있습니다. 즉, 내부 및 외부 색상, 내부 트림 패키지, 외부 스타일링 옵션, 파워트레인 선택, 홈 엔터테인먼트 시스템에 버금가는 오디오 시스템 등이 있습니다. 이러한 모든 옵션을 고려하면, 단순하고 기본적인 차량으로는 만족하지 못할 수도 있습니다.
강관은 그 자체로 수천 가지의 옵션이나 사양을 가지고 있습니다. 치수 외에도 사양에는 최소 항복 강도(MYS), 최대 인장 강도(UTS), 파단 전 최소 신장률과 같은 화학적 및 여러 기계적 특성이 나열되어 있습니다. 그러나 업계의 많은 사람들(엔지니어, 구매 담당자, 제조업체)은 "일반" 용접 파이프를 사용해야 하고 경도라는 한 가지 특성만 지정하는 승인된 업계 약어를 사용합니다.
단일 특성에 따라 자동차를 주문해 보세요("자동 변속기가 있는 자동차가 필요합니다"). 그러면 영업사원과 좋은 관계를 맺을 수 없을 것입니다. 영업사원은 많은 옵션이 적힌 주문서를 작성해야 합니다. 파이프는 그저 파이프일 뿐입니다. 용도에 맞는 올바른 파이프를 얻기 위해 파이프 제조업체는 경도 외에도 더 많은 정보가 필요합니다.
경도가 어떻게 다른 기계적 성질을 대체하는 것으로 인정받게 되었을까요?아마도 파이프 생산업체에서 시작되었을 것입니다.경도 시험은 빠르고 쉽고 비교적 저렴한 장비만 필요하기 때문에, 파이프 판매원들은 종종 경도 시험을 통해 두 개의 튜브를 비교합니다.경도 시험을 위해 필요한 것은 매끄러운 파이프와 시험대뿐입니다.
튜브 경도는 UTS와 상관관계가 높으며, 경험칙으로 백분율이나 백분율 범위는 MYS를 추정하는 데 도움이 되므로 경도 테스트가 다른 속성을 대리하는 데 적합한 방법인지 쉽게 알 수 있습니다.
또한, 다른 시험은 비교적 복잡합니다. 경도 시험은 단일 기계에서 1분 정도밖에 걸리지 않지만, MYS, UTS 및 신장 시험은 샘플 준비와 대규모 실험실 장비에 대한 상당한 투자가 필요합니다. 비교해 보면, 튜브 밀 작업자가 경도 시험을 수행하는 데는 몇 초가 걸리고, 전문 야금 기술자가 인장 시험을 수행하는 데는 몇 시간이 걸립니다. 경도 검사를 수행하는 것은 어렵지 않습니다.
이는 엔지니어링 파이프 제조업체가 경도 시험을 하지 않는다는 것을 의미하지 않습니다.대부분의 사람들이 경도 시험을 한다고 해도 과언이 아니지만, 모든 시험 장비에 대해 게이지 반복성과 재현성을 평가하기 때문에 시험의 한계를 잘 알고 있습니다.대부분의 제조업체는 생산 공정의 일부로 튜브 경도를 평가하지만 튜브 속성을 정량화하는 데 사용하지 않습니다.이것은 단지 합격/불합격 시험일 뿐입니다.
MYS, UTS 및 최소 신장률에 대해 알아야 하는 이유는 무엇일까요?이러한 사실은 튜브가 조립 시 어떻게 동작할지를 나타냅니다.
MYS는 재료의 영구 변형을 유발하는 최소 힘입니다. 직선 와이어(옷걸이와 같은)를 살짝 구부리고 압력을 놓으면 두 가지 중 하나가 발생합니다. 와이어는 원래 상태(직선)로 되돌아가거나 구부러진 상태를 유지합니다. 여전히 곧은 상태라면 MYS를 지나지 않은 것입니다. 여전히 구부러진 상태라면 MYS를 넘은 것입니다.
이제 플라이어를 사용하여 와이어의 양쪽 끝을 고정합니다.와이어를 두 조각으로 찢을 수 있다면 UTS를 초과한 것입니다.와이어에 많은 장력을 가하면 초인적인 노력을 보여주기 위해 두 개의 와이어가 생깁니다.와이어의 원래 길이가 5인치이고 파손 후 두 길이의 합이 6인치이면 와이어는 1인치 또는 20%만큼 늘어났습니다.실제 신장 테스트는 파손 지점에서 2인치 이내에서 측정하지만, 무엇이든 간에 풀 와이어 개념은 UTS를 설명합니다.
강철 현미경 사진 샘플은 약산성 용액(보통 질산과 알코올(니트로에탄올))을 사용하여 절단, 연마 및 에칭하여 입자를 보이게 해야 합니다. 일반적으로 100배 확대경을 사용하여 강철 입자를 검사하고 입자 크기를 결정합니다.
경도는 재료가 충격에 어떻게 반응하는지를 테스트하는 것입니다. 톱니 모양의 턱이 있는 바이스에 짧은 파이프를 넣고 바이스를 돌려 닫는 것을 상상해 보세요. 바이스의 턱은 튜브를 평평하게 만드는 것 외에도 튜브 표면에 움푹 들어간 부분을 남깁니다.
경도 시험은 이런 식으로 진행되지만, 그렇게 거칠지는 않습니다. 이 시험은 충격 크기와 압력을 조절합니다. 이러한 힘은 표면을 변형시켜 움푹 들어간 곳이나 압흔을 만듭니다. 움푹 들어간 곳의 크기나 깊이가 금속의 경도를 결정합니다.
강철을 평가하기 위한 일반적인 경도 시험으로는 브리넬, 비커스, 로크웰 경도 시험이 있습니다. 각각은 자체 척도를 가지고 있으며, 로크웰 A, B, C와 같이 여러 시험 방법을 가지고 있는 경우도 있습니다. 강관의 경우, ASTM 규격 A513은 로크웰 B 시험(HRB 또는 RB로 약칭)을 참조합니다. 로크웰 B 시험은 작은 예압과 100kgf의 1차 하중 사이에서 1⁄16인치 직경의 강철 볼에 의한 강철의 침투 차이를 측정합니다. 표준 연강의 일반적인 결과는 HRB 60입니다.
재료 과학자들은 경도가 UTS와 선형적으로 관련되어 있다는 것을 알고 있습니다. 따라서 주어진 경도에 따라 UTS를 예측할 수 있습니다. 마찬가지로 튜브 제조업체는 MYS와 UTS가 관련되어 있다는 것을 알고 있습니다. 용접 파이프의 경우 MYS는 일반적으로 UTS의 70%~85%입니다. 정확한 양은 튜브를 만드는 공정에 따라 다릅니다. HRB 60의 경도는 UTS가 제곱인치당 60,000파운드(PSI)이고 MYS가 80% 또는 48,000PSI와 상관 관계가 있습니다.
일반 제조업에서 가장 흔한 파이프 사양은 최대 경도입니다. 엔지니어는 크기 외에도 양호한 작업 범위 내에서 전기 저항 용접(ERW) 파이프를 지정하는 데 관심이 있었는데, 이는 최대 경도가 HRB 60이 될 수 있는 결과를 초래하여 구성 요소 도면에 반영될 수 있었습니다. 이러한 결정만으로도 경도 자체를 포함한 다양한 최종 기계적 특성이 결정됩니다.
첫째, HRB 60의 경도는 우리에게 많은 것을 알려주지 않습니다.HRB 60 판독값은 무차원 숫자입니다.HRB 59로 평가한 재료는 HRB 60으로 시험한 재료보다 부드럽고 HRB 61은 HRB 60보다 단단하지만 얼마나 단단할까요?부피(데시벨로 측정), 토크(파운드-피트로 측정), 속도(시간에 대한 거리로 측정) 또는 UTS(제곱인치당 파운드로 측정)처럼 정량화할 수 없습니다.HRB 60 판독값은 우리에게 구체적인 것을 알려주지 않습니다.이것은 재료의 특성이지만 물리적 특성은 아닙니다.둘째, 경도 시험은 반복성이나 재현성에 적합하지 않습니다.시험편의 두 위치를 평가하면 시험 위치가 서로 가깝더라도 종종 경도 판독값에 큰 차이가 발생합니다.이 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 시험의 특성입니다.한 위치를 측정한 후에는 두 번째로 측정하여 확인할 수 없습니다. 결과.테스트 반복이 불가능합니다.
이는 경도 시험이 불편하다는 것을 의미하지 않습니다. 사실, 경도 시험은 재료의 UTS에 대한 좋은 지침을 제공하며, 빠르고 쉽게 수행할 수 있는 시험입니다. 그러나 튜브의 사양 지정, 구매 및 제조에 관련된 모든 사람은 시험 매개변수로서 경도 시험의 한계를 알고 있어야 합니다.
"일반" 파이프는 명확하게 정의되어 있지 않기 때문에, 파이프 제조업체는 필요할 때 ASTM A513:1008 및 1010에 정의된 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 강관 및 파이프 유형으로 범위를 좁히는 경우가 많습니다. 다른 모든 튜브 유형을 제거한 후에도 이 두 튜브 유형의 기계적 특성 측면에서 가능성은 매우 열려 있습니다. 실제로 이러한 튜브 유형은 모든 유형보다 가장 광범위한 기계적 특성을 갖습니다.
예를 들어, MYS가 낮고 신율이 높으면 튜브를 연성 튜브라고 하며, 이는 인장, 휨 및 변형 측면에서 경성 튜브(MYS가 비교적 높고 신율이 비교적 낮음)보다 성능이 더 우수함을 의미합니다. 이는 옷걸이와 드릴과 같은 연성 와이어와 경성 와이어의 차이와 비슷합니다.
신장률 자체는 중요한 파이프 응용 분야에 상당한 영향을 미치는 또 다른 요소입니다. 신장률이 높은 튜브는 인장력을 견딜 수 있는 반면, 신장률이 낮은 재료는 더 취성이 높아서 심각한 피로 유형의 파괴가 발생할 가능성이 더 큽니다. 그러나 신장률은 경도와 직접 관련된 유일한 기계적 특성인 UTS와 직접적인 관련이 없습니다.
튜브의 기계적 특성이 왜 이렇게 다를까요?첫째, 화학적 조성이 다릅니다.강철은 철과 탄소 및 기타 중요한 합금의 고용체입니다.간단하게 설명하기 위해 여기서는 탄소 비율만 다루겠습니다.탄소 원자는 철 원자의 일부를 대체하여 강의 결정 구조를 형성합니다.ASTM 1008은 탄소 함량이 0%~0.10%인 포괄적인 1차 등급입니다.0은 강의 탄소 함량이 매우 낮을 때 고유한 특성을 생성하는 매우 특별한 숫자입니다.ASTM 1010은 탄소 함량을 0.08%~0.13% 사이로 지정합니다.이러한 차이는 크지 않아 보이지만 다른 곳에서 큰 차이를 만들기에 충분히 큽니다.
둘째, 강관은 7가지 다른 제조 공정으로 제작되거나 제작 후 가공될 수 있습니다. ERW 파이프 생산과 관련된 ASTM A513에는 7가지 유형이 나열되어 있습니다.
강의 화학적 조성과 튜브 제조 단계가 강의 경도에 영향을 미치지 않는다면, 무엇이 영향을 미칠까요? 이 질문에 답하려면 세부 사항을 꼼꼼히 살펴봐야 합니다. 이 질문은 두 가지 질문을 더 던집니다. 어떤 세부 사항이며, 얼마나 가까이에 있습니까?
강철을 구성하는 입자에 대한 세부 정보가 첫 번째 답변입니다. 강철이 1차 제철소에서 만들어질 때 단일 특징을 가진 거대한 블록으로 냉각되지 않습니다. 강철이 냉각됨에 따라 강철의 분자는 눈송이가 형성되는 방식과 유사하게 반복적인 패턴(결정)으로 조직됩니다. 결정이 형성된 후 입자라고 하는 그룹으로 모입니다. 냉각이 진행됨에 따라 입자가 성장하여 판이나 판 전체에 걸쳐 형성됩니다. 마지막 강철 분자가 입자에 흡수되면 입자는 성장을 멈춥니다. 이 모든 것은 평균 크기의 강철 입자가 약 64µ 또는 0.0025인치 너비이기 때문에 미세한 수준에서 발생합니다. 각 입자는 다음 입자와 유사하지만 동일하지는 않습니다. 크기, 방향 및 탄소 함량이 약간 다릅니다. 입자 사이의 계면을 입자 경계라고 합니다. 강철이 파손되는 경우(예: 피로 균열) 결정 경계를 따라 파손되는 경향이 있습니다.
얼마나 멀리 봐야 알 수 있는 입자를 볼 수 있을까요? 100배 확대경, 즉 인간의 시력의 100배면 충분합니다. 그러나 처리되지 않은 강철을 100배의 배율로 보는 것만으로는 많은 것을 알 수 없습니다. 샘플은 샘플을 연마하고 니트로에탄올 에칭제라고 하는 산(보통 질산과 알코올)으로 표면을 에칭하여 준비합니다.
강철이 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 충격 강도, MYS, UTS 및 신장률은 결정되는 결정립과 내부 격자 구조에 따라 달라집니다.
스트립의 열간 압연 및 냉간 압연과 같은 제강 단계는 결정립 구조에 응력을 가합니다. 결정립의 모양이 영구적으로 변하면 응력이 결정립을 변형시킨다는 것을 의미합니다. 강철을 코일로 코일로 감거나, 코일을 풀거나, 튜브 밀을 통해 강철 결정립을 변형하여 튜브를 성형하고 크기를 조정하는 등의 다른 처리 단계도 있습니다. 맨드럴에서 튜브를 냉간 인발하는 것도 재료에 압력을 가하며, 끝단 성형 및 굽힘과 같은 제조 단계도 마찬가지입니다. 결정립 구조의 변화를 전위라고 합니다.
위의 단계는 강철의 연성, 즉 인장(당겨서 여는) 응력을 견디는 능력을 감소시킵니다. 강철은 취성이 되므로 계속해서 작업하면 파손될 가능성이 더 큽니다. 신장은 연성의 한 요소이고 압축성은 또 다른 요소입니다. 파괴는 압축이 아닌 인장 응력 중에 가장 자주 발생한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 강철은 비교적 높은 신장 용량으로 인해 인장 응력에 매우 강합니다. 그러나 강철은 압축 응력 하에서 쉽게 변형됩니다. 즉, 연성이 있으며 이는 장점입니다.
콘크리트는 콘크리트에 비해 압축 강도는 높지만 연성은 낮습니다. 이러한 특성은 강철과 반대입니다. 그렇기 때문에 도로, 건물, 보도에 사용되는 콘크리트에 종종 철근을 설치합니다. 결과적으로 두 가지 재료의 강도를 모두 갖춘 제품이 탄생합니다. 즉, 인장 하에서는 강철이 강하고, 압력 하에서는 콘크리트가 강합니다.
냉간 가공 중에 강의 연성이 감소함에 따라 경도는 증가합니다.즉, 단단해집니다.상황에 따라 이는 이점이 될 수 있습니다.그러나 경도는 취성과 동일시되므로 단점이 될 수도 있습니다.즉, 강철이 더 단단해질수록 탄성이 떨어지므로 파손될 가능성이 더 큽니다.
다시 말해, 각 공정 단계에서 파이프의 연성이 일부 소모됩니다. 부품이 작동할수록 파이프는 더 단단해지고, 너무 단단하면 사실상 쓸모가 없습니다. 경도는 취성이며, 취성 튜브는 사용 시 파손될 가능성이 높습니다.
이 경우 제조업체에 다른 옵션이 있나요? 간단히 말해서, 그렇습니다. 그 옵션은 어닐링이고, 마법과 같은 것은 아니지만 마법에 가장 가까운 것입니다.
평범한 말로 표현하자면, 어닐링은 금속에 가해지는 모든 물리적 응력 효과를 제거합니다. 이 공정은 금속을 응력 완화 또는 재결정 온도까지 가열하여 전위를 제거합니다. 어닐링 공정에서 사용하는 특정 온도와 시간에 따라, 이 공정은 금속의 연성을 일부 또는 전부 회복합니다.
어닐링과 제어된 냉각은 결정립 성장을 촉진합니다. 이는 재료의 취성을 줄이는 것이 목표라면 유익하지만, 제어되지 않은 결정립 성장은 금속을 너무 연화시켜 원래 용도로 사용할 수 없게 만들 수 있습니다. 어닐링 공정을 중단하는 것은 거의 마법과도 같습니다. 적절한 시기에 적절한 담금제를 사용하여 적절한 온도에서 담금질하면 공정을 빠르게 중단하여 강철의 회복 특성을 얻을 수 있습니다.
경도 사양을 삭제해야 할까요?아니요.경도 특성은 주로 강관을 지정할 때 기준점으로서 중요합니다.유용한 측정 기준인 경도는 관형 재료를 주문할 때 지정하고 수령 시 확인해야 하는 여러 특성 중 하나입니다(그리고 각 배송 시 기록해야 함).경도 검사가 검사 기준인 경우 적절한 척도 값과 관리 범위가 있어야 합니다.
그러나 이는 재료를 적격(합격 또는 불합격)하는 실제 테스트가 아닙니다. 제조업체는 경도 외에도 튜브의 적용 분야에 따라 MYS, UTS 또는 최소 신장률과 같은 기타 관련 속성을 확인하기 위해 가끔 배송물을 테스트해야 합니다.
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.
Tube & Pipe Journal은 1990년에 금속 파이프 산업에 서비스를 제공하는 최초의 잡지가 되었습니다. 오늘날에도 이 잡지는 북미 지역에서 파이프 산업에 전념하는 유일한 출판물로 남아 있으며, 파이프 전문가를 위한 가장 신뢰할 수 있는 정보 출처가 되었습니다.
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