Įvairūs bandymų protokolai (Brinelio, Rokvelo, Vikerso) turi procedūras, skirtas konkrečiam bandomajam projektui. Rokvelo T bandymas tinka plonasieniams vamzdžiams tikrinti, perpjaunant vamzdį išilgai ir bandant sienelę pagal vidinį, o ne išorinį skersmenį.
Vamzdžių užsakymas yra šiek tiek panašus į apsilankymą automobilių prekybos salone ir automobilio ar sunkvežimio užsakymą. Šiandien daugybė galimų variantų leidžia pirkėjams įvairiais būdais pritaikyti transporto priemonę – salono ir išorės spalvomis, salono apdailos paketais, išorės stiliaus parinktimis, jėgos agregatais ir garso sistema, kuri beveik prilygsta namų pramogų sistemai. Atsižvelgiant į visas šias parinktis, jūsų gali netenkinti standartinis, be jokių papildomų patogumų automobilis.
Plieniniai vamzdžiai yra būtent tai, ką jie turi. Jie turi tūkstančius variantų arba specifikacijų. Be matmenų, specifikacijoje išvardytos cheminės ir kelios mechaninės savybės, tokios kaip mažiausias takumo stipris (MYS), didžiausias tempiamasis stipris (UTS) ir mažiausias pailgėjimas prieš gedimą. Tačiau daugelis pramonės atstovų – inžinieriai, pirkimų agentai ir gamintojai – naudoja priimtus pramonės sutrumpinimus, kurie reikalauja naudoti „įprastus“ suvirintus vamzdžius ir nurodo tik vieną charakteristiką: kietumą.
Pabandykite užsisakyti automobilį pagal vieną charakteristiką („Man reikia automobilio su automatine pavarų dėže“) ir su pardavėju toli nenueisite. Jis turi užpildyti užsakymo formą su daugybe variantų. Vamzdis yra būtent tai – norint gauti tinkamą vamzdį konkrečiam atvejui, vamzdžio gamintojui reikia daugiau informacijos nei vien tik apie kietumą.
Kaip kietumas tampa pripažintu kitų mechaninių savybių pakaitalu? Tikriausiai viskas prasidėjo nuo vamzdžių gamintojo. Kadangi kietumo bandymas yra greitas, paprastas ir reikalauja santykinai nebrangios įrangos, vamzdžių pardavėjai dažnai naudoja kietumo bandymą, kad palygintų du vamzdžius. Norint atlikti kietumo bandymą, tereikia lygaus vamzdžio atkarpos ir bandymo stovo.
Vamzdžių kietumas gerai koreliuoja su UTS, ir paprastai procentai arba procentų intervalai yra naudingi vertinant MYS, todėl lengva suprasti, kaip kietumo bandymas gali būti tinkamas kitų savybių rodiklis.
Be to, kiti bandymai yra gana sudėtingi. Nors kietumo bandymas vienu aparatu trunka tik minutę ar panašiai, MYS, UTS ir pailgėjimo bandymai reikalauja mėginio paruošimo ir didelių investicijų į didelę laboratorinę įrangą. Palyginimui, vamzdžių malūno operatoriui kietumo bandymas atliekamas per kelias sekundes, o profesionaliam metalurgijos technikui – per kelias valandas, kad atliktų tempimo bandymą. Kietumo patikrinimas nėra sudėtingas.
Tai nereiškia, kad inžinerinių vamzdžių gamintojai nenaudoja kietumo bandymų. Galima drąsiai teigti, kad dauguma žmonių tai daro, tačiau kadangi jie atlieka visų savo bandymo įrangos pakartojamumo ir atkuriamumo vertinimus, jie puikiai žino šio bandymo apribojimus. Dauguma gamintojų vamzdžių kietumą vertina kaip gamybos proceso dalį, tačiau nenaudoja jo vamzdžių savybėms kiekybiškai įvertinti. Tai tik bandymas, pagal kurį nustatomas rezultatas.
Kodėl reikia žinoti apie MYS, UTS ir minimalų pailgėjimą? Jie nurodo, kaip vamzdis elgsis surinkimo metu.
MYS yra minimali jėga, sukelianti nuolatinę medžiagos deformaciją. Jei bandysite šiek tiek sulenkti tiesų vielą (pvz., pakabą) ir atleisite slėgį, nutiks vienas iš dviejų dalykų: ji grįš į pradinę būseną (tiesią) arba liks sulenkta. Jei ji vis dar tiesi, dar neperžengėte MYS ribos. Jei ji vis dar sulenkta, peržengėte jos ribas.
Dabar replėmis suveržkite abu vielos galus. Jei galite suplėšyti vielą į dvi dalis, jos UTS (ultratempimo riba) viršijote. Ją stipriai įtempus, gaunate dvi vielas, kurios parodo jūsų antžmogiškas pastangas. Jei pradinis vielos ilgis yra 5 coliai, o dviejų ilgių po lūžio suma sudaro 6 colius, viela ištempta 1 coliu arba 20 %. Tikrasis pailgėjimo bandymas matuojamas 2 colių atstumu nuo lūžio taško, bet nesvarbu – vielos tempimo koncepcija iliustruoja UTS.
Plieno fotomikrografijos pavyzdžius reikia pjauti, poliruoti ir ėsdinti naudojant švelniai rūgštinį tirpalą (dažniausiai azoto rūgšties ir alkoholio (nitroetanolio) tirpalą), kad grūdeliai būtų matomi. Plieno grūdeliams apžiūrėti ir grūdelių dydžiui nustatyti dažniausiai naudojamas 100 kartų didinimas.
Kietumas yra medžiagos reakcijos į smūgį matas. Įsivaizduokite, kad įdedate trumpą vamzdžio gabalėlį į reples su dantytais žandikauliais ir pasukate reples, kad užsidarytų. Be to, kad suplokština vamzdį, replių žandikauliai taip pat palieka įdubimus vamzdžio paviršiuje.
Štai kaip veikia kietumo bandymas, bet jis nėra toks grubus. Šiame bandyme kontroliuojamas smūgio dydis ir kontroliuojamas slėgis. Šios jėgos deformuoja paviršių, sukurdamos įdubimą arba įspaudą. Įdubimo dydis arba gylis lemia metalo kietumą.
Plienui įvertinti dažniausiai naudojami Brinelio, Vikerso ir Rokvelo kietumo bandymai. Kiekvienas jų turi savo skalę, o kai kurie turi kelis bandymo metodus, pvz., Rokvelo A, B ir C. Plieniniams vamzdžiams ASTM specifikacijoje A513 nurodomas Rokvelo B bandymas (sutrumpintai HRB arba RB). Rokvelo B bandymas matuoja 1⁄16 colio skersmens plieninio rutulio įsiskverbimo į plieną skirtumą tarp mažo išankstinio įtempimo ir pirminio 100 kgf apkrovimo. Tipiškas standartinio mažaanglio plieno rezultatas yra HRB 60.
Medžiagų mokslininkai žino, kad kietumas yra tiesiškai susijęs su UTS. Todėl tam tikras kietumas gali numatyti UTS. Taip pat vamzdžių gamintojai žino, kad MYS ir UTS yra susiję. Suvirintų vamzdžių MYS paprastai sudaro nuo 70 % iki 85 % UTS. Tikslus kiekis priklauso nuo vamzdžio gamybos proceso. HRB 60 kietumas koreliuoja su 60 000 svarų kvadratiniame colyje (PSI) UTS ir 80 % MYS arba 48 000 PSI.
Dažniausia vamzdžių specifikacija bendrojoje gamyboje yra maksimalus kietumas. Be dydžio, inžinieriui rūpėjo nurodyti suvirintą elektros varžinio suvirinimo (ERW) vamzdį, atitinkantį gerą darbinį diapazoną, dėl kurio komponento brėžinyje galėtų būti nurodytas maksimalus HRB 60 kietumas. Vien šis sprendimas lemia galutinių mechaninių savybių, įskaitant patį kietumą, diapazoną.
Pirma, HRB 60 kietumas mums daug nepasako. HRB 60 rodmuo yra bematis skaičius. Medžiaga, įvertinta naudojant HRB 59, yra minkštesnė nei medžiaga, išbandyta naudojant HRB 60, o HRB 61 yra kietesnė už HRB 60, bet kiek? Jo negalima kiekybiškai įvertinti kaip tūrio (matuojamo decibelais), sukimo momento (matuojamo svarais pėdomis), greičio (matuojamo atstumu laiko atžvilgiu) arba UTS (matuojamo svarais kvadratiniame colyje). HRB 60 rodmuo nieko konkretaus nepasako. Tai yra medžiagos savybė, bet ne fizikinė savybė. Antra, kietumo bandymas netinka pakartojamumui ar atkuriamumui. Dviejų bandinio vietų vertinimas, net jei bandymo vietos yra arti viena kitos, dažnai lemia didelį kietumo rodmenų skirtumą. Šią problemą apsunkina bandymo pobūdis. Išmatavus padėtį, jos negalima išmatuoti antrą kartą, kad būtų patikrinti rezultatai. Bandymo pakartojamumas neįmanomas.
Tai nereiškia, kad kietumo bandymas yra nepatogus. Tiesą sakant, tai yra geras medžiagos UTS vadovas ir tai yra greitas bei paprastas bandymas. Tačiau visi, dalyvaujantys vamzdžių specifikacijoje, pirkime ir gamyboje, turėtų žinoti apie jo, kaip bandymo parametro, apribojimus.
Kadangi „įprastas“ vamzdis nėra tiksliai apibrėžtas, prireikus vamzdžių gamintojai dažnai susiaurina jį iki dviejų dažniausiai naudojamų plieninių vamzdžių ir vamzdžių tipų, apibrėžtų ASTM A513: 1008 ir 1010. Net ir pašalinus visus kitus vamzdžių tipus, šių dviejų vamzdžių tipų mechaninių savybių galimybės yra labai atviros. Tiesą sakant, šie vamzdžių tipai turi plačiausią mechaninių savybių spektrą iš visų tipų.
Pavyzdžiui, vamzdis apibūdinamas kaip minkštas, jei MYS yra mažas, o pailgėjimas – didelis, o tai reiškia, kad jis geriau tempiamas, deformuojamas ir deformuojamas nei vamzdis, apibūdinamas kaip kietas, kurio MYS yra santykinai didelis, o pailgėjimas – santykinai mažas. Tai panašu į skirtumą tarp minkštos ir kietos vielos, tokios kaip pakabos ir grąžtai.
Pats pailgėjimas yra dar vienas veiksnys, turintis didelės įtakos kritiniams vamzdžių pritaikymams. Vamzdžiai, pasižymintys dideliu pailgėjimu, gali atlaikyti tempimo jėgas; medžiagos, pasižyminčios mažu pailgėjimu, yra trapesnės ir todėl labiau linkusios į katastrofiškus nuovargio tipo gedimus. Tačiau pailgėjimas nėra tiesiogiai susijęs su UTS, kuris yra vienintelė mechaninė savybė, tiesiogiai susijusi su kietumu.
Kodėl vamzdžių mechaninės savybės taip skiriasi? Pirma, skiriasi jų cheminė sudėtis. Plienas yra kietas geležies, anglies ir kitų svarbių lydinių tirpalas. Paprastumo dėlei čia aptarsime tik anglies procentinę dalį. Anglies atomai pakeičia kai kuriuos geležies atomus, sudarydami plieno kristalinę struktūrą. ASTM 1008 yra visa apimanti pirminė rūšis, kurios anglies kiekis yra nuo 0 % iki 0,10 %. Nulis yra labai ypatingas skaičius, suteikiantis unikalių savybių, kai plieno anglies kiekis yra itin mažas. ASTM 1010 nurodo anglies kiekį nuo 0,08 % iki 0,13 %. Šie skirtumai neatrodo dideli, tačiau jie pakankamai dideli, kad turėtų didelį poveikį kitur.
Antra, plieninis vamzdis gali būti pagamintas arba pagamintas ir vėliau perdirbtas septyniais skirtingais gamybos procesais. ASTM A513, susijęs su ERW vamzdžių gamyba, išvardija septynis tipus:
Jei plieno cheminė sudėtis ir vamzdžių gamybos etapai neturi įtakos plieno kietumui, tai kas tada? Norint atsakyti į šį klausimą, reikia atidžiai išnagrinėti detales. Šis klausimas iškelia dar du klausimus: kokios detalės ir kiek tiksliai?
Pirmas atsakymas yra išsami informacija apie plieną sudarančius grūdelius. Kai plienas gaminamas pirminėje plieno gamykloje, jis neatvėsta į didžiulį bloką su vienu bruožu. Plienui vėstant, plieno molekulės organizuojasi į pasikartojančius raštus (kristalus), panašiai kaip formuojasi snaigės. Susidarius kristalams, jie grupuojasi į grupes, vadinamas grūdeliais. Aušinant, grūdeliai auga ir formuojasi visame lakšte arba plokštėje. Grūdeliai nustoja augti, kai grūdeliai absorbuoja paskutines plieno molekules. Visa tai vyksta mikroskopiniu lygmeniu, nes vidutinis plieno grūdelio dydis yra apie 64 µ arba 0,0025 colio pločio. Nors kiekvienas grūdelis yra panašus į kitą, jie nėra vienodi. Jie šiek tiek skiriasi dydžiu, orientacija ir anglies kiekiu. Grūdelių sąsaja vadinama grūdelių riba. Kai plienas trūksta, pavyzdžiui, dėl nuovargio įtrūkimų, jis linkęs trūkti išilgai grūdelių ribų.
Kaip toli reikia žiūrėti, kad pamatytumėte įžiūrimus grūdelius? Pakanka 100 kartų didinimo arba 100 kartų žmogaus regėjimo. Tačiau vien žiūrint į neapdorotą plieną 100 kartų didesniu didinimu, daug ko nepastebima. Mėginys paruošiamas jį poliruojant ir ėsdinant paviršių rūgštimi (dažniausiai azoto rūgštimi ir alkoholiu), vadinama nitroetanolio ėsdintuvu.
Būtent grūdeliai ir jų vidinė gardelė lemia smūgio stiprumą, MYS, UTS ir pailgėjimą, kurį plienas gali atlaikyti prieš sugedimą.
Plieno gamybos etapai, tokie kaip karštasis ir šaltasis juostų valcavimas, įtempia grūdelių struktūrą; jei jie visam laikui pakeičia formą, tai reiškia, kad įtempis deformuoja grūdelius. Kiti apdorojimo etapai, tokie kaip plieno suvyniojimas į rites, jų išvyniojimas ir plieno grūdelių deformavimas vamzdžių malūne (vamzdžiui suformuoti ir nustatyti jo dydį). Šaltasis vamzdžio tempimas ant įtvaro taip pat spaudžia medžiagą, kaip ir gamybos etapai, tokie kaip galų formavimas ir lenkimas. Grūdelių struktūros pokyčiai vadinami dislokacijomis.
Aukščiau išvardyti veiksmai mažina plieno tąsumą, kuris yra jo gebėjimas atlaikyti tempimo (atplėšimo) įtempį. Plienas tampa trapus, o tai reiškia, kad jis labiau linkęs sulūžti, jei jį toliau dirbsite. Pailgėjimas yra vienas tąsumo komponentų (kitas – spūdumas). Svarbu suprasti, kad gedimas dažniausiai įvyksta tempimo, o ne gniuždymo metu. Plienas yra labai atsparus tempimo įtempiui dėl santykinai didelės pailgėjimo galios. Tačiau plienas lengvai deformuojasi veikiant gniuždymo įtempiui – jis yra tąsus – o tai yra privalumas.
Betonas pasižymi dideliu gniuždymo stiprumu, bet mažu tąsumu, palyginti su betonu. Šios savybės yra priešingos plieno savybėms. Štai kodėl betonas, naudojamas keliams, pastatams ir šaligatviams, dažnai įrengiamas su armatūra. Rezultatas – produktas, pasižymintis dviejų medžiagų stiprumu: tempiamas plienas yra stiprus, o spaudžiamas – betonas.
Šaltojo apdirbimo metu, mažėjant plieno tąsumui, didėja jo kietumas. Kitaip tariant, jis sukietėja. Priklausomai nuo situacijos, tai gali būti privalumas; tačiau tai gali būti ir trūkumas, nes kietumas prilygsta trapumui. Tai yra, plienui kietėjant, jis tampa mažiau elastingas, todėl yra didesnė tikimybė, kad jis suges.
Kitaip tariant, kiekvienas proceso etapas mažina dalį vamzdžio tąsumo. Veikiant detalei, ji kietėja, o jei per kieta, ji iš esmės tampa nenaudinga. Kietumas yra trapumas, o trapus vamzdis, naudojamas, greičiausiai suges.
Ar gamintojas šiuo atveju turi kokių nors variantų? Trumpai tariant, taip. Tai atkaitinimas, ir nors jis nėra visiškai magiškas, jis yra kuo artimesnis magijai.
Paprastai tariant, atkaitinimas pašalina visą fizinio įtempio poveikį metalui. Šio proceso metu metalas įkaitinamas iki įtempių mažinimo arba rekristalizacijos temperatūros, taip pašalinant dislokacijas. Priklausomai nuo konkrečios atkaitinimo proceso temperatūros ir laiko, procesas atkuria dalį arba visą jo tąsumą.
Atkaitinimas ir kontroliuojamas aušinimas skatina grūdelių augimą. Tai naudinga, jei siekiama sumažinti medžiagos trapumą, tačiau nekontroliuojamas grūdelių augimas gali per daug suminkštinti metalą, todėl jis tampa netinkamas naudoti pagal paskirtį. Atkaitinimo proceso sustabdymas yra dar vienas beveik magiškas dalykas. Grūdinimas tinkamoje temperatūroje su tinkamu gesinimo agentu tinkamu laiku greitai sustabdo procesą, kad plienas atgautų savo regeneracines savybes.
Ar turėtume atsisakyti kietumo specifikacijos? ne. Kietumo charakteristikos pirmiausia yra vertingos kaip atskaitos taškas specifikacijose nurodont plieninius vamzdžius. Kietumas yra naudingas matas, viena iš kelių charakteristikų, kurią reikėtų nurodyti užsakant vamzdinę medžiagą ir patikrinti gavus (ir turėtų būti užregistruota su kiekviena siunta). Kai kietumo patikra yra patikros standartas, ji turėtų turėti atitinkamas skalės vertes ir kontrolės diapazonus.
Tačiau tai nėra tikras medžiagos kvalifikavimo (priėmimo ar atmetimo) testas. Be kietumo, gamintojai retkarčiais turėtų išbandyti siuntas, kad nustatytų kitas svarbias savybes, pvz., MYS, UTS arba minimalų pailgėjimą, priklausomai nuo vamzdžio pritaikymo.
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 Journal“ 1990 m. tapo pirmuoju žurnalu, skirtu metalinių vamzdžių pramonei. Šiandien jis išlieka vieninteliu šiai pramonei skirtu leidiniu Šiaurės Amerikoje ir tapo patikimiausiu informacijos šaltiniu vamzdžių specialistams.
Dabar su visiška prieiga prie skaitmeninio „The FABRICATOR“ leidimo ir lengva prieiga prie vertingų pramonės išteklių.
Skaitmeninis „The Tube & Pipe Journal“ leidimas dabar yra visiškai prieinamas, suteikiant lengvą prieigą prie vertingų pramonės išteklių.
Mėgaukitės visiška prieiga prie skaitmeninio „STAMPING Journal“ leidimo, kuriame pateikiami naujausi technologiniai pasiekimai, geriausia praktika ir pramonės naujienos metalo štampavimo rinkoje.
Mėgaukitės visa prieiga prie skaitmeninio „The Additive Report“ leidimo, kad sužinotumėte, kaip adityvioji gamyba gali būti naudojama veiklos efektyvumui pagerinti ir pelnui padidinti.
Dabar su visiška prieiga prie skaitmeninio „The Fabricator en Español“ leidimo ir lengva prieiga prie vertingų pramonės išteklių.