Verschillende testprotocollen (Brinell, Rockwell, Vickers) hebben procedures die specifiek zijn voor het te testen project. De Rockwell T-test is geschikt voor het inspecteren van dunne wandbuizen door de buis in de lengte door te snijden en de wand te testen op basis van de binnendiameter in plaats van de buitendiameter.
Het bestellen van een tubing is een beetje als naar een autodealer gaan en daar een auto of vrachtwagen bestellen. Tegenwoordig bieden de vele beschikbare opties kopers de mogelijkheid om het voertuig op allerlei manieren te personaliseren: interieur- en exterieurkleuren, interieurbekledingspakketten, exterieurstylingopties, aandrijflijnkeuzes en een audiosysteem dat bijna vergelijkbaar is met een home-entertainmentsysteem. Gezien al deze opties bent u mogelijk niet tevreden met een standaard, no-nonsense voertuig.
Stalen buizen zijn precies dat. Ze hebben duizenden opties of specificaties. Naast de afmetingen vermeldt de specificatie chemische en diverse mechanische eigenschappen, zoals minimale vloeigrens (MYS), ultieme treksterkte (UTS) en minimale rek vóór breuk. Veel mensen in de industrie – ingenieurs, inkopers en fabrikanten – gebruiken echter algemeen aanvaarde industriële afkortingen die het gebruik van 'normale' gelaste buizen vereisen en slechts één kenmerk specificeren: hardheid.
Probeer maar eens een auto te bestellen op basis van één kenmerk ("Ik heb een auto met een automatische transmissie nodig") en je komt niet ver bij een verkoper. Hij moet een bestelformulier invullen met veel opties. Pijp is precies dat - om de juiste pijp voor de toepassing te krijgen, heeft de pijpfabrikant meer informatie nodig dan alleen de hardheid.
Hoe wordt hardheid een erkend alternatief voor andere mechanische eigenschappen? Het begon waarschijnlijk bij een buizenfabrikant. Omdat hardheidstests snel en eenvoudig zijn en relatief goedkope apparatuur vereisen, gebruiken buizenverkopers vaak hardheidstests om twee buizen te vergelijken. Om een ​​hardheidstest uit te voeren, hebben ze alleen een glad stuk buis en een testbank nodig.
De hardheid van de buis correleert goed met de UTS. Als vuistregel geldt dat percentages of percentagebereiken handig zijn bij het schatten van MYS. Het is dus duidelijk dat hardheidstesten een geschikte benadering kunnen zijn voor andere eigenschappen.
Andere testen zijn bovendien relatief complex. Hardheidstesten duren slechts een minuut of zo op één apparaat, terwijl MYS-, UTS- en rektesten monstervoorbereiding en een aanzienlijke investering in grote laboratoriumapparatuur vereisen. Ter vergelijking: het kost een operator van een buizenfabriek seconden om een ​​hardheidstest uit te voeren, terwijl het uren duurt voor een professionele metallurgisch technicus om een ​​trekproef uit te voeren. Het uitvoeren van een hardheidscontrole is niet moeilijk.
Dit wil niet zeggen dat fabrikanten van speciaal ontworpen buizen geen hardheidstesten uitvoeren. Je kunt gerust stellen dat de meeste mensen dat wel doen, maar omdat ze herhaalbaarheids- en reproduceerbaarheidstesten uitvoeren op al hun testapparatuur, zijn ze zich terdege bewust van de beperkingen van de test. De meeste fabrikanten gebruiken het beoordelen van de hardheid van buizen als onderdeel van het productieproces, maar ze gebruiken het niet om de eigenschappen van buizen te kwantificeren. Dit is slechts een test om te bepalen of iets wel of niet is geslaagd.
Waarom moet u MYS, UTS en minimale rek kennen? Deze geven aan hoe de buis zich tijdens de montage zal gedragen.
MYS is de minimale kracht die permanente vervorming van het materiaal veroorzaakt. Als je een rechte draad (zoals een kleerhanger) iets probeert te buigen en de druk laat zakken, kunnen er twee dingen gebeuren: de draad veert terug naar de oorspronkelijke staat (recht) of hij blijft gebogen. Als de draad dan nog steeds recht is, ben je nog niet voorbij MYS. Als de draad nog steeds gebogen is, ben je te ver gegaan.
Gebruik nu een tang om beide uiteinden van de draad vast te klemmen. Als je de draad in twee stukken kunt scheuren, heb je de UTS overschreden. Je zet er heel veel spanning op en je hebt twee draden om je bovenmenselijke inspanning te bewijzen. Als de oorspronkelijke lengte van de draad 5 inch is en de twee lengtes na het falen samen 6 inch bedragen, is de draad uitgerekt met 1 inch of 20%. De daadwerkelijke rektest wordt gemeten binnen 2 inch van het punt van falen, maar hoe dan ook - het concept van de trekdraad illustreert de UTS.
Staalfotomicroscoopmonsters moeten worden gesneden, gepolijst en geëtst met een lichtzure oplossing (meestal salpeterzuur en alcohol (nitroethanol)) om de korrels zichtbaar te maken. Een vergroting van 100x wordt vaak gebruikt om staalkorrels te inspecteren en de korrelgrootte te bepalen.
Hardheid is een test voor de manier waarop een materiaal reageert op een impact. Stel je voor dat je een kort stuk pijp in een bankschroef met gekartelde kaken stopt en de bankschroef draait om te sluiten. De kaken van de bankschroef maken de buis niet alleen plat, maar laten ook deuken achter in het oppervlak van de buis.
Zo werkt de hardheidstest, maar deze is niet zo ruw. Bij deze test wordt de impactgrootte en de druk gecontroleerd. Deze krachten vervormen het oppervlak en creëren een deuk of inkeping. De grootte of diepte van de deuk bepaalt de hardheid van het metaal.
Voor het beoordelen van staal worden vaak de hardheidstests Brinell, Vickers en Rockwell gebruikt. Elk heeft zijn eigen schaal en sommige hebben meerdere testmethoden, zoals Rockwell A, B en C. Voor stalen buizen verwijst ASTM-specificatie A513 naar de Rockwell B-test (afgekort als HRB of RB). De Rockwell B-test meet het verschil in penetratie van staal door een stalen kogel met een diameter van 1⁄16 inch tussen een kleine voorbelasting en een primaire belasting van 100 kgf. Een typisch resultaat voor standaard zacht staal is HRB 60.
Materiaalwetenschappers weten dat hardheid lineair verband houdt met UTS. Daarom kan een gegeven hardheid UTS voorspellen. Buizenfabrikanten weten eveneens dat MYS en UTS verband met elkaar houden. Bij gelaste buizen bedraagt ​​MYS doorgaans 70% tot 85% van UTS. De exacte hoeveelheid hangt af van het productieproces van de buis. De hardheid van HRB 60 komt overeen met een UTS van 60.000 pond per vierkante inch (PSI) en een MYS van 80%, of 48.000 PSI.
De meest voorkomende pijpspecificatie in de algemene productie is maximale hardheid. Naast de afmetingen was de ingenieur ook bezig met het specificeren van een gelaste elektrisch weerstandsgelaste (ERW) pijp binnen een goed werkbereik, wat zou kunnen resulteren in een maximale hardheid van mogelijk HRB 60 op de componenttekening. Deze beslissing alleen al resulteert in een reeks uiteindelijke mechanische eigenschappen, waaronder de hardheid zelf.
Ten eerste zegt de hardheid van HRB 60 ons niet veel. De meting van HRB 60 is een dimensieloos getal. Het materiaal dat met HRB 59 wordt geëvalueerd, is zachter dan het materiaal dat met HRB 60 wordt getest, en HRB 61 is harder dan HRB 60, maar hoeveel? Het kan niet worden gekwantificeerd zoals volume (gemeten in decibel), koppel (gemeten in pond-voet), snelheid (gemeten in afstand ten opzichte van tijd) of UTS (gemeten in pond per vierkante inch). De meting van HRB 60 vertelt ons niets specifieks. Dit is een eigenschap van het materiaal, maar geen fysieke eigenschap. Ten tweede is hardheidstests niet geschikt voor herhaalbaarheid of reproduceerbaarheid. Het evalueren van twee locaties op een testmonster, zelfs als de testlocaties dicht bij elkaar liggen, resulteert vaak in een grote variatie in hardheidsmetingen. Dit probleem wordt nog verergerd door de aard van de test. Nadat een positie is gemeten, kan deze niet nogmaals worden gemeten om de resultaten. Herhaalbaarheid van de test is niet mogelijk.
Dit wil niet zeggen dat het testen van de hardheid onhandig is. Het biedt juist een goede richtlijn voor de UTS van een materiaal en het is een snelle en eenvoudige test om uit te voeren. Iedereen die betrokken is bij het specificeren, aanschaffen en produceren van buizen moet zich echter bewust zijn van de beperkingen ervan als testparameter.
Omdat "normale" buizen niet goed gedefinieerd zijn, beperken buizenfabrikanten zich, indien nodig, vaak tot de twee meest gebruikte stalen buizen en buistypen die gedefinieerd zijn in ASTM A513: 1008 en 1010. Zelfs na het elimineren van alle andere buistypen zijn de mogelijkheden qua mechanische eigenschappen van deze twee buistypen nog steeds enorm. Sterker nog, deze buistypen hebben het breedste scala aan mechanische eigenschappen van alle typen.
Een buis wordt bijvoorbeeld zacht genoemd als de MYS laag is en de rek hoog. Dit betekent dat de buis beter presteert op het gebied van treksterkte, doorbuiging en vervorming dan een buis die hard is, die een relatief hoge MYS en een relatief lage rek heeft. Dit is vergelijkbaar met het verschil tussen zachte en harde draad, zoals voor kleerhangers en boren.
Rek is een factor die een aanzienlijke impact heeft op kritische buistoepassingen. Buizen met een hoge rek kunnen trekkrachten weerstaan, maar materialen met een lage rek zijn brozer en daardoor gevoeliger voor ernstige vermoeiingsstoringen. Rek houdt echter geen direct verband met UTS, de enige mechanische eigenschap die direct verband houdt met hardheid.
Waarom variëren de mechanische eigenschappen van de buizen zo sterk? Ten eerste is de chemische samenstelling anders. Staal is een vaste oplossing van ijzer, koolstof en andere belangrijke legeringen. Voor het gemak zullen we hier alleen koolstofpercentages behandelen. Koolstofatomen vervangen een deel van de ijzeratomen en vormen de kristalstructuur van staal. ASTM 1008 is een allesomvattende primaire kwaliteit met een koolstofgehalte van 0% tot 0,10%. Nul is een heel speciaal getal dat unieke eigenschappen oplevert wanneer het koolstofgehalte in staal extreem laag is. ASTM 1010 specificeert een koolstofgehalte tussen 0,08% en 0,13%. Deze verschillen lijken niet enorm, maar ze zijn groot genoeg om elders een groot verschil te maken.
Ten tweede kan de stalen pijp worden vervaardigd of gefabriceerd en vervolgens worden verwerkt in zeven verschillende productieprocessen. ASTM A513 met betrekking tot de productie van ERW-pijpen noemt zeven typen:
Als de chemische samenstelling van het staal en de stappen in het productieproces van de buis geen effect hebben op de hardheid van het staal, wat dan wel? Om deze vraag te beantwoorden, moet je je verdiepen in de details. Deze vraag roept twee nieuwe vragen op: welke details en hoe nauw verwant?
Het eerste antwoord vindt u in de details over de korrels waaruit staal bestaat. Wanneer staal in een primaire staalfabriek wordt gemaakt, koelt het niet af tot een enorm blok met slechts één structuur. Naarmate het staal afkoelt, organiseren de staalmoleculen zich in repeterende patronen (kristallen), vergelijkbaar met de vorming van sneeuwvlokken. Nadat de kristallen zijn gevormd, aggregeren ze tot groepen die korrels worden genoemd. Naarmate de afkoeling vordert, groeien de korrels en vormen ze zich door de hele plaat. De korrels stoppen met groeien wanneer de laatste staalmoleculen door de korrels worden geabsorbeerd. Dit alles gebeurt op microscopisch niveau, omdat de gemiddelde staalkorrel ongeveer 64 µ of 0,0025 inch breed is. Hoewel elke korrel op de volgende lijkt, zijn ze niet hetzelfde. Ze variëren enigszins in grootte, oriëntatie en koolstofgehalte. De interface tussen de korrels wordt korrelgrens genoemd. Wanneer staal bezwijkt, bijvoorbeeld door vermoeiingsscheuren, heeft het de neiging om te bezwijken langs de korrelgrenzen.
Hoe ver moet je kijken om zichtbare korrels te zien? Een vergroting van 100x, of 100x van het menselijk zicht, is voldoende. Maar als je alleen naar onbehandeld staal kijkt met een vergroting van 100 keer, zie je niet veel. Het monster wordt voorbereid door het te polijsten en het oppervlak te etsen met een zuur (meestal salpeterzuur en alcohol), een zogenaamd nitro-ethanol etsmiddel.
Het zijn de korrels en hun interne rooster die de slagsterkte, MYS, UTS en rek bepalen die een staalsoort kan weerstaan ​​voordat deze bezwijkt.
Bij de staalproductie, zoals het warm- en koudwalsen van staalstrips, wordt spanning op de korrelstructuur uitgeoefend. Als de korrel permanent van vorm verandert, vervormt de spanning de korrel. Bij andere verwerkingsstappen wordt het staal opgerold, afgerold en vervormd in een buizenwals (om de buis te vormen en op maat te maken). Ook het koudtrekken van de buis op de doorn oefent druk uit op het materiaal, evenals bij productiestappen zoals het vormen en buigen van de uiteinden. Veranderingen in de korrelstructuur worden dislocaties genoemd.
De bovenstaande stappen verminderen de ductiliteit van het staal, oftewel de mate waarin het staal trekspanning (opentrekken) kan weerstaan. Staal wordt broos, waardoor het sneller breekt als je ermee blijft werken. Rek is één onderdeel van ductiliteit (samendrukbaarheid is een ander). Het is belangrijk om te begrijpen dat breuk meestal optreedt bij trekspanning, niet bij drukspanning. Staal is zeer goed bestand tegen trekspanning vanwege zijn relatief hoge rekcapaciteit. Staal vervormt echter gemakkelijk onder drukspanning – het is ductiel – wat een voordeel is.
Beton heeft een hoge druksterkte, maar een lage ductiliteit vergeleken met beton. Deze eigenschappen zijn tegengesteld aan die van staal. Daarom wordt beton voor wegen, gebouwen en trottoirs vaak voorzien van wapeningsstaven. Zo ontstaat een product met de sterkte van twee materialen: onder trek is staal sterk en onder druk is beton sterk.
Bij koudvervorming neemt de ductiliteit van het staal af en neemt de hardheid ervan toe. Met andere woorden: het staal zal harden. Afhankelijk van de situatie kan dit een voordeel zijn, maar het kan ook een nadeel zijn, omdat hardheid gelijk staat aan broosheid. Dat wil zeggen dat staal minder elastisch wordt naarmate het harder wordt en daardoor sneller zal bezwijken.
Met andere woorden, iedere processtap verbruikt een deel van de ductiliteit van de buis. De buis wordt harder naarmate het onderdeel harder wordt en als de buis te hard is, is hij eigenlijk nutteloos. Hardheid is broosheid en een brosse buis zal bij gebruik waarschijnlijk kapotgaan.
Heeft de fabrikant in dit geval opties? Kort gezegd: ja. Die optie is gloeien, en hoewel het niet echt magisch is, komt het wel zo dicht bij magie als je maar kunt komen.
Simpel gezegd zorgt gloeien ervoor dat alle effecten van fysieke spanning op het metaal verdwijnen. Dit proces verhit het metaal tot een spanningsontlastende of rekristallisatietemperatuur, waardoor dislocaties worden geëlimineerd. Afhankelijk van de specifieke temperatuur en tijd die worden gebruikt bij het gloeiproces, herstelt het proces een deel of al de ductiliteit.
Gloeien en gecontroleerd afkoelen bevorderen de korrelgroei. Dit is gunstig als het doel is om de brosheid van het materiaal te verminderen. Ongecontroleerde korrelgroei kan het metaal echter te zacht maken, waardoor het onbruikbaar wordt voor het beoogde gebruik. Het stoppen van het gloeiproces is ook bijna magisch. Door op de juiste temperatuur en met het juiste blusmiddel op het juiste moment te blussen, wordt het proces snel stopgezet en worden de hersteleigenschappen van het staal hersteld.
Moeten we de hardheidsspecificatie laten vallen?Nee. Hardheidseigenschappen zijn in de eerste plaats waardevol als referentiepunt bij het specificeren van stalen buizen. Hardheid is een nuttige maatstaf en een van de eigenschappen die moeten worden opgegeven bij het bestellen van buismateriaal en die bij ontvangst moeten worden gecontroleerd (en bij elke zending moeten worden vastgelegd). Wanneer hardheidsinspectie de inspectienorm is, moet deze over geschikte schaalwaarden en controlebereiken beschikken.
Het is echter geen echte test om te bepalen of materiaal wordt geaccepteerd of afgewezen. Naast de hardheid moeten fabrikanten hun leveringen zo nu en dan testen om andere relevante eigenschappen te bepalen, zoals MYS, UTS of minimale rek, afhankelijk van de toepassing van de buis.
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 was in 1990 het eerste tijdschrift dat zich specifiek richtte op de metaalbuizenindustrie. Vandaag de dag is het nog steeds het enige tijdschrift in Noord-Amerika dat zich specifiek op deze industrie richt en is het uitgegroeid tot de meest betrouwbare bron van informatie voor professionals op het gebied van buizen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de sector.
Profiteer van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, met de nieuwste technologische ontwikkelingen, best practices en nieuws uit de branche voor de metaalstansmarkt.
Krijg volledige toegang tot de digitale editie van The Additive Report en ontdek hoe additieve productie kan worden ingezet om de operationele efficiëntie te verbeteren en de winst te verhogen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.