Różne protokoły testowe (Brinell, Rockwell, Vickers) mają procedury specyficzne dla testowanego projektu. Test T Rockwella jest odpowiedni do sprawdzania rur o cienkich ściankach poprzez cięcie wzdłużne rury i testowanie ścianki od średnicy wewnętrznej, a nie zewnętrznej.
Zamawianie rur jest trochę jak pójście do salonu samochodowego i zamówienie samochodu lub ciężarówki. Obecnie wiele dostępnych opcji pozwala kupującym dostosować pojazd na różne sposoby — kolory wnętrza i nadwozia, pakiety wykończenia wnętrza, opcje stylizacji zewnętrznej, wybór układu napędowego i system audio, który prawie rywalizuje z domowym systemem rozrywki. Biorąc pod uwagę wszystkie te opcje, możesz nie być zadowolony ze standardowego, prostego pojazdu.
Rury stalowe są właśnie takie. Ma tysiące opcji lub specyfikacji. Oprócz wymiarów specyfikacja wymienia właściwości chemiczne i kilka właściwości mechanicznych, takich jak minimalna granica plastyczności (MYS), maksymalna wytrzymałość na rozciąganie (UTS) i minimalne wydłużenie przed uszkodzeniem. Jednak wielu w branży — inżynierowie, agenci zakupów i producenci — stosuje przyjęte w branży skróty, które wymagają użycia „normalnej” spawanej rury i określają tylko jedną cechę: twardość.
Spróbuj zamówić samochód po jednej charakterystyce („Potrzebuję samochód z automatyczną skrzynią biegów”), a ze sprzedawcą nie zajdziesz daleko. Musi wypełnić formularz zamówienia z wieloma opcjami. Rura to po prostu – aby uzyskać odpowiednią rurę do zastosowania, producent rur potrzebuje więcej informacji niż tylko twardość.
W jaki sposób twardość staje się uznanym substytutem innych właściwości mechanicznych? Prawdopodobnie zaczęło się od producenta rur. Ponieważ badanie twardości jest szybkie, łatwe i wymaga stosunkowo niedrogiego sprzętu, sprzedawcy rur często używają twardościomierza do porównania dwóch rur. Do wykonania testu twardości wystarczy gładka długość rury i stanowisko badawcze.
Twardość rur dobrze koreluje z UTS iz reguły procenty lub zakresy procentowe są pomocne w szacowaniu MYS, więc łatwo jest zobaczyć, jak testowanie twardości może być odpowiednim wskaźnikiem zastępczym dla innych właściwości.
Również inne testy są stosunkowo złożone. Podczas gdy badanie twardości zajmuje tylko około minuty na jednej maszynie, testy MYS, UTS i wydłużenia wymagają przygotowania próbki i znacznych inwestycji w duży sprzęt laboratoryjny. Dla porównania, wykonanie testu twardości przez operatora młyna rurowego zajmuje kilka sekund, a wykonanie testu rozciągania przez profesjonalnego technika metalurgicznego nie jest trudne.
Nie oznacza to, że producenci konstrukcyjnych rur nie stosują testów twardości. Można śmiało powiedzieć, że większość ludzi to robi, ale ponieważ przeprowadzają oceny powtarzalności i odtwarzalności wszystkich swoich urządzeń testowych, doskonale zdają sobie sprawę z ograniczeń testu. Większość ocenia twardość rur jako część procesu produkcyjnego, ale nie używa ich do ilościowego określania właściwości rur. To jest tylko test pozytywny/negatywny.
Dlaczego warto wiedzieć o MYS, UTS i minimalnym wydłużeniu? Wskazują one, jak rura będzie się zachowywać podczas montażu.
MYS to minimalna siła, która powoduje trwałe odkształcenie materiału. Jeśli spróbujesz lekko zgiąć prosty drut (taki jak wieszak na ubrania) i zwolnić nacisk, stanie się jedna z dwóch rzeczy: powróci do pierwotnego stanu (prosty) lub pozostanie wygięty. Jeśli nadal jest prosty, nie przekroczyłeś MYS. Jeśli nadal jest wygięty, oznacza to, że przestrzeliłeś.
Teraz użyj szczypiec, aby zacisnąć oba końce drutu. Jeśli możesz rozerwać drut na dwie części, jesteś już po UTS. Mocno go napinasz i masz dwa druty, aby pokazać swój nadludzki wysiłek. Jeśli pierwotna długość drutu wynosi 5 cali, a dwie długości po zerwaniu sumują się do 6 cali, drut jest rozciągany o 1 cal, czyli 20%. Rzeczywisty test wydłużenia jest mierzony w odległości 2 cali od punktu uszkodzenia, ale cokolwiek – ilustruje koncepcja drutu ciągnącego UTS.
Próbki fotomikrograficzne stali należy ciąć, polerować i wytrawiać przy użyciu lekko kwaśnego roztworu (zwykle kwasu azotowego i alkoholu (nitroetanolu)), aby ziarna były widoczne. 100-krotne powiększenie jest powszechnie stosowane do sprawdzania ziaren stali i określania ich wielkości.
Twardość jest testem reakcji materiału na uderzenie. Wyobraź sobie, że wkładasz krótki kawałek rury do imadła z ząbkowanymi szczękami i zamykasz imadło. Oprócz spłaszczenia rury, szczęki imadła pozostawiają również wgłębienia na powierzchni rury.
Tak działa test twardości, ale nie jest aż tak szorstki. Ten test ma kontrolowaną wielkość uderzenia i kontrolowany nacisk. Siły te odkształcają powierzchnię, tworząc wgniecenie lub wgniecenie. Rozmiar lub głębokość wgniecenia określa twardość metalu.
Do oceny stali powszechnie stosuje się testy twardości Brinella, Vickersa i Rockwella. Każdy z nich ma swoją własną skalę, a niektóre mają wiele metod testowych, takich jak Rockwell A, B i C. W przypadku rur stalowych specyfikacja ASTM A513 odwołuje się do testu Rockwella B (w skrócie HRB lub RB). Typowy wynik dla standardowej stali miękkiej to HRB 60.
Materiałoznawcy wiedzą, że twardość jest liniowo związana z UTS. Dlatego dana twardość może przewidzieć UTS. Podobnie producenci rur wiedzą, że MYS i UTS są ze sobą powiązane. W przypadku spawanej rury MYS wynosi zwykle od 70% do 85% UTS. Dokładna wartość zależy od procesu wytwarzania rury. Twardość HRB 60 odpowiada UTS 60 000 funtów na cal kwadratowy (PSI) i MYS 80%, lub 48 000 PSI.
Najbardziej powszechną specyfikacją rur w ogólnej produkcji jest maksymalna twardość. Oprócz rozmiaru, inżynierowi chodziło o określenie spawanej rury zgrzewanej elektrycznie (ERW) w dobrym zakresie roboczym, co może skutkować maksymalną twardością prawdopodobnie HRB 60, która znajdzie się na rysunku komponentu. Sama ta decyzja prowadzi do szeregu końcowych właściwości mechanicznych, w tym samej twardości.
Po pierwsze, twardość HRB 60 niewiele nam mówi. Odczyt HRB 60 jest liczbą bezwymiarową. Materiał oceniany za pomocą HRB 59 jest bardziej miękki niż materiał testowany za pomocą HRB 60, a HRB 61 jest twardszy niż HRB 60, ale o ile? mierzona w funtach na cal kwadratowy). Odczyt HRB 60 nie mówi nam nic konkretnego. Jest to właściwość materiału, ale nie właściwość fizyczna. Po drugie, badanie twardości nie nadaje się do powtarzalności lub odtwarzalności. Ocena dwóch miejsc na próbce testowej, nawet jeśli lokalizacje testowe są blisko siebie, często skutkuje dużymi różnicami w odczytach twardości. Problem ten wiąże się z charakterem testu. Po zmierzeniu pozycji nie można jej zmierzyć po raz drugi w celu weryfikacji wyników. Powtarzalność testu nie jest możliwa.
Nie oznacza to, że testowanie twardości jest niewygodne. W rzeczywistości stanowi dobry przewodnik po UTS materiału, a jego wykonanie jest szybkie i łatwe. Jednak wszyscy zaangażowani w specyfikację, zakup i produkcję rur powinni być świadomi jego ograniczeń jako parametru testowego.
Ponieważ „normalna” rura nie jest dobrze zdefiniowana, w razie potrzeby producenci rur często zawężają ją do dwóch najczęściej używanych rur stalowych i typów rur określonych w normie ASTM A513: 1008 i 1010. Nawet po wyeliminowaniu wszystkich innych typów rur, możliwości pod względem właściwości mechanicznych tych dwóch typów rur są szeroko otwarte. W rzeczywistości te typy rur mają najszerszy zakres właściwości mechanicznych spośród wszystkich typów.
Na przykład rura jest opisywana jako miękka, jeśli MYS jest niska, a wydłużenie wysokie, co oznacza, że ​​zachowuje się ona lepiej pod względem rozciągania, ugięcia i zestalania niż rura opisana jako twarda, która ma stosunkowo wysoki MYS i stosunkowo niskie wydłużenie. Jest to podobne do różnicy między miękkim a twardym drutem, takim jak wieszaki na ubrania i wiertła.
Samo wydłużenie jest kolejnym czynnikiem, który ma znaczący wpływ na krytyczne zastosowania rur. Rury o dużym wydłużeniu mogą wytrzymać siły rozciągające;materiały o niskim wydłużeniu są bardziej kruche, a zatem bardziej podatne na katastrofalne uszkodzenia typu zmęczeniowego. Jednak wydłużenie nie jest bezpośrednio związane z UTS, który jest jedyną właściwością mechaniczną bezpośrednio związaną z twardością.
Dlaczego właściwości mechaniczne rur różnią się tak bardzo? Po pierwsze, skład chemiczny jest inny. Stal jest stałym roztworem żelaza i węgla oraz innych ważnych stopów. Dla uproszczenia zajmiemy się tutaj tylko zawartością procentową węgla. Atomy węgla zastępują niektóre atomy żelaza, tworząc strukturę krystaliczną stali. ASTM 1008 to wszechstronny gatunek podstawowy o zawartości węgla od 0% do 0,10%. Zero to bardzo szczególna liczba, która zapewnia wyjątkowe właściwości, gdy zawartość węgla w stali jest ultraniska. ASTM 1010 określa zawartość węgla między 0,08% a 0,13%. Różnice te nie wydają się ogromne, ale są wystarczająco duże, aby mieć duże znaczenie gdzie indziej.
Po drugie, rura stalowa może być wytwarzana lub wytwarzana, a następnie przetwarzana w siedmiu różnych procesach produkcyjnych. ASTM A513 dotyczący produkcji rur ERW wymienia siedem typów:
Jeśli skład chemiczny stali i etapy produkcji rur nie mają wpływu na twardość stali, to co to jest? Odpowiedź na to pytanie oznacza ślęczenie nad szczegółami. To pytanie wymaga jeszcze dwóch pytań: Jakie szczegóły i jak blisko?
Pierwszą odpowiedzią są szczegółowe informacje na temat ziaren, z których składa się stal. Kiedy stal jest wytwarzana w pierwotnej hucie stali, nie stygnie do postaci ogromnego bloku z pojedynczą cechą. Gdy stal stygnie, cząsteczki stali organizują się w powtarzające się wzory (kryształy), podobnie jak tworzą się płatki śniegu. Po utworzeniu kryształów łączą się one w grupy zwane ziarnami. Wszystko to dzieje się na poziomie mikroskopowym, ponieważ średnia wielkość ziarna stali ma szerokość około 64 µ lub 0,0025 cala. Chociaż każde ziarno jest podobne do następnego, nie są one takie same. Różnią się nieznacznie rozmiarem, orientacją i zawartością węgla. Granica między ziarnami nazywana jest granicą ziaren. Kiedy stal ulega uszkodzeniu, na przykład z powodu pęknięć zmęczeniowych, ma tendencję do niszczenia wzdłuż granic ziaren.
Jak daleko trzeba patrzeć, aby zobaczyć dostrzegalne ziarna? Wystarczy 100-krotne powiększenie lub 100-krotne widzenie ludzkie. Jednak samo spojrzenie na nieobrobioną stal przy 100-krotnym powiększeniu nie ujawnia zbyt wiele. Próbka jest przygotowywana przez polerowanie próbki i wytrawianie powierzchni kwasem (zwykle kwasem azotowym i alkoholem) zwanym wytrawiaczem nitroetanolowym.
To ziarna i ich wewnętrzna siatka określają udarność, MYS, UTS i wydłużenie, jakie stal może wytrzymać przed zniszczeniem.
Etapy produkcji stali, takie jak walcowanie taśmy na gorąco i na zimno, powodują naprężenia w strukturze ziarna;jeśli trwale zmieniają kształt, oznacza to, że naprężenie odkształca ziarno. Inne etapy przetwarzania, takie jak zwijanie stali w cewki, rozwijanie jej i deformowanie ziaren stali w młynie rurowym (w celu uformowania i wymiarowania rury). Ciągnienie rury na trzpieniu na zimno również wywiera nacisk na materiał, podobnie jak etapy produkcji, takie jak formowanie i gięcie końcówek. Zmiany w strukturze ziaren nazywane są dyslokacjami.
Powyższe kroki zmniejszają plastyczność stali, czyli jej zdolność do wytrzymywania naprężeń rozciągających (rozrywających). Stal staje się krucha, co oznacza, że ​​jest bardziej podatna na pękanie, jeśli będziesz dalej nad nią pracować. Wydłużenie jest jednym ze składników plastyczności (kolejnym jest ściśliwość). Ważne jest, aby zrozumieć, że zniszczenie występuje najczęściej podczas naprężeń rozciągających, a nie ściskania. Stal jest bardzo odporna na naprężenia rozciągające ze względu na stosunkowo dużą zdolność do wydłużania. Jednak stal łatwo odkształca się pod wpływem ściskania naprężenia żywe – jest plastyczny – co jest zaletą.
Beton ma wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale niską plastyczność w porównaniu z betonem. Te właściwości są przeciwne do stali. Dlatego beton używany do budowy dróg, budynków i chodników jest często zbrojony prętami zbrojeniowymi. Rezultatem jest produkt o wytrzymałości dwóch materiałów: przy rozciąganiu stal jest mocna, a pod ciśnieniem beton.
Podczas obróbki na zimno, gdy plastyczność stali maleje, jej twardość wzrasta. Innymi słowy, twardnieje. W zależności od sytuacji może to być korzystne;może to być jednak wadą, ponieważ twardość jest utożsamiana z kruchością. Oznacza to, że gdy stal twardnieje, staje się mniej elastyczna;dlatego jest bardziej prawdopodobne, że się nie powiedzie.
Innymi słowy, każdy etap procesu zużywa pewną część plastyczności rury. W miarę pracy część staje się twardsza, a jeśli jest zbyt twarda, jest w zasadzie bezużyteczna. Twardość to kruchość, a krucha rura może ulec uszkodzeniu podczas użytkowania.
Czy producent ma jakieś opcje w tym przypadku? Krótko mówiąc, tak. Tą opcją jest wyżarzanie i chociaż nie jest to całkiem magiczne, jest tak blisko magii, jak to tylko możliwe.
W kategoriach laika, wyżarzanie usuwa wszelkie skutki naprężeń fizycznych na metal. Proces ten podgrzewa metal do temperatury odprężenia lub rekrystalizacji, eliminując w ten sposób dyslokacje. W zależności od określonej temperatury i czasu zastosowanego w procesie wyżarzania, proces przywraca w ten sposób część lub całość jego plastyczności.
Wyżarzanie i kontrolowane chłodzenie sprzyjają wzrostowi ziarna. Jest to korzystne, jeśli celem jest zmniejszenie kruchości materiału, ale niekontrolowany wzrost ziarna może zbytnio zmiękczyć metal, czyniąc go niezdatnym do użytku zgodnie z jego przeznaczeniem. Zatrzymanie procesu wyżarzania to kolejna niemal magiczna rzecz. Hartowanie we właściwej temperaturze za pomocą odpowiedniego środka hartowniczego we właściwym czasie powoduje szybkie zatrzymanie procesu, aby uzyskać właściwości regeneracji stali.
Czy powinniśmy porzucić specyfikację twardości? Nie. Charakterystyka twardości jest cenna przede wszystkim jako punkt odniesienia przy określaniu rur stalowych. Przydatna miara, twardość jest jedną z kilku cech, które należy określić przy zamawianiu materiału rurowego i sprawdzić przy odbiorze (i powinny być rejestrowane z każdą wysyłką). Gdy kontrola twardości jest standardem kontroli, powinna mieć odpowiednie wartości skali i zakresy kontroli.
Nie jest to jednak prawdziwy test kwalifikujący (przyjmujący lub odrzucający) materiał. Oprócz twardości producenci powinni od czasu do czasu testować przesyłki w celu określenia innych istotnych właściwości, takich jak MYS, UTS lub minimalne wydłużenie, w zależności od zastosowania rury.
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 stał się pierwszym magazynem poświęconym branży rur metalowych w 1990 roku. Dziś pozostaje jedyną publikacją w Ameryce Północnej poświęconą branży i stał się najbardziej zaufanym źródłem informacji dla profesjonalistów zajmujących się rurami.
Teraz z pełnym dostępem do cyfrowej edycji The FABRICATOR, łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie The Tube & Pipe Journal jest teraz w pełni dostępne, zapewniając łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Ciesz się pełnym dostępem do cyfrowej edycji STAMPING Journal, która zawiera najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i nowości branżowe na rynku tłoczenia metali.
Ciesz się pełnym dostępem do cyfrowej edycji The Additive Report, aby dowiedzieć się, jak wytwarzanie przyrostowe można wykorzystać do poprawy wydajności operacyjnej i zwiększenia zysków.
Teraz z pełnym dostępem do cyfrowej edycji The Fabricator en Español, łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.