Różne protokoły testowe (Brinell, Rockwell, Vickers) mają procedury specyficzne dla testowanego projektu. Test T Rockwella nadaje się do sprawdzania rur o cienkich ściankach poprzez przecięcie rury wzdłuż i sprawdzenie ścianki od średnicy wewnętrznej, a nie zewnętrznej.
Zamówienie rurek jest trochę jak pójście do salonu samochodowego i zamówienie samochodu osobowego lub ciężarowego. Obecnie wiele dostępnych opcji pozwala kupującym na personalizację pojazdu na wiele sposobów — kolory wnętrza i nadwozia, pakiety wykończenia wnętrza, opcje stylizacji zewnętrznej, wybór układu napędowego i system audio, który niemal dorównuje domowemu systemowi rozrywki. Biorąc pod uwagę wszystkie te opcje, możesz nie być zadowolony ze standardowego pojazdu bez zbędnych dodatków.
Rury stalowe to właśnie to. Mają tysiące opcji i specyfikacji. Oprócz wymiarów, specyfikacja wymienia właściwości chemiczne i kilka właściwości mechanicznych, takich jak minimalna granica plastyczności (MYS), wytrzymałość na rozciąganie (UTS) i minimalne wydłużenie przed pęknięciem. Jednak wielu w branży — inżynierowie, agenci ds. zakupów i producenci — stosuje przyjęte w branży skróty, które wymagają stosowania „zwykłych” rur spawanych i określają tylko jedną cechę: twardość.
Spróbuj zamówić samochód, podając tylko jedną cechę („Potrzebuję samochodu z automatyczną skrzynią biegów”), a nie uda ci się dojść daleko ze sprzedawcą. Musi on wypełnić formularz zamówienia z wieloma opcjami. Rura jest właśnie tym, czym jest – aby uzyskać odpowiednią rurę do danego zastosowania, producent rury potrzebuje więcej informacji niż tylko jej twardość.
W jaki sposób twardość stała 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 wykorzystują badanie twardości do porównywania dwóch rur.Aby wykonać badanie twardości, potrzebują jedynie gładkiego kawałka rury i stanowiska badawczego.
Twardość rur dobrze koreluje z UTS, a co do zasady, procenty lub zakresy procentowe są pomocne w szacowaniu MYS, dzięki czemu łatwo zrozumieć, w jaki sposób badanie twardości może być odpowiednim wskaźnikiem innych właściwości.
Ponadto inne testy są stosunkowo skomplikowane. Podczas gdy badanie twardości zajmuje tylko około minuty na jednej maszynie, badanie MYS, UTS i wydłużenia wymaga przygotowania próbki i znacznych inwestycji w duży sprzęt laboratoryjny. Dla porównania, operatorowi walcowni rur zajmuje kilka sekund wykonanie testu twardości, a profesjonalnemu technikowi metalurgii wykonanie testu rozciągania zajmuje kilka godzin. Przeprowadzenie kontroli twardości nie sprawia trudności.
Nie oznacza to, że producenci rur technicznych nie stosują testów twardości. Można śmiało powiedzieć, że większość osób to robi, ale ponieważ wykonują oceny powtarzalności i odtwarzalności pomiarów na wszystkich swoich urządzeniach testowych, są świadomi ograniczeń tego testu. Większość firm stosuje ocenę twardości rur w ramach procesu produkcyjnego, ale nie używa jej do ilościowego określania właściwości rur. Jest to po prostu test typu „zaliczony/niezaliczony”.
Dlaczego warto wiedzieć o MYS, UTS i minimalnym wydłużeniu?Wskazuje to, jak rura będzie zachowywać się podczas montażu.
MYS to minimalna siła powodująca trwałą deformację materiału. Jeśli spróbujesz lekko zgiąć prosty drut (np. wieszak na ubrania) i zwolnisz nacisk, wydarzy się jedna z dwóch rzeczy: powróci on do swojego pierwotnego stanu (prostego) lub pozostanie wygięty. Jeśli drut nadal będzie prosty, nie przekroczyłeś MYS. Jeśli nadal będzie wygięty, przekroczyłeś go.
Teraz użyj szczypiec, aby zacisnąć oba końce drutu. Jeśli możesz rozerwać drut na dwie części, przekroczyłeś jego UTS. Nakładasz na niego duże napięcie i masz dwa druty, aby pokazać swój nadludzki wysiłek. Jeśli pierwotna długość drutu wynosiła 5 cali, a dwie długości po zerwaniu sumują się do 6 cali, drut jest rozciągnięty o 1 cal, czyli 20%. Rzeczywisty test wydłużenia mierzony jest w odległości 2 cali od punktu zerwania, ale nieważne – koncepcja drutu rozciągającego ilustruje UTS.
Próbki fotomikrografii stali muszą zostać pocięte, polerowane i wytrawione za pomocą lekko kwaśnego roztworu (zazwyczaj kwasu azotowego i alkoholu (nitroetanolu)), aby uczynić ziarna widocznymi. Do badania ziaren stali i określania ich wielkości powszechnie stosuje się powiększenie 100-krotne.
Twardość to miara reakcji materiału na uderzenia. Wyobraź sobie, że wkładasz krótki kawałek rury do imadła z ząbkowanymi szczękami i zaciskasz je. Szczęki imadła nie tylko spłaszczają rurę, ale również pozostawiają wgłębienia na jej powierzchni.
Tak właśnie działa test twardości, jednak nie jest on aż tak brutalny. W tym teście kontrolowana jest wielkość uderzenia i ciśnienie. Siły te odkształcają powierzchnię, tworząc wgłębienie lub wgniecenie. Wielkość lub głębokość wgłębienia określa twardość metalu.
Do oceny twardości stali powszechnie stosuje się testy Brinella, Vickersa i Rockwella. Każdy z nich ma własną skalę, a niektóre wykorzystują wiele metod badawczych, takich jak Rockwell A, B i C. W przypadku rur stalowych norma ASTM A513 odwołuje się do testu Rockwella B (w skrócie HRB lub RB). Test Rockwella B mierzy różnicę w penetracji stali przez stalową kulkę o średnicy 1/16 cala między małym obciążeniem wstępnym a obciążeniem pierwotnym 100 kgf. Typowy wynik dla standardowej stali miękkiej to HRB 60.
Naukowcy zajmujący się materiałami wiedzą, że twardość jest liniowo związana z UTS. Dlatego na podstawie danej twardości można przewidzieć UTS. Podobnie producenci rur wiedzą, że MYS i UTS są ze sobą powiązane. W przypadku rur spawanych MYS wynosi zazwyczaj od 70% do 85% UTS. Dokładna wartość zależy od procesu wytwarzania rury. Twardość HRB 60 odpowiada UTS wynoszącemu 60 000 funtów na cal kwadratowy (PSI) i MYS wynoszącemu 80%, czyli 48 000 PSI.
Najczęściej stosowaną specyfikacją rur w ogólnej produkcji jest maksymalna twardość. Oprócz rozmiaru inżynierowi zależało na określeniu rury spawanej oporowo (ERW) w dobrym zakresie roboczym, co mogłoby skutkować maksymalną twardością, prawdopodobnie HRB 60, która znalazłaby się na rysunku komponentu. Ta decyzja sama w sobie ma wpływ na zakres końcowych właściwości mechanicznych, w tym na samą twardość.
Po pierwsze, twardość HRB 60 niewiele nam mówi. Odczyt HRB 60 jest liczbą bezwymiarową. Materiał oceniony 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? Nie można tego określić ilościowo, tak jak objętości (mierzonej w decybelach), momentu obrotowego (mierzonego w funtach na stopę), prędkości (mierzonej w odległości względem czasu) lub UTS (mierzonej w funtach na cal kwadratowy). Odczyt HRB 60 nie mówi nam niczego konkretnego. Jest to właściwość materiału, ale nie właściwość fizyczna. Po drugie, badanie twardości nie nadaje się do powtarzalności lub odtwarzalności. Ocenianie dwóch lokalizacji na próbce testowej, nawet jeśli lokalizacje testowe są blisko siebie, często skutkuje dużą zmiennością odczytów twardości. Problem ten potęguje natura testu. Po zmierzeniu pozycji nie można jej zmierzyć po raz drugi czas na weryfikację wyników. Powtarzalność testu nie jest możliwa.
Nie oznacza to, że badanie twardości jest niewygodne. Wręcz przeciwnie, stanowi dobry wyznacznik wytrzymałości na rozciąganie (UTS) materiału i jest szybkim i łatwym testem do wykonania. Jednak wszystkie osoby zajmujące się specyfikacją, zakupem i produkcją rur powinny być świadome ograniczeń tego parametru jako parametru testowego.
Ponieważ „normalna” rura nie jest dobrze zdefiniowana, producenci rur, gdy zachodzi taka potrzeba, często zawężają ją do dwóch najczęściej stosowanych rur stalowych i typów rur zdefiniowanych w normie ASTM A513: 1008 i 1010. Nawet po wyeliminowaniu wszystkich innych typów rur, możliwości pod względem właściwości mechanicznych tych dwóch typów rur pozostają szerokie. W rzeczywistości te typy rur mają najszerszy zakres właściwości mechanicznych ze wszystkich typów.
Na przykład rurę określa się jako miękką, jeżeli MYS jest niski, a wydłużenie jest duże, co oznacza, że ​​rura ta lepiej sprawdza się w rozciąganiu, ugięciu i odkształceniu niż rura określana jako twarda, która ma stosunkowo wysoki MYS i stosunkowo niskie wydłużenie. Jest to podobne do różnicy między miękkim i twardym drutem, takim jak wieszaki na ubrania i wiertarki.
Samo wydłużenie jest kolejnym czynnikiem, który ma znaczący wpływ na krytyczne zastosowania rur. Rury o dużym wydłużeniu mogą wytrzymać siły rozciągające; materiały o małym wydłużeniu są bardziej kruche i dlatego bardziej podatne na katastrofalne uszkodzenia typu zmęczeniowego. Jednakże wydłużenie nie jest bezpośrednio związane z UTS, która jest jedyną właściwością mechaniczną bezpośrednio związaną z twardością.
Dlaczego właściwości mechaniczne rur tak bardzo się różnią? Po pierwsze, skład chemiczny jest różny. Stal jest stałym roztworem żelaza i węgla oraz innych ważnych stopów. Dla uproszczenia zajmiemy się tutaj tylko procentową zawartością węgla. Atomy węgla zastępują niektóre atomy żelaza, tworząc strukturę krystaliczną stali. Norma ASTM 1008 to wszechstronny gatunek podstawowy o zawartości węgla od 0% do 0,10%. Zero to bardzo szczególna liczba, która zapewnia unikalne właściwości, gdy zawartość węgla w stali jest bardzo niska. Norma 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, rury stalowe mogą być wytwarzane lub wytwarzane i następnie przetwarzane w siedmiu różnych procesach produkcyjnych. Norma ASTM A513 dotycząca produkcji rur ERW wymienia siedem typów:
Jeśli skład chemiczny stali i etapy produkcji rur nie mają wpływu na twardość stali, to jaki jest?Odpowiedź na to pytanie oznacza wgłębienie się w szczegóły.To pytanie rodzi dwa kolejne pytania: jakie szczegóły i jak blisko?
Pierwszą odpowiedzią są szczegóły dotyczące ziaren, z których składa się stal. Kiedy stal jest wytwarzana w głównej hucie, nie jest chłodzona w ogromny blok o pojedynczej charakterystyce. W miarę stygnięcia stali jej cząsteczki organizują się w powtarzające się wzory (kryształy), podobnie jak płatki śniegu. Po uformowaniu kryształów łączą się w grupy zwane ziarnami. W miarę postępu chłodzenia ziarna rosną i tworzą się w całym arkuszu lub płycie. Ziarna przestają rosnąć, gdy ostatnie cząsteczki stali zostaną wchłonięte przez ziarna. Wszystko to dzieje się na poziomie mikroskopowym, ponieważ średni rozmiar ziarna stali wynosi około 64 µ lub 0,0025 cala szerokości. Chociaż każde ziarno jest podobne do następnego, nie są takie same. Różnią się nieznacznie rozmiarem, orientacją i zawartością węgla. Interfejs między ziarnami nazywany jest granicą ziarna. Kiedy stal ulega uszkodzeniu, na przykład z powodu pęknięć zmęczeniowych, ma tendencję do uszkodzenia wzdłuż granic ziarna.
Jak daleko trzeba patrzeć, żeby dostrzec ziarna?Wystarczy 100-krotne powiększenie, czyli 100-krotność ludzkiego wzroku. Jednak samo patrzenie na nieobrobioną stal przy 100-krotnym powiększeniu nie ujawnia zbyt wiele. Próbkę przygotowuje się poprzez polerowanie i wytrawianie powierzchni kwasem (zazwyczaj kwasem azotowym i alkoholem) zwanym środkiem trawiącym nitroetanolem.
To właśnie ziarna i ich wewnętrzna sieć krystaliczna decydują o wytrzymałości na uderzenia, MYS, UTS i wydłużeniu, jakie stal może wytrzymać przed zniszczeniem.
Procesy produkcji stali, takie jak walcowanie taśm na zimno i na gorąco, powodują naprężenia w strukturze ziarna; jeśli zmienią one trwale kształt, oznacza to, że naprężenie odkształci ziarno. Inne procesy obróbki, takie jak zwijanie stali w kręgi, rozwijanie jej i odkształcanie ziaren stali w walcowni rur (w celu uformowania i określenia rozmiaru rury). Ciągnienie rury na zimno na trzpieniu również wywiera nacisk na materiał, podobnie jak procesy produkcyjne, takie jak formowanie końców i gięcie. Zmiany w strukturze ziarna nazywane są dyslokacjami.
Powyższe kroki obniżają ciągliwość stali, czyli jej zdolność do wytrzymywania naprężeń rozciągających (rozciągania i otwierania). Stal staje się krucha, co oznacza, że ​​jest bardziej prawdopodobne, że pęknie, jeśli będziesz nad nią pracować. Wydłużenie jest jednym ze składników ciągliwości (innym jest ściśliwość). Ważne jest, aby zrozumieć, że awaria najczęściej występuje podczas naprężeń rozciągających, a nie ściskających. Stal jest bardzo odporna na naprężenia rozciągające ze względu na swoją stosunkowo wysoką zdolność do wydłużania. Jednak stal łatwo odkształca się pod wpływem naprężeń ściskających – jest ciągliwa – co jest zaletą.
Beton ma wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale niską ciągliwość w porównaniu z betonem. Właściwości te są odwrotne do właściwości stali. Dlatego beton używany do budowy dróg, budynków i chodników jest często zbrojony prętami. W rezultacie powstaje produkt łączący w sobie wytrzymałość dwóch materiałów: pod wpływem rozciągania stal jest mocna, a pod wpływem ciśnienia – beton.
Podczas obróbki plastycznej na zimno, wraz ze spadkiem ciągliwości stali, wzrasta jej twardość. Innymi słowy, stal się hartuje. W zależności od sytuacji może to być zaletą; jednak może być też wadą, ponieważ twardość jest utożsamiana z kruchością. Oznacza to, że im stal twardnieje, tym mniej jest elastyczna; w związku z tym jest bardziej narażone na uszkodzenie.
Innymi słowy, każdy etap procesu zużywa część ciągliwości rury. Rura staje się twardsza w miarę obróbki, a jeśli jest za twarda, to jest w zasadzie bezużyteczna. Twardość to kruchość, a krucha rura najprawdopodobniej ulegnie uszkodzeniu podczas użytkowania.
Czy producent ma w tym przypadku jakieś opcje?Krótko mówiąc, tak. Tą opcją jest wyżarzanie, i choć nie jest to coś magicznego, to jest to najbliższe magii, co można osiągnąć.
Mówiąc prościej, wyżarzanie usuwa wszystkie skutki naprężeń fizycznych w metalu. Proces ten polega na podgrzaniu metalu do temperatury odprężenia lub temperatury rekrystalizacji, eliminując w ten sposób dyslokacje. W zależności od konkretnej temperatury i czasu stosowanych w procesie wyżarzania, przywraca się część lub całość ciągliwości materiału.
Wyżarzanie i kontrolowane chłodzenie wspomagają wzrost ziarna. Jest to korzystne, jeśli celem jest zmniejszenie kruchości materiału, lecz niekontrolowany wzrost ziarna może spowodować nadmierne zmiękczenie metalu, czyniąc go niezdatnym do użytku zgodnie z przeznaczeniem. Kolejnym niemal magicznym sposobem jest zatrzymanie procesu wyżarzania. Hartowanie w odpowiedniej temperaturze, przy użyciu odpowiedniego środka hartującego i we właściwym czasie pozwala na szybkie zatrzymanie procesu, co pozwala stali odzyskać właściwości użytkowe.
Czy powinniśmy zrezygnować ze specyfikacji twardości?nie.Charakterystyki twardości są cenne przede wszystkim jako punkt odniesienia przy określaniu specyfikacji rur stalowych. Twardość jest przydatną miarą, jest jedną z kilku cech, które należy określić przy zamawianiu materiałów rurowych i sprawdzić przy ich odbiorze (i należy ją odnotować przy każdej dostawie).Gdy kontrola twardości jest standardem kontroli, powinna mieć odpowiednie wartości skali i zakresy kontrolne.
Nie jest to jednak prawdziwy test kwalifikujący (akceptujący 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.
W 1990 roku czasopismo Tube & Pipe Journal stało się pierwszym magazynem poświęconym branży rur metalowych. Obecnie jest to jedyne czasopismo w Ameryce Północnej poświęcone tej branży i najbardziej wiarygodne źródło informacji dla specjalistów zajmujących się rurami.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The FABRICATOR, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowa edycja czasopisma The Tube & Pipe Journal jest już w pełni dostępna, umożliwiając łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Ciesz się pełnym dostępem do cyfrowej wersji czasopisma STAMPING Journal, w którym znajdziesz najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe dla rynku tłoczenia metali.
Ciesz się pełnym dostępem do wydania cyfrowego The Additive Report i dowiedz się, jak produkcja addytywna może służyć poprawie efektywności operacyjnej i zwiększeniu zysków.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The Fabricator w języku hiszpańskim, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.