Vários protocolos de teste (Brinell, Rockwell, Vickers) têm procedimentos específicos para o projeto em teste. O teste Rockwell T é adequado para inspecionar tubos de parede leve cortando o tubo longitudinalmente e testando a parede a partir do diâmetro interno em vez do diâmetro externo.
Encomendar um tubo é um pouco como ir a uma concessionária de automóveis e encomendar um carro ou caminhão. Hoje, as muitas opções disponíveis permitem que os compradores personalizem o veículo de várias maneiras — cores internas e externas, pacotes de acabamento interno, opções de estilo externo, escolhas de trem de força e um sistema de áudio que quase rivaliza com um sistema de entretenimento doméstico. Dadas todas essas opções, você pode não ficar satisfeito com um veículo padrão e sem frescuras.
Tubos de aço são exatamente isso. Eles têm milhares de opções ou especificações. Além das dimensões, a especificação lista propriedades químicas e diversas propriedades mecânicas, como resistência ao escoamento mínima (MYS), resistência à tração máxima (UTS) e alongamento mínimo antes da falha. No entanto, muitos no setor — engenheiros, agentes de compras e fabricantes — usam abreviações aceitas no setor que exigem o uso de tubos soldados "normais" e especificam apenas uma característica: dureza.
Tente encomendar um carro por uma única característica ("Preciso de um carro com transmissão automática") e você não irá muito longe com um vendedor. Ele tem que preencher um formulário de pedido com muitas opções. Tubo é exatamente isso: para obter o tubo certo para a aplicação, o fabricante do tubo precisa de mais informações do que apenas a dureza.
Como a dureza se torna um substituto reconhecido para outras propriedades mecânicas? Provavelmente começou com um produtor de tubos. Como o teste de dureza é rápido, fácil e requer equipamento relativamente barato, os vendedores de tubos geralmente usam o teste de dureza para comparar dois tubos. Para realizar um teste de dureza, tudo o que eles precisam é de um pedaço liso de tubo e um suporte de teste.
A dureza do tubo se correlaciona bem com o UTS e, como regra geral, porcentagens ou faixas de porcentagem são úteis para estimar o MYS, então é fácil ver como o teste de dureza pode ser um proxy adequado para outras propriedades.
Além disso, outros testes são relativamente complexos. Enquanto os testes de dureza levam apenas um minuto ou mais em uma única máquina, os testes MYS, UTS e de alongamento exigem preparação de amostra e investimento significativo em grandes equipamentos de laboratório. Como comparação, leva segundos para um operador de laminador de tubos realizar um teste de dureza e horas para um técnico metalúrgico profissional realizar um teste de tração. Não é difícil realizar uma verificação de dureza.
Isso não quer dizer que os fabricantes de tubos projetados não usem testes de dureza. É seguro dizer que a maioria das pessoas o faz, mas como eles fazem avaliações de repetibilidade e reprodutibilidade em todos os seus equipamentos de teste, eles estão bem cientes das limitações do teste. A maioria usa a avaliação da dureza do tubo como parte do processo de produção, mas não a usa para quantificar as propriedades do tubo. Este é apenas um teste de aprovação/reprovação.
Por que você precisa saber sobre MYS, UTS e alongamento mínimo? Eles indicam como o tubo se comportará na montagem.
MYS é a força mínima que causa deformação permanente do material. Se você tentar dobrar um fio reto (como um cabide) levemente e liberar a pressão, uma de duas coisas acontecerá: ele retornará ao seu estado original (reto) ou permanecerá dobrado. Se ele ainda estiver reto, você não passou do MYS. Se ele ainda estiver dobrado, você o ultrapassou.
Agora, use um alicate para prender ambas as extremidades do fio. Se você conseguir rasgar o fio em dois pedaços, você ultrapassou seu UTS. Você coloca muita tensão nele e tem dois fios para mostrar seu esforço sobre-humano. Se o comprimento original do fio for de 5 polegadas, e os dois comprimentos após a falha somarem 6 polegadas, o fio é esticado em 1 polegada, ou 20%. O teste de alongamento real é medido dentro de 2 polegadas do ponto de falha, mas tanto faz - o conceito de puxar o fio ilustra o UTS.
Amostras de fotomicrografias de aço precisam ser cortadas, polidas e gravadas usando uma solução levemente ácida (geralmente ácido nítrico e álcool (nitroetanol)) para tornar os grãos visíveis. Uma ampliação de 100x é comumente usada para inspecionar grãos de aço e determinar seu tamanho.
A dureza é um teste de como um material responde ao impacto. Imagine colocar um pequeno pedaço de tubo em um torno com garras serrilhadas e girar o torno para fechá-lo. Além de achatar o tubo, as garras do torno também deixam marcas na superfície do tubo.
É assim que o teste de dureza funciona, mas não é tão bruto. Este teste tem um tamanho de impacto controlado e uma pressão controlada. Essas forças deformam a superfície, criando uma indentação ou entalhe. O tamanho ou a profundidade da indentação determina a dureza do metal.
Para avaliar aço, os testes de dureza comuns são Brinell, Vickers e Rockwell. Cada um tem sua própria escala, e alguns têm vários métodos de teste, como Rockwell A, B e C. Para tubos de aço, a especificação ASTM A513 faz referência ao teste Rockwell B (abreviado como HRB ou RB). O teste Rockwell B mede a diferença na penetração do aço por uma esfera de aço de 1⁄16 polegada de diâmetro entre uma pequena pré-carga e uma carga primária de 100 kgf. Um resultado típico para aço macio padrão é HRB 60.
Cientistas de materiais sabem que a dureza está linearmente relacionada ao UTS. Portanto, uma determinada dureza pode prever o UTS. Da mesma forma, fabricantes de tubos sabem que MYS e UTS estão relacionados. Para tubos soldados, MYS é normalmente de 70% a 85% do UTS. A quantidade exata depende do processo de fabricação do tubo. A dureza do HRB 60 se correlaciona com um UTS de 60.000 libras por polegada quadrada (PSI) e um MYS de 80%, ou 48.000 PSI.
A especificação de tubo mais comum na fabricação em geral é a dureza máxima. Além do tamanho, o engenheiro estava preocupado em especificar um tubo soldado por resistência elétrica (ERW) dentro de uma boa faixa de trabalho, o que poderia resultar em uma dureza máxima de possivelmente HRB 60 no desenho do componente. Essa decisão por si só leva a uma gama de propriedades mecânicas finais, incluindo a própria dureza.
Primeiro, a dureza do HRB 60 não nos diz muito. A leitura HRB 60 é um número adimensional. O material avaliado com HRB 59 é mais macio do que o material testado com HRB 60, e HRB 61 é mais duro do que HRB 60, mas em quanto? Não pode ser quantificado como volume (medido em decibéis), torque (medido em libras-pés), velocidade (medida em distância em relação ao tempo) ou UTS (medido em libras por polegada quadrada). A leitura de HRB 60 não nos diz nada específico. Esta é uma propriedade do material, mas não uma propriedade física. Segundo, o teste de dureza não é adequado para repetibilidade ou reprodutibilidade. Avaliar dois locais em uma amostra de teste, mesmo que os locais de teste estejam próximos um do outro, geralmente resulta em uma grande variação nas leituras de dureza. A natureza do teste agrava esse problema. Depois que uma posição foi medida, ela não pode ser medida uma segunda vez para verificar os resultados. A repetibilidade do teste é não é possível.
Isso não significa que o teste de dureza seja inconveniente. Na verdade, ele fornece um bom guia para o UTS de um material e é um teste rápido e fácil de realizar. No entanto, todos os envolvidos na especificação, compra e fabricação de tubos devem estar cientes de suas limitações como um parâmetro de teste.
Como o termo "tubo normal" não é bem definido, quando necessário, os fabricantes de tubos geralmente o reduzem aos dois tipos de tubos de aço e tubos mais comumente usados, definidos na ASTM A513: 1008 e 1010. Mesmo após eliminar todos os outros tipos de tubos, as possibilidades em termos de propriedades mecânicas desses dois tipos de tubos são amplas. Na verdade, esses tipos de tubos têm a mais ampla gama de propriedades mecânicas de qualquer tipo.
Por exemplo, um tubo é descrito como macio se o MYS for baixo e o alongamento for alto, o que significa que ele tem melhor desempenho em tração, deflexão e deformação do que um tubo descrito como duro, que tem um MYS relativamente alto e um alongamento relativamente baixo. Isso é semelhante à diferença entre fios macios e duros, como cabides e furadeiras.
O alongamento em si é outro fator que tem um impacto significativo em aplicações críticas de tubos. Tubos com alto alongamento podem suportar forças de tração; materiais com baixo alongamento são mais frágeis e, portanto, mais propensos a falhas catastróficas do tipo fadiga. No entanto, o alongamento não está diretamente relacionado ao UTS, que é a única propriedade mecânica diretamente relacionada à dureza.
Por que as propriedades mecânicas dos tubos variam tanto? Primeiro, a composição química é diferente. O aço é uma solução sólida de ferro e carbono e outras ligas importantes. Para simplificar, trataremos apenas de porcentagens de carbono aqui. Os átomos de carbono substituem alguns dos átomos de ferro, formando a estrutura cristalina do aço. A ASTM 1008 é uma classe primária abrangente com um teor de carbono de 0% a 0,10%. Zero é um número muito especial que produz propriedades únicas quando o teor de carbono no aço é ultrabaixo. A ASTM 1010 especifica um teor de carbono entre 0,08% e 0,13%. Essas diferenças não parecem enormes, mas são grandes o suficiente para fazer uma grande diferença em outros lugares.
Em segundo lugar, o tubo de aço pode ser fabricado ou fabricado e posteriormente processado em sete processos de fabricação diferentes. A norma ASTM A513 relacionada à produção de tubos ERW lista sete tipos:
Se a composição química do aço e as etapas de fabricação do tubo não têm efeito na dureza do aço, o que é?Responder a essa pergunta significa analisar os detalhes.Essa pergunta levanta mais duas perguntas: Quais detalhes e quão próximos?
Detalhes sobre os grãos que compõem o aço são a primeira resposta. Quando o aço é feito em uma usina siderúrgica primária, ele não esfria em um bloco enorme com uma única característica. Conforme o aço esfria, suas moléculas se organizam em padrões repetidos (cristais), semelhantes à forma como os flocos de neve se formam. Após a formação dos cristais, eles se agregam em grupos chamados grãos. Conforme o resfriamento progride, os grãos crescem e se formam por toda a chapa ou placa. Os grãos param de crescer quando as últimas moléculas de aço são absorvidas pelos grãos. Tudo isso acontece no nível microscópico porque o tamanho médio do grão de aço é de cerca de 64 µ ou 0,0025 polegadas de largura. Embora cada grão seja semelhante ao próximo, eles não são iguais. Eles variam ligeiramente em tamanho, orientação e teor de carbono. A interface entre os grãos é chamada de contorno de grão. Quando o aço falha, por exemplo, devido a trincas de fadiga, ele tende a falhar ao longo dos contornos de grão.
Até onde você precisa olhar para ver grãos discerníveis? Uma ampliação de 100x, ou 100x da visão humana, é suficiente. No entanto, apenas olhar para aço não tratado com 100 vezes a ampliação não revela muita coisa. A amostra é preparada polindo-a e gravando a superfície com um ácido (geralmente ácido nítrico e álcool) chamado de agente de corrosão de nitroetanol.
São os grãos e sua estrutura interna que determinam a resistência ao impacto, MYS, UTS e alongamento que um aço pode suportar antes da falha.
Etapas de fabricação de aço, como laminação a quente e a frio de tiras, aplicam tensão na estrutura do grão; se eles mudam de forma permanentemente, isso significa que a tensão deforma o grão. Outras etapas de processamento, como enrolar o aço em bobinas, desbobiná-lo e deformar os grãos de aço por meio de um laminador de tubos (para formar e dimensionar o tubo). A trefilação a frio do tubo no mandril também exerce pressão sobre o material, assim como as etapas de fabricação, como conformação da extremidade e dobra. Mudanças na estrutura do grão são chamadas de discordâncias.
As etapas acima diminuem a ductilidade do aço, que é sua capacidade de suportar tensão de tração (abertura por tração). O aço se torna quebradiço, o que significa que é mais provável que ele quebre se você continuar trabalhando nele. O alongamento é um componente da ductilidade (a compressibilidade é outro). É importante entender que a falha ocorre com mais frequência durante a tensão de tração, não de compressão. O aço é muito resistente à tensão de tração devido à sua capacidade de alongamento relativamente alta. No entanto, o aço se deforma facilmente sob tensão de compressão – ele é dúctil – o que é uma vantagem.
O concreto tem alta resistência à compressão, mas baixa ductilidade em comparação ao concreto. Essas propriedades são opostas às do aço. É por isso que o concreto usado em estradas, edifícios e calçadas geralmente é equipado com vergalhões. O resultado é um produto com as resistências de dois materiais: sob tensão, o aço é forte, e sob pressão, o concreto.
Durante o trabalho a frio, à medida que a ductilidade do aço diminui, sua dureza aumenta. Em outras palavras, ele endurece. Dependendo da situação, isso pode ser um benefício; no entanto, pode ser uma desvantagem, pois a dureza é equiparada à fragilidade. Ou seja, à medida que o aço fica mais duro, ele se torna menos elástico; portanto, é mais provável que falhe.
Em outras palavras, cada etapa do processo consome um pouco da ductilidade do tubo. Ele fica mais duro à medida que a peça trabalha, e se for muito duro, é basicamente inútil. Dureza é fragilidade, e um tubo quebradiço provavelmente falhará quando usado.
O fabricante tem alguma opção nesse caso? Resumindo, sim. Essa opção é o recozimento e, embora não seja exatamente mágica, é o mais próximo que se pode chegar da mágica.
Em termos leigos, o recozimento remove todos os efeitos do estresse físico no metal. Esse processo aquece o metal até uma temperatura de alívio de estresse ou recristalização, eliminando assim discordâncias. Dependendo da temperatura e do tempo específicos usados ​​no processo de recozimento, o processo restaura parte ou toda a sua ductilidade.
O recozimento e o resfriamento controlado promovem o crescimento dos grãos. Isso é benéfico se o objetivo for reduzir a fragilidade do material, mas o crescimento descontrolado dos grãos pode amolecer demais o metal, tornando-o inutilizável para o uso pretendido. Parar o processo de recozimento é outra coisa quase mágica. A têmpera na temperatura certa com o agente de têmpera certo no momento certo interrompe rapidamente o processo para obter as propriedades de recuperação do aço.
Devemos abandonar a especificação de dureza? Não. As características de dureza são valiosas principalmente como um ponto de referência ao especificar tubos de aço. Uma medida útil, a dureza é uma das várias características que devem ser especificadas ao solicitar material tubular e verificadas no recebimento (e devem ser registradas com cada remessa). Quando a inspeção de dureza é o padrão de inspeção, ela deve ter valores de escala e faixas de controle apropriados.
No entanto, não é um teste verdadeiro para qualificar (aceitar ou rejeitar) material. Além da dureza, os fabricantes devem ocasionalmente testar as remessas para determinar outras propriedades relevantes, como MYS, UTS ou alongamento mínimo, dependendo da aplicação do tubo.
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