Diverse protocoale de testare (Brinell, Rockwell, Vickers) au proceduri specifice proiectului testat. Testul Rockwell T este potrivit pentru inspectarea tuburilor cu pereți subțiri prin tăierea tubului pe lungime și testarea peretelui din diametrul interior, mai degrabă decât din diametrul exterior.
A comanda o instalație tubing este cam ca și cum ai merge la o reprezentanță auto și a comanda o mașină sau un camion. Astăzi, numeroasele opțiuni disponibile permit cumpărătorilor să personalizeze vehiculul într-o varietate de moduri - culori interioare și exterioare, pachete de ornamente interioare, opțiuni de stil exterior, opțiuni de propulsie și un sistem audio care aproape rivalizează cu un sistem de divertisment acasă. Având în vedere toate aceste opțiuni, este posibil să nu fii mulțumit de un vehicul standard, fără brizbrizuri.
Țevile de oțel sunt exact asta. Au mii de opțiuni sau specificații. Pe lângă dimensiuni, specificația listează proprietăți chimice și câteva proprietăți mecanice, cum ar fi rezistența minimă la rupere (MYS), rezistența maximă la tracțiune (UTS) și alungirea minimă înainte de rupere. Cu toate acestea, mulți din industrie - ingineri, agenți de achiziții și producători - utilizează prescurtări acceptate în industrie care necesită utilizarea țevilor sudate „normale” și specifică o singură caracteristică: duritatea.
Încearcă să comanzi o mașină după o singură caracteristică („Am nevoie de o mașină cu transmisie automată”) și nu vei ajunge prea departe cu un agent de vânzări. Acesta trebuie să completeze un formular de comandă cu multe opțiuni. Țeava este exact asta - pentru a obține țeava potrivită pentru aplicație, producătorul de țevi are nevoie de mai multe informații decât doar duritatea.
Cum devine duritatea un substitut recunoscut pentru alte proprietăți mecanice? Probabil a început cu un producător de țevi. Deoarece testarea durității este rapidă, ușoară și necesită echipamente relativ ieftine, vânzătorii de tuburi folosesc adesea testarea durității pentru a compara două tuburi. Pentru a efectua un test de duritate, tot ce au nevoie este o lungime netedă de țeavă și un stand de testare.
Duritatea tuburilor se corelează bine cu UTS și, ca regulă generală, procentele sau intervalele procentuale sunt utile în estimarea MYS, așa că este ușor de observat cum testarea durității poate fi un indicator potrivit pentru alte proprietăți.
De asemenea, alte teste sunt relativ complexe. În timp ce testarea durității durează doar un minut sau cam așa ceva pe o singură mașină, testarea MYS, UTS și alungirea necesită pregătirea probei și investiții semnificative în echipamente de laborator mari. Prin comparație, durează câteva secunde pentru ca un operator de la o moară de tuburi să efectueze un test de duritate și ore pentru ca un tehnician metalurgist profesionist să efectueze un test de tracțiune. Nu este dificil să se efectueze o verificare a durității.
Asta nu înseamnă că producătorii de țevi proiectate nu utilizează testarea durității. Se poate spune cu siguranță că majoritatea oamenilor o fac, dar pentru că efectuează evaluări ale repetabilității și reproductibilității calibrelor pe toate echipamentele lor de testare, aceștia sunt conștienți de limitele testului. Majoritatea utilizează evaluarea durității tuburilor ca parte a procesului de producție, dar nu o folosesc pentru a cuantifica proprietățile tuburilor. Acesta este doar un test de tip „acceptat/respins”.
De ce trebuie să știi despre MYS, UTS și alungirea minimă? Acestea indică modul în care se va comporta tubul la asamblare.
Forța minimă maximă (MYS) este forța minimă care provoacă deformarea permanentă a materialului. Dacă încercați să îndoiți ușor un fir drept (cum ar fi un umeraș) și să eliberați presiunea, se va întâmpla unul din două lucruri: va reveni la starea inițială (dreaptă) sau va rămâne îndoită. Dacă este încă dreaptă, nu ați depășit limita MYS. Dacă este încă îndoită, ați depășit-o.
Acum, folosește un clește pentru a prinde ambele capete ale firului. Dacă poți rupe firul în două bucăți, ai depășit UTS-ul său. Pui multă tensiune pe el și ai două fire care arată efortul tău supraomenesc. Dacă lungimea inițială a firului este de 5 inci, iar cele două lungimi după cedare se adună la 6 inci, firul este întins cu 1 inch sau 20%. Testul de alungire real este măsurat la 2 inci de punctul de cedare, dar orice ar fi - conceptul de fir de tracțiune ilustrează UTS-ul.
Probele de oțel obținute prin microfotografie trebuie tăiate, lustruite și gravate folosind o soluție ușor acidă (de obicei acid azotic și alcool (nitroetanol)) pentru a face granulele vizibile. Mărirea de 100x este utilizată în mod obișnuit pentru a inspecta granulele de oțel și a determina dimensiunea granulelor.
Duritatea este un test al modului în care un material răspunde la impact. Imaginați-vă că introduceți o bucată scurtă de țeavă într-o menghină cu fălci zimțate și rotiți menghina pentru a o închide. Pe lângă aplatizarea tubului, fălcile menghinei lasă și adâncituri pe suprafața tubului.
Așa funcționează testul de duritate, dar nu este atât de dur. Acest test are o dimensiune de impact controlată și o presiune controlată. Aceste forțe deformează suprafața, creând o adâncitură sau o adâncitură. Dimensiunea sau adâncitura adânciturii determină duritatea metalului.
Pentru evaluarea oțelului, testele de duritate comune sunt Brinell, Vickers și Rockwell. Fiecare are propria scară, iar unele au metode multiple de testare, cum ar fi Rockwell A, B și C. Pentru țevile de oțel, specificația ASTM A513 face referire la testul Rockwell B (prescurtat HRB sau RB). Testul Rockwell B măsoară diferența de penetrare a oțelului de către o bilă de oțel cu diametrul de 1⁄16 inch între o preîncărcare mică și o sarcină primară de 100 kgf. Un rezultat tipic pentru oțelul moale standard este HRB 60.
Specialiștii în materiale știu că duritatea este liniar legată de rezistența la tracțiune (UTS). Prin urmare, o anumită duritate poate prezice rezistența la tracțiune (UTS). În mod similar, producătorii de tuburi știu că rezistența la tracțiune (MYS) și rezistența la tracțiune (UTS) sunt legate. Pentru țevile sudate, rezistența la tracțiune (MYS) este de obicei 70% până la 85% din rezistența la tracțiune (UTS). Cantitatea exactă depinde de procesul de fabricare a tubului. Duritatea HRB 60 se corelează cu o rezistență la tracțiune (UTS) de 60.000 de livre pe inch pătrat (PSI) și o rezistență la tracțiune (MYS) de 80%, sau 48.000 PSI.
Cea mai comună specificație pentru țevi în industria prelucrătoare generală este duritatea maximă. Pe lângă dimensiune, inginerul a fost preocupat de specificarea unei țevi sudate prin rezistență electrică (ERW) într-un interval de lucru bun, ceea ce ar putea duce la o duritate maximă de, eventual, HRB 60, care să se regăsească în desenul componentelor. Această decizie singură duce la o gamă de proprietăți mecanice finale, inclusiv duritatea însăși.
În primul rând, duritatea lui HRB 60 nu ne spune prea multe. Valoarea HRB 60 este un număr adimensional. Materialul evaluat cu HRB 59 este mai moale decât materialul testat cu HRB 60, iar HRB 61 este mai dur decât HRB 60, dar cu cât? Nu poate fi cuantificat ca volumul (măsurat în decibeli), cuplul (măsurat în lire-feet), viteza (măsurată în distanță relativă la timp) sau UTS (măsurat în livre pe inch pătrat). Citirea HRB 60 nu ne spune nimic specific. Aceasta este o proprietate a materialului, dar nu o proprietate fizică. În al doilea rând, testarea durității nu este potrivită pentru repetabilitate sau reproductibilitate. Evaluarea a două locații pe o probă de testare, chiar dacă locațiile de testare sunt aproape una de cealaltă, are adesea ca rezultat o variație mare a citirilor de duritate. Această problemă este agravată de natura testului. După ce o poziție a fost măsurată, aceasta nu poate fi măsurată a doua oară pentru a verifica rezultatele. Repetabilitatea testului nu este posibilă.
Aceasta nu înseamnă că testarea durității este incomodă. De fapt, oferă un ghid bun pentru UTS-ul unui material și este un test rapid și ușor de efectuat. Cu toate acestea, toți cei implicați în specificarea, achiziționarea și fabricarea tuburilor ar trebui să fie conștienți de limitele sale ca parametru de testare.
Deoarece țeava „normală” nu este bine definită, atunci când este necesar, producătorii de țevi o restrâng adesea la cele două țevi de oțel cele mai utilizate și tipuri de țevi definite în ASTM A513: 1008 și 1010. Chiar și după eliminarea tuturor celorlalte tipuri de tuburi, posibilitățile în ceea ce privește proprietățile mecanice ale acestor două tipuri de tuburi sunt larg deschise. De fapt, aceste tipuri de tuburi au cea mai largă gamă de proprietăți mecanice dintre toate tipurile.
De exemplu, un tub este descris ca moale dacă MYS este scăzut și alungirea este mare, ceea ce înseamnă că are performanțe mai bune la tracțiune, deformare și priză decât un tub descris ca dur, care are un MYS relativ ridicat și o alungire relativ mică. Aceasta este similară cu diferența dintre sârma moale și cea dură, cum ar fi umerașele și burghiele.
Alungirea în sine este un alt factor care are un impact semnificativ asupra aplicațiilor critice ale țevilor. Tuburile cu alungire mare pot rezista la forțe de tracțiune; materialele cu alungire redusă sunt mai fragile și, prin urmare, mai predispuse la defecțiuni catastrofale de tip oboseală. Cu toate acestea, alungirea nu este direct legată de duritatea la uzură (UTS), care este singura proprietate mecanică direct legată de duritate.
De ce variază atât de mult proprietățile mecanice ale tuburilor? În primul rând, compoziția chimică este diferită. Oțelul este o soluție solidă de fier, carbon și alte aliaje importante. Pentru simplitate, vom trata aici doar procentele de carbon. Atomii de carbon înlocuiesc o parte din atomii de fier, formând structura cristalină a oțelului. ASTM 1008 este o calitate primară atotcuprinzătoare, cu un conținut de carbon de la 0% la 0,10%. Zero este un număr foarte special care produce proprietăți unice atunci când conținutul de carbon din oțel este ultra-scăzut. ASTM 1010 specifică un conținut de carbon între 0,08% și 0,13%. Aceste diferențe nu par uriașe, dar sunt suficient de mari pentru a face o mare diferență în alte părți.
În al doilea rând, țeava de oțel poate fi fabricată sau prelucrată și ulterior prelucrată în șapte procese diferite de fabricație. Standardul ASTM A513 referitor la producția de țevi ERW enumeră șapte tipuri:
Dacă compoziția chimică a oțelului și etapele de fabricație a tuburilor nu au niciun efect asupra durității oțelului, care este acesta? Răspunsul la această întrebare înseamnă analizarea detaliată a detaliilor. Această întrebare ridică încă două întrebări: Ce detalii și cât de aproape?
Detaliile despre granulele care alcătuiesc oțelul sunt primul răspuns. Când oțelul este fabricat la o oțelărie primară, acesta nu se răcește într-un bloc imens cu o singură caracteristică. Pe măsură ce oțelul se răcește, moleculele oțelului se organizează în modele repetitive (cristale), similar cu modul în care se formează fulgii de zăpadă. După ce se formează cristalele, acestea se agregă în grupuri numite granule. Pe măsură ce răcirea progresează, granulele cresc și se formează pe toată suprafața foii sau a plăcii. Granulele se opresc din creștere pe măsură ce ultimele molecule de oțel sunt absorbite de granule. Toate acestea se întâmplă la nivel microscopic, deoarece dimensiunea medie a granulei de oțel este de aproximativ 64 µ sau 0,0025 inci lățime. Deși fiecare granulă este similară cu următoarea, acestea nu sunt la fel. Acestea variază ușor în ceea ce privește dimensiunea, orientarea și conținutul de carbon. Interfața dintre granule se numește limită de granule. Când oțelul se defectează, de exemplu din cauza fisurilor de oboseală, acesta tinde să se defecteze de-a lungul limitelor de granule.
Cât de departe trebuie să privești pentru a vedea granule perceptibile? O mărire de 100x, sau vederea umană de 100x, este suficientă. Cu toate acestea, doar privirea oțelului netratat la o putere de 100 de ori mai mare nu dezvăluie prea multe. Proba este preparată prin lustruirea probei și gravarea suprafeței cu un acid (de obicei acid azotic și alcool) numit agent de gravare cu nitroetanol.
Granulele și rețeaua lor internă sunt cele care determină rezistența la impact, MYS, UTS și alungirea pe care un oțel le poate suporta înainte de cedare.
Etapele de fabricare a oțelului, cum ar fi laminarea la cald și la rece a benzii, aplică tensiune asupra structurii granulelor; dacă acestea își schimbă permanent forma, aceasta înseamnă că tensiunea deformează granulele. Alte etape de prelucrare, cum ar fi înfășurarea oțelului în rulouri, derularea acestuia și deformarea granulelor de oțel printr-o moară tubulară (pentru a forma și dimensiona tubul). Tragerea la rece a tubului pe dorn pune, de asemenea, presiune asupra materialului, la fel ca și etapele de fabricație, cum ar fi formarea capetelor și îndoirea. Modificările structurii granulelor se numesc dislocații.
Pașii de mai sus epuizează ductilitatea oțelului, adică capacitatea sa de a rezista la solicitări de tracțiune (deschidere prin tracțiune). Oțelul devine fragil, ceea ce înseamnă că este mai probabil să se rupă dacă se continuă lucrul la el. Alungirea este o componentă a ductilității (compresibilitatea este o alta). Este important să înțelegem că ruperea apare cel mai adesea în timpul solicitării de tracțiune, nu a compresiei. Oțelul este foarte rezistent la solicitările de tracțiune datorită capacității sale de alungire relativ mari. Cu toate acestea, oțelul se deformează ușor sub solicitări de compresie - este ductil - ceea ce reprezintă un avantaj.
Betonul are o rezistență mare la compresiune, dar o ductilitate scăzută în comparație cu betonul. Aceste proprietăți sunt opuse celor ale oțelului. De aceea, betonul utilizat pentru drumuri, clădiri și trotuare este adesea prevăzut cu armătură. Rezultatul este un produs cu rezistența a două materiale: sub tensiune, oțelul este puternic, iar sub presiune, betonul.
În timpul prelucrării la rece, pe măsură ce ductilitatea oțelului scade, duritatea acestuia crește. Cu alte cuvinte, se va întări. În funcție de situație, acest lucru poate fi un avantaj; cu toate acestea, poate fi un dezavantaj, deoarece duritatea este echivalată cu fragilitatea. Adică, pe măsură ce oțelul devine mai dur, devine mai puțin elastic; prin urmare, este mai probabil să se defecteze.
Cu alte cuvinte, fiecare etapă a procesului consumă o parte din ductilitatea țevii. Aceasta devine mai dură pe măsură ce piesa lucrează, iar dacă este prea dură, este practic inutilă. Duritatea este fragilitate, iar un tub fragil este probabil să se defecteze atunci când este utilizat.
Are producătorul vreo opțiune în acest caz? Pe scurt, da. Această opțiune este recoacerea și, deși nu este chiar magică, este cât se poate de aproape de magie.
În termeni simpli, recoacerea elimină toate efectele solicitării fizice asupra metalului. Acest proces încălzește metalul la o temperatură de detensionare sau recristalizare, eliminând astfel dislocațiile. În funcție de temperatura și timpul specifice utilizate în procesul de recoacere, procesul restabilește astfel o parte sau toată ductilitatea sa.
Recoacerea și răcirea controlată promovează creșterea granulelor. Acest lucru este benefic dacă scopul este de a reduce fragilitatea materialului, dar creșterea necontrolată a granulelor poate înmuia prea mult metalul, făcându-l inutilizabil pentru utilizarea prevăzută. Oprirea procesului de recoacere este un alt lucru aproape magic. Călirea la temperatura potrivită cu agentul de călire potrivit la momentul potrivit oprește rapid procesul pentru a obține proprietățile de recuperare ale oțelului.
Ar trebui să renunțăm la specificația de duritate? Nu. Caracteristicile de duritate sunt valoroase în primul rând ca punct de referință la specificarea țevilor de oțel. O măsură utilă, duritatea este una dintre caracteristicile care ar trebui specificate la comandarea materialului tubular și verificate la primire (și ar trebui înregistrate la fiecare expediere). Atunci când inspecția durității este standardul de inspecție, aceasta ar trebui să aibă valori de scală și intervale de control adecvate.
Totuși, nu este un test real pentru calificarea (acceptarea sau respingerea) materialului. Pe lângă duritate, producătorii ar trebui să testeze ocazional transporturile pentru a determina alte proprietăți relevante, cum ar fi MYS, UTS sau alungirea minimă, în funcție de aplicația tubului.
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 a devenit prima revistă dedicată industriei țevilor metalice în 1990. Astăzi, rămâne singura publicație din America de Nord dedicată industriei și a devenit cea mai de încredere sursă de informații pentru profesioniștii din domeniul țevilor.
Acum, cu acces complet la ediția digitală a revistei The FABRICATOR, acces facil la resurse valoroase din industrie.
Ediția digitală a revistei The Tube & Pipe Journal este acum complet accesibilă, oferind acces facil la resurse valoroase din industrie.
Bucurați-vă de acces complet la ediția digitală a revistei STAMPING Journal, care oferă cele mai recente progrese tehnologice, cele mai bune practici și știri din industrie pentru piața de ștanțare a metalelor.
Bucurați-vă de acces complet la ediția digitală a The Additive Report pentru a afla cum poate fi utilizată fabricația aditivă pentru a îmbunătăți eficiența operațională și a crește profiturile.
Acum, cu acces complet la ediția digitală a revistei The Fabricator en Español, aveți acces facil la resurse valoroase din industrie.