Различные протоколы испытаний (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу) имеют процедуры, специфичные для тестируемого проекта. Испытание Роквелла T подходит для проверки труб с тонкими стенками путем разрезания трубы по длине и проверки стенки по внутреннему диаметру, а не по внешнему диаметру.
Заказ трубки немного похож на посещение автосалона и заказ автомобиля или грузовика. Сегодня множество доступных опций позволяют покупателям индивидуализировать автомобиль различными способами — цвета салона и экстерьера, пакеты внутренней отделки, варианты внешнего стиля, выбор трансмиссии и аудиосистема, которая почти конкурирует с домашней развлекательной системой. Учитывая все эти опции, вы можете не быть удовлетворены стандартным автомобилем без излишеств.
Стальные трубы — это именно то, что нужно. У них тысячи вариантов или спецификаций. Помимо размеров, в спецификации перечислены химические и несколько механических свойств, таких как минимальный предел текучести (MYS), предел прочности при растяжении (UTS) и минимальное удлинение до разрушения. Однако многие в отрасли — инженеры, агенты по закупкам и производители — используют общепринятые отраслевые сокращения, требующие использования «нормальной» сварной трубы, и указывают только одну характеристику: твердость.
Попробуйте заказать автомобиль по одной характеристике («мне нужна машина с автоматической коробкой передач»), и с продавцом вы не переборщите. Он должен заполнить форму заказа с множеством параметров. Труба — это именно то, что нужно — чтобы получить трубу, подходящую для применения, производителю труб нужна дополнительная информация, а не только твердость.
Как твердость стала общепризнанной заменой другим механическим свойствам? Вероятно, это началось с производителя труб. Поскольку определение твердости выполняется быстро, легко и требует относительно недорогого оборудования, продавцы труб часто используют испытание на твердость для сравнения двух труб.
Твердость трубы хорошо коррелирует с UTS, и, как правило, проценты или процентные диапазоны полезны при оценке MYS, поэтому легко увидеть, как испытание на твердость может быть подходящим косвенным показателем для других свойств.
Кроме того, другие тесты являются относительно сложными. В то время как определение твердости занимает всего около минуты на одной машине, испытания MYS, UTS и удлинения требуют подготовки образцов и значительных инвестиций в крупное лабораторное оборудование. Для сравнения, оператору трубного стана требуется несколько секунд, чтобы провести испытание на твердость, и несколько часов, чтобы профессиональный техник-металлург провел испытание на растяжение. Проверить твердость несложно.
Это не означает, что производители инженерных труб не используют испытания на твердость. Можно с уверенностью сказать, что большинство людей делают это, но поскольку они проводят оценку повторяемости и воспроизводимости измерений на всем своем испытательном оборудовании, они хорошо осведомлены об ограничениях испытаний. Большинство использует оценку твердости труб как часть производственного процесса, но они не используют его для количественной оценки свойств труб.
Зачем нужно знать о MYS, UTS и минимальном удлинении? Они показывают, как трубка будет вести себя при сборке.
MYS — это минимальная сила, которая вызывает необратимую деформацию материала. Если вы попытаетесь слегка согнуть прямую проволоку (например, вешалку) и ослабить давление, произойдет одно из двух: она вернется в исходное состояние (прямая) или останется согнутой. Если она все еще прямая, вы не преодолели MYS.
Теперь используйте плоскогубцы, чтобы зажать оба конца проволоки. Если вы можете разорвать проволоку на две части, вы преодолели ее UTS. Вы сильно натянули ее, и у вас есть две проволоки, чтобы продемонстрировать свои сверхчеловеческие усилия. УТС.
Образцы стальных микрофотографий необходимо вырезать, отполировать и протравить с использованием слабокислого раствора (обычно азотной кислоты и спирта (нитроэтанола)), чтобы сделать зерна видимыми. 100-кратное увеличение обычно используется для осмотра стальных зерен и определения размера зерна.
Твердость — это тест того, как материал реагирует на удар. Представьте, что короткий кусок трубы помещается в тиски с зазубренными губками и поворачивается, чтобы закрыть тиски. Помимо сплющивания трубы, губки тисков также оставляют углубления на поверхности трубы.
Вот как работает тест на твердость, но он не такой грубый. Этот тест имеет контролируемый размер удара и контролируемое давление. Эти силы деформируют поверхность, создавая вмятину или вмятину. Размер или глубина вмятины определяет твердость металла.
Для оценки стали распространены тесты на твердость по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу. Каждый из них имеет свою собственную шкалу, а некоторые из них имеют несколько методов испытаний, таких как Rockwell A, B и C. Для стальных труб спецификация ASTM A513 ссылается на тест Rockwell B (сокращенно HRB или RB). типичный результат для стандартной мягкой стали составляет HRB 60.
Материаловеды знают, что твердость линейно связана с UTS. Следовательно, заданная твердость может предсказать UTS. Точно так же производители труб знают, что MYS и UTS связаны. Для сварных труб MYS обычно составляет от 70% до 85% UTS. Точное количество зависит от процесса изготовления трубы. или 48 000 фунтов на квадратный дюйм.
Наиболее распространенной спецификацией труб в общем производстве является максимальная твердость. В дополнение к размеру, инженер был озабочен определением сварной электросварной трубы (ERW) в пределах хорошего рабочего диапазона, что могло привести к максимальной твердости, возможно, HRB 60, находящейся на чертеже компонента. Одно только это решение приводит к ряду окончательных механических свойств, включая саму твердость.
Во-первых, твердость HRB 60 мало что нам говорит. Значение HRB ​​60 — безразмерное число. Материал, оцененный с помощью HRB 59, мягче, чем материал, испытанный с помощью HRB 60, а HRB 61 тверже, чем HRB 60, но насколько? в фунтах на квадратный дюйм). Чтение HRB ​​60 не говорит нам ничего конкретного. Это свойство материала, но не физическое свойство. Во-вторых, измерение твердости не подходит для повторяемости или воспроизводимости. максимальная повторяемость невозможна.
Это не означает, что испытание на твердость неудобно. На самом деле, оно является хорошим ориентиром для UTS материала, и это быстрое и легкое испытание. Тем не менее, каждый, кто занимается определением, покупкой и производством труб, должен знать об ограничениях его использования в качестве параметра испытания.
Поскольку «нормальная» труба не имеет четкого определения, при необходимости производители труб часто сужают его до двух наиболее часто используемых стальных труб и типов труб, определенных в ASTM A513: 1008 и 1010. Даже после исключения всех других типов труб возможности с точки зрения механических свойств этих двух типов труб широко открыты. Фактически, эти типы труб имеют самый широкий диапазон механических свойств среди всех типов.
Например, трубка считается мягкой, если MYS низкий, а удлинение высокое, что означает, что она работает лучше на растяжение, прогиб и усадку, чем трубка, описываемая как жесткая, которая имеет относительно высокий MYS и относительно низкое удлинение. Это похоже на разницу между мягкой и твердой проволокой, такой как вешалки для одежды и сверла.
Удлинение само по себе является еще одним фактором, который оказывает существенное влияние на критические области применения труб. Трубы с высоким удлинением могут выдерживать растягивающие усилия;материалы с низким удлинением более хрупкие и, следовательно, более склонны к катастрофическим отказам усталостного типа. Однако удлинение не связано напрямую с UTS, которое является единственным механическим свойством, непосредственно связанным с твердостью.
Почему механические свойства труб так сильно различаются? Во-первых, отличается химический состав. Сталь представляет собой твердый раствор железа, углерода и других важных сплавов. Для простоты здесь мы будем иметь дело только с процентным содержанием углерода. Атомы углерода заменяют некоторые атомы железа, формируя кристаллическую структуру стали. low. ASTM 1010 указывает содержание углерода от 0,08% до 0,13%. Эти различия не кажутся огромными, но они достаточно велики, чтобы иметь большое значение в других местах.
Во-вторых, стальная труба может быть изготовлена ​​или изготовлена ​​и впоследствии обработана в семи различных производственных процессах. ASTM A513, относящийся к производству труб ERW, перечисляет семь типов:
Если химический состав стали и этапы изготовления трубы не влияют на твердость стали, то что влияет? Ответ на этот вопрос означает тщательное изучение деталей. Этот вопрос вызывает еще два вопроса: какие детали и насколько близко?
Подробная информация о зернах, из которых состоит сталь, является первым ответом. Когда сталь производится на первичном сталелитейном заводе, она не охлаждается в огромный блок с одной особенностью. Когда сталь остывает, молекулы стали организуются в повторяющиеся узоры (кристаллы), подобно тому, как формируются снежинки. После образования кристаллов они собираются в группы, называемые зернами. на микроскопическом уровне, потому что стальное зерно среднего размера составляет около 64 мкм или 0,0025 дюйма в ширину. Хотя каждое зерно похоже на следующее, они не одинаковы. Они немного различаются по размеру, ориентации и содержанию углерода. Поверхность раздела между зернами называется границей зерна. Когда сталь выходит из строя, например, из-за усталостных трещин, она имеет тенденцию разрушаться по границам зерен.
Как далеко вы должны смотреть, чтобы увидеть различимые зерна? Достаточно 100-кратного увеличения или 100-кратного человеческого зрения. Однако, просто глядя на необработанную сталь при 100-кратном увеличении, мало что можно увидеть. Образец готовят путем полировки образца и травления поверхности кислотой (обычно азотной кислотой и спиртом), называемой травильным раствором нитроэтанола.
Именно зерна и их внутренняя решетка определяют ударную вязкость, MYS, UTS и удлинение, которое сталь может выдержать до разрушения.
Стадии сталеплавильного производства, такие как горячая и холодная прокатка полосы, создают напряжение в зернистой структуре;если они постоянно меняют форму, это означает, что напряжение деформирует зерно. Другие этапы обработки, такие как сматывание стали в рулоны, ее разматывание и деформирование стальных зерен на трубном стане (для формирования и размера трубы). Холодное волочение трубы на оправке также оказывает давление на материал, как и производственные этапы, такие как формование концов и изгибание. Изменения в структуре зерна называются дислокациями.
Вышеупомянутые шаги снижают пластичность стали, то есть ее способность выдерживать растягивающее (разрывное) напряжение. Сталь становится хрупкой, а это означает, что она с большей вероятностью сломается, если вы продолжите работать с ней. Удлинение является одним компонентом пластичности (сжимаемость — другим). Важно понимать, что разрушение чаще всего происходит при растяжении, а не при сжатии. устойчивое напряжение – он пластичен – что является преимуществом.
Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но низкой пластичностью по сравнению с бетоном. Эти свойства противоположны свойствам стали. Вот почему бетон, используемый для дорог, зданий и тротуаров, часто снабжают арматурой. В результате получается продукт, обладающий прочностью двух материалов: сталь прочна при растяжении, а под давлением бетон.
Во время холодной обработки по мере снижения пластичности стали ее твердость увеличивается. Другими словами, она затвердевает. В зависимости от ситуации это может быть преимуществом;однако это может быть недостатком, поскольку твердость приравнивается к хрупкости. То есть, когда сталь становится тверже, она становится менее эластичной;следовательно, вероятность отказа выше.
Другими словами, каждый шаг процесса требует некоторой пластичности трубы. Она становится все тверже по мере того, как деталь работает, а если она слишком твердая, то в основном бесполезна. Твердость — это хрупкость, а хрупкая труба, скорее всего, выйдет из строя при использовании.
Есть ли у производителя какие-либо варианты в этом случае? Короче говоря, да. Этот вариант — отжиг, и хотя он не совсем волшебный, он настолько близок к волшебству, насколько это вообще возможно.
С точки зрения непрофессионала, отжиг устраняет все эффекты физического напряжения на металле. Этот процесс нагревает металл до температуры снятия напряжения или рекристаллизации, тем самым устраняя дислокации. В зависимости от конкретной температуры и времени, используемых в процессе отжига, процесс, таким образом, частично или полностью восстанавливает его пластичность.
Отжиг и контролируемое охлаждение способствуют росту зерен. Это выгодно, если целью является снижение хрупкости материала, но неконтролируемый рост зерен может слишком сильно размягчить металл, что сделает его непригодным для использования по назначению. Остановка процесса отжига — еще одна почти волшебная вещь. Закалка при правильной температуре с правильным закалочным агентом в нужное время быстро останавливает процесс, чтобы получить восстановительные свойства стали.
Должны ли мы отказаться от спецификации твердости? Нет. Характеристики твердости ценны в первую очередь как ориентир при определении стальных труб. Полезная мера, твердость является одной из нескольких характеристик, которые должны указываться при заказе трубного материала и проверяться при получении (и должны регистрироваться с каждой поставкой). Когда проверка твердости является стандартом проверки, она должна иметь соответствующие значения шкалы и диапазоны контроля.
Тем не менее, это не настоящий тест для квалификации (принятия или отклонения) материала. Помимо твердости, производители должны время от времени проверять поставки для определения других соответствующих свойств, таких как MYS, UTS или минимальное удлинение, в зависимости от области применения трубки.
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 стал первым журналом, посвященным индустрии металлических труб в 1990 году. Сегодня он остается единственным изданием в Северной Америке, посвященным этой отрасли, и стал самым надежным источником информации для профессионалов в области труб.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию The FABRICATOR, легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровое издание The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступно, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный доступ к цифровой версии журнала STAMPING Journal, в котором представлены последние технологические достижения, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Получите полный доступ к цифровой версии The Additive Report, чтобы узнать, как можно использовать аддитивное производство для повышения операционной эффективности и увеличения прибыли.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию The Fabricator en Español вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.