Rôzne testovacie protokoly (Brinell, Rockwell, Vickers) majú postupy špecifické pre testovaný projekt. Rockwellov T-test je vhodný na kontrolu tenkostenných trubíc pozdĺžnym rezaním rúry a testovaním steny od vnútorného priemeru, a nie od vonkajšieho priemeru.
Objednanie potrubia je trochu ako ísť do predajne automobilov a objednať si auto alebo nákladné auto. Dnes umožňuje kupujúcim množstvo dostupných možností prispôsobiť si vozidlo rôznymi spôsobmi – farby interiéru a exteriéru, balíky interiérového obloženia, možnosti exteriérového štýlu, výber pohonnej jednotky a audiosystém, ktorý takmer konkuruje systému domácej zábavy. Vzhľadom na všetky tieto možnosti možno nebudete spokojní so štandardným vozidlom bez zbytočností.
Oceľové rúry sú presne to. Majú tisíce možností alebo špecifikácií. Okrem rozmerov špecifikácia uvádza chemické a niekoľko mechanických vlastností, ako je minimálna medza klzu (MYS), medza pevnosti v ťahu (UTS) a minimálne predĺženie pred zlomom. Mnohí v tomto odvetví – inžinieri, nákupcovia a výrobcovia – však používajú akceptované priemyselné skratky, ktoré vyžadujú použitie „normálnych“ zváraných rúr a špecifikujú iba jednu charakteristiku: tvrdosť.
Skúste si objednať auto podľa jedinej charakteristiky („Potrebujem auto s automatickou prevodovkou“) a s predajcom sa ďaleko nedostanete. Musí vyplniť objednávkový formulár s mnohými možnosťami. Potrubie je presne to – aby výrobca potrubia získal správne potrubie pre danú aplikáciu, potrebuje viac informácií než len tvrdosť.
Ako sa tvrdosť stala uznávanou náhradou za iné mechanické vlastnosti? Pravdepodobne to začalo s výrobcom rúr. Keďže testovanie tvrdosti je rýchle, jednoduché a vyžaduje si relatívne lacné vybavenie, predajcovia rúr často používajú testovanie tvrdosti na porovnanie dvoch rúr. Na vykonanie testu tvrdosti potrebujú len hladký kus rúry a skúšobný stojan.
Tvrdosť rúrky dobre koreluje s UTS a spravidla sú percentá alebo percentuálne rozsahy užitočné pri odhade MYS, takže je ľahké pochopiť, ako môže byť testovanie tvrdosti vhodným ukazovateľom pre iné vlastnosti.
Aj iné testy sú relatívne zložité. Zatiaľ čo testovanie tvrdosti trvá na jednom stroji len minútu alebo dve, testovanie MYS, UTS a elongácia si vyžaduje prípravu vzorky a značné investície do rozsiahleho laboratórneho vybavenia. Pre porovnanie, operátorovi rúrkového mlyna trvá vykonanie testu tvrdosti niekoľko sekúnd a profesionálnemu metalurgickému technikovi hodiny, kým vykoná skúšku ťahom. Nie je ťažké vykonať kontrolu tvrdosti.
To neznamená, že výrobcovia technických rúr nepoužívajú testovanie tvrdosti. Dá sa s istotou povedať, že väčšina ľudí to robí, ale keďže vykonávajú hodnotenia opakovateľnosti a reprodukovateľnosti meraní na všetkých svojich testovacích zariadeniach, sú si dobre vedomí obmedzení tohto testu. Väčšina používa hodnotenie tvrdosti rúr ako súčasť výrobného procesu, ale nepoužíva ho na kvantifikáciu vlastností rúr. Ide len o test vyhovuje/nevyhovuje.
Prečo potrebujete vedieť o MYS, UTS a minimálnom predĺžení? Tieto údaje naznačujú, ako sa bude rúra správať pri montáži.
MYS je minimálna sila, ktorá spôsobuje trvalú deformáciu materiálu. Ak sa pokúsite mierne ohnúť rovný drôt (napríklad vešiak na šaty) a uvoľniť tlak, stane sa jedna z dvoch vecí: vráti sa do pôvodného stavu (rovný) alebo zostane ohnutý. Ak je stále rovný, ešte ste neprekročili MYS. Ak je stále ohnutý, prekročili ste hranicu sily.
Teraz pomocou klieští zovrite oba konce drôtu. Ak dokážete drôt roztrhnúť na dva kusy, prekročili ste jeho UTS. Vyviniete naň veľké napätie a máte dva drôty, ktoré demonštrujú vaše nadľudské úsilie. Ak je pôvodná dĺžka drôtu 5 palcov a dve dĺžky po pretrhnutí súčet 6 palcov, drôt sa natiahne o 1 palec alebo 20 %. Skutočný test predĺženia sa meria do 2 palcov od bodu pretrhnutia, ale nech je to akokoľvek – koncept ťažného drôtu ilustruje UTS.
Vzorky ocele z mikrofotografií je potrebné narezať, vyleštiť a vyleptať mierne kyslým roztokom (zvyčajne kyselina dusičná a alkohol (nitroetanol)), aby boli zrná viditeľné. Na kontrolu oceľových zŕn a určenie ich veľkosti sa bežne používa 100-násobné zväčšenie.
Tvrdosť je skúškou toho, ako materiál reaguje na náraz. Predstavte si, že vložíte krátky kus rúry do zveráka so zúbkovanými čeľusťami a otočením zveráka ho zatvoríte. Okrem sploštenia rúry čeľuste zveráka tiež zanechávajú na povrchu rúry priehlbiny.
Takto funguje test tvrdosti, ale nie je až taký drsný. Tento test má kontrolovanú veľkosť nárazu a kontrolovaný tlak. Tieto sily deformujú povrch a vytvárajú preliačinu alebo vtlačenie. Veľkosť alebo hĺbka preliačiny určuje tvrdosť kovu.
Na hodnotenie ocele sa bežne používajú skúšky tvrdosti Brinell, Vickers a Rockwell. Každá má svoju vlastnú stupnicu a niektoré majú viacero skúšobných metód, napríklad Rockwell A, B a C. Pre oceľové rúry sa v špecifikácii ASTM A513 odkazuje na skúšku Rockwell B (skrátene HRB alebo RB). Skúška Rockwell B meria rozdiel v prenikaní ocele oceľovou guľou s priemerom 1⁄16 palca medzi malým predpätím a primárnym zaťažením 100 kgf. Typickým výsledkom pre štandardnú mäkkú oceľ je HRB 60.
Materiáloví vedci vedia, že tvrdosť je lineárne úmerná UTS. Preto daná tvrdosť môže predpovedať UTS. Podobne aj výrobcovia rúr vedia, že MYS a UTS spolu súvisia. Pre zvárané rúry je MYS typicky 70 % až 85 % UTS. Presné množstvo závisí od procesu výroby rúry. Tvrdosť HRB 60 koreluje s UTS 60 000 libier na štvorcový palec (PSI) a MYS 80 % alebo 48 000 PSI.
Najbežnejšou špecifikáciou rúr vo všeobecnej výrobe je maximálna tvrdosť. Okrem veľkosti sa inžinier zaoberal aj špecifikáciou zváranej elektricky odporovo zváranej (ERW) rúry v rámci dobrého pracovného rozsahu, čo by mohlo viesť k maximálnej tvrdosti HRB 60, ktorá by sa dostala na výkres súčiastky. Toto rozhodnutie samo o sebe vedie k rozsahu konečných mechanických vlastností vrátane samotnej tvrdosti.
Po prvé, tvrdosť HRB 60 nám veľa nehovorí. Hodnota HRB 60 je bezrozmerné číslo. Materiál hodnotený pomocou HRB 59 je mäkší ako materiál testovaný s HRB 60 a HRB 61 je tvrdší ako HRB 60, ale o koľko? Nedá sa kvantifikovať ako objem (meraný v decibeloch), krútiaci moment (meraný v librách-stopách), rýchlosť (meraná vo vzdialenosti vzhľadom na čas) alebo UTS (meraná v librách na štvorcový palec). Hodnota HRB 60 nám nehovorí nič konkrétne. Ide o vlastnosť materiálu, ale nie o fyzikálnu vlastnosť. Po druhé, testovanie tvrdosti nie je vhodné na opakovateľnosť alebo reprodukovateľnosť. Vyhodnotenie dvoch miest na testovanej vzorke, aj keď sú testované miesta blízko seba, často vedie k veľkej variabilite v údajoch o tvrdosti. Tento problém ešte zhoršuje povaha testu. Po zmeraní polohy ju nemožno merať druhýkrát na overenie výsledkov. Opakovateľnosť testu nie je možná.
To neznamená, že testovanie tvrdosti je nepohodlné. V skutočnosti poskytuje dobrý návod na stanovenie UTS materiálu a je to rýchly a jednoduchý test. Každý, kto sa podieľa na špecifikácii, nákupe a výrobe rúr, by si však mal byť vedomý jeho obmedzení ako testovacieho parametra.
Keďže „normálne“ potrubie nie je dobre definované, výrobcovia potrubia ho v prípade potreby často zužujú na dva najčastejšie používané typy oceľových potrubia a potrubí definované v norme ASTM A513: 1008 a 1010. Aj po vylúčení všetkých ostatných typov rúr sú možnosti z hľadiska mechanických vlastností týchto dvoch typov rúr široko otvorené. V skutočnosti majú tieto typy rúr najširšiu škálu mechanických vlastností zo všetkých typov.
Napríklad rúra sa označuje ako mäkká, ak je pevnosť v ťahu (MYS) nízka a predĺženie vysoké, čo znamená, že má lepšie výsledky v ťahu, priehybe a deformácii ako rúra označená ako tvrdá, ktorá má relatívne vysokú pevnosť v ťahu (MYS) a relatívne nízke predĺženie. Je to podobné rozdielu medzi mäkkým a tvrdým drôtom, ako sú vešiaky na šaty a vŕtačky.
Samotné predĺženie je ďalším faktorom, ktorý má významný vplyv na kritické aplikácie potrubí. Rúry s vysokým predĺžením odolávajú ťahovým silám; materiály s nízkym predĺžením sú krehkejšie, a preto sú náchylnejšie na katastrofické poruchy únavového typu. Predĺženie však priamo nesúvisí s UTS, čo je jediná mechanická vlastnosť priamo súvisiaca s tvrdosťou.
Prečo sa mechanické vlastnosti rúrok tak líšia? Po prvé, chemické zloženie je odlišné. Oceľ je tuhý roztok železa a uhlíka a ďalších dôležitých zliatin. Pre jednoduchosť sa tu budeme zaoberať iba percentami uhlíka. Atómy uhlíka nahrádzajú niektoré atómy železa a tvoria kryštálovú štruktúru ocele. ASTM 1008 je všeobjímajúca primárna trieda s obsahom uhlíka od 0 % do 0,10 %. Nula je veľmi špeciálne číslo, ktoré vytvára jedinečné vlastnosti, keď je obsah uhlíka v oceli ultra nízky. ASTM 1010 špecifikuje obsah uhlíka medzi 0,08 % a 0,13 %. Tieto rozdiely sa nezdajú obrovské, ale sú dostatočne veľké na to, aby inde spôsobili veľký rozdiel.
Po druhé, oceľové potrubie sa môže vyrábať alebo vyrábať a následne spracovávať v siedmich rôznych výrobných procesoch. ASTM A513 týkajúci sa výroby ERW potrubí uvádza sedem typov:
Ak chemické zloženie ocele a kroky výroby rúr nemajú vplyv na tvrdosť ocele, čo potom má? Odpoveď na túto otázku znamená dôkladné preskúmanie detailov. Táto otázka vyvoláva ďalšie dve otázky: Aké detaily a ako presne?
Podrobnosti o zrnách, ktoré tvoria oceľ, sú prvou odpoveďou. Keď sa oceľ vyrába v primárnej oceliarni, neochladzuje sa do obrovského bloku s jedným prvkom. Ako sa oceľ ochladzuje, molekuly ocele sa organizujú do opakujúcich sa vzorov (kryštálov), podobne ako sa tvoria snehové vločky. Po vytvorení kryštálov sa zhlukujú do skupín nazývaných zrná. Ako chladnutie pokračuje, zrná rastú a tvoria sa v celom plechu alebo doske. Zrná prestávajú rásť, keď zrná absorbujú posledné molekuly ocele. Toto všetko sa deje na mikroskopickej úrovni, pretože priemerná veľkosť oceľového zrna je približne 64 µ alebo 0,0025 palca široká. Zatiaľ čo každé zrno je podobné ďalšiemu, nie sú rovnaké. Mierne sa líšia veľkosťou, orientáciou a obsahom uhlíka. Rozhranie medzi zrnami sa nazýva hranica zŕn. Keď oceľ zlyhá, napríklad v dôsledku únavových trhlín, má tendenciu zlyhávať pozdĺž hraníc zŕn.
Ako ďaleko sa musíte pozerať, aby ste videli rozoznateľné zrná? Stačí 100-násobné zväčšenie alebo 100-násobné ľudské videnie. Avšak samotný pohľad na neošetrenú oceľ pri 100-násobnom zväčšení veľa neodhalí. Vzorka sa pripraví leštením vzorky a leptaním povrchu kyselinou (zvyčajne kyselinou dusičnou a alkoholom) nazývanou nitroetanolové leptadlo.
Sú to zrná a ich vnútorná mriežka, ktoré určujú rázovú húževnatosť, pevnosť v tavenine (MYS), pevnosť v tavenine (UTS) a predĺženie, ktoré oceľ vydrží pred zlomením.
Kroky výroby ocele, ako je valcovanie pásu za tepla a za studena, vyvíjajú napätie na štruktúru zŕn; ak trvalo zmenia tvar, znamená to, že napätie deformuje zrno. Ďalšie kroky spracovania, ako je navíjanie ocele do cievok, jej odvíjanie a deformácia oceľových zŕn pomocou rúrkového mlyna (na tvarovanie a dimenzovanie rúry). Ťahanie rúry za studena na tŕni tiež vyvíja tlak na materiál, rovnako ako výrobné kroky, ako je tvárnenie koncov a ohýbanie. Zmeny v štruktúre zŕn sa nazývajú dislokácie.
Vyššie uvedené kroky znižujú ťažnosť ocele, čo je jej schopnosť odolávať ťahovému (rozťahovaciemu) napätiu. Oceľ sa stáva krehkou, čo znamená, že je pravdepodobnejšie, že sa zlomí, ak s ňou budete ďalej pracovať. Predĺženie je jednou zo zložiek ťažnosti (stlačiteľnosť je ďalšou). Je dôležité pochopiť, že k porušeniu najčastejšie dochádza počas ťahového napätia, nie pri stlačení. Oceľ je veľmi odolná voči ťahovému napätiu vďaka svojej relatívne vysokej predĺžiteľnosti. Oceľ sa však pri tlakovom napätí ľahko deformuje – je ťažná – čo je výhoda.
Betón má vysokú pevnosť v tlaku, ale nízku ťažnosť v porovnaní s betónom. Tieto vlastnosti sú opačné ako vlastnosti ocele. Preto sa betón používaný na cesty, budovy a chodníky často vybavuje výstužou. Výsledkom je produkt s pevnosťami dvoch materiálov: pod ťahom je oceľ pevná a pod tlakom betón.
Počas tvárnenia za studena, s klesajúcou tvárnosťou ocele, sa zvyšuje jej tvrdosť. Inými slovami, bude stvrdnúť. V závislosti od situácie to môže byť výhoda, ale môže to byť aj nevýhoda, pretože tvrdosť sa spája s krehkosťou. To znamená, že ako oceľ tvrdne, stáva sa menej elastickou, a preto je pravdepodobnejšie, že sa zlomí.
Inými slovami, každý krok procesu spotrebúva časť ťažnosti rúry. Počas opracovania súčiastky sa rúra stáva tvrdšou a ak je príliš tvrdá, je v podstate nepoužiteľná. Tvrdosť je krehkosť a krehká rúra sa pri používaní pravdepodobne zlomí.
Má výrobca v tomto prípade nejaké možnosti? Stručne povedané, áno. Touto možnosťou je žíhanie a hoci to nie je celkom magické, je to k mágii najbližšie, ako sa len dá dostať.
Laicky povedané, žíhanie odstraňuje všetky účinky fyzického namáhania kovu. Tento proces zahrieva kov na teplotu uvoľnenia napätia alebo rekryštalizácie, čím eliminuje dislokácie. V závislosti od konkrétnej teploty a času použitého v procese žíhania sa týmto procesom obnoví časť alebo celá jeho ťažnosť.
Žíhanie a kontrolované chladenie podporujú rast zŕn. To je výhodné, ak je cieľom znížiť krehkosť materiálu, ale nekontrolovaný rast zŕn môže kov príliš zmäkčiť, čím sa stane nepoužiteľným na zamýšľané použitie. Zastavenie procesu žíhania je ďalšia takmer magická vec. Kalenie pri správnej teplote so správnym kaliacim činidlom v správnom čase rýchlo zastaví proces, aby sa získali vlastnosti ocele na regeneráciu.
Mali by sme vynechať špecifikáciu tvrdosti? Nie. Charakteristiky tvrdosti sú cenné predovšetkým ako referenčný bod pri špecifikácii oceľových rúr. Tvrdosť je užitočným meradlom a jednou z niekoľkých charakteristík, ktoré by sa mali špecifikovať pri objednávaní rúrkového materiálu a skontrolovať pri prijatí (a mali by sa zaznamenať pri každej zásielke). Ak je štandardom kontroly tvrdosti, mala by mať vhodné hodnoty stupnice a kontrolné rozsahy.
Nie je to však skutočný test na kvalifikáciu (prijatie alebo zamietnutie) materiálu. Okrem tvrdosti by výrobcovia mali občas testovať dodávky, aby určili ďalšie relevantné vlastnosti, ako napríklad MYS, UTS alebo minimálne predĺženie, v závislosti od použitia rúry.
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.
Časopis Tube & Pipe Journal sa v roku 1990 stal prvým časopisom venovaným odvetviu kovových potrubí. Dnes zostáva jedinou publikáciou v Severnej Amerike venovanou tomuto odvetviu a stal sa najdôveryhodnejším zdrojom informácií pre odborníkov v oblasti potrubí.
Teraz s plným prístupom k digitálnej edícii časopisu The FABRICATOR máte jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Digitálne vydanie časopisu The Tube & Pipe Journal je teraz plne dostupné a poskytuje jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Využite plný prístup k digitálnemu vydaniu časopisu STAMPING Journal, ktorý poskytuje najnovšie technologické pokroky, osvedčené postupy a novinky z odvetvia pre trh s lisovaním kovov.
Využite plný prístup k digitálnemu vydaniu publikácie The Additive Report a zistite, ako možno aditívnu výrobu využiť na zlepšenie prevádzkovej efektívnosti a zvýšenie ziskov.
Teraz s plným prístupom k digitálnemu vydaniu časopisu The Fabricator en Español máte jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.