Različni preskusni protokoli (Brinell, Rockwell, Vickers) imajo postopke, specifične za preskušeni projekt. Rockwellov T-preskus je primeren za pregled tankostenskih cevi tako, da se cev prereže po dolžini in stena se preskusi od notranjega premera in ne od zunanjega.
Naročanje cevi je nekoliko podobno kot obisk prodajalca avtomobilov in naročilo avtomobila ali tovornjaka. Danes številne možnosti kupcem omogočajo, da vozilo prilagodijo na različne načine – barve notranjosti in zunanjosti, paketi notranje opreme, možnosti zunanjega oblikovanja, izbira pogonskega sklopa in avdio sistem, ki se skoraj kosa s sistemom za domačo zabavo. Glede na vse te možnosti morda ne boste zadovoljni s standardnim vozilom brez dodatkov.
Jeklene cevi so prav to. Imajo na tisoče možnosti ali specifikacij. Poleg dimenzij specifikacija navaja kemijske in več mehanskih lastnosti, kot so minimalna meja tečenja (MYS), natezna trdnost (UTS) in minimalni raztezek pred zlomom. Vendar pa mnogi v industriji – inženirji, nabavni zastopniki in proizvajalci – uporabljajo sprejete industrijske okrajšave, ki zahtevajo uporabo "običajnih" varjenih cevi in ​​določajo le eno značilnost: trdoto.
Poskusite naročiti avto po eni sami značilnosti (»Potrebujem avto z avtomatskim menjalnikom«) in s prodajalcem ne boste prišli daleč. Izpolniti mora naročilnico z veliko možnostmi. Cev je prav to – da bi proizvajalec cevi dobil pravo cev za uporabo, potrebuje več informacij kot le trdoto.
Kako trdota postane prepoznavna zamenjava za druge mehanske lastnosti? Verjetno se je začelo s proizvajalcem cevi. Ker je testiranje trdote hitro, enostavno in zahteva relativno poceni opremo, prodajalci cevi pogosto uporabljajo testiranje trdote za primerjavo dveh cevi. Za izvedbo testa trdote potrebujejo le gladek kos cevi in ​​preskusno stojalo.
Trdota cevi se dobro ujema z UTS in praviloma so odstotki ali odstotni razponi koristni pri ocenjevanju MYS, zato je enostavno razumeti, kako je lahko testiranje trdote primeren približek za druge lastnosti.
Tudi drugi testi so relativno zapleteni. Medtem ko testiranje trdote na enem samem stroju traja le minuto ali približno toliko, testiranje MYS, UTS in raztezka zahteva pripravo vzorca in znatno naložbo v veliko laboratorijsko opremo. Za primerjavo, operater cevne mlinice potrebuje nekaj sekund za izvedbo testa trdote, profesionalni metalurški tehnik pa ure za izvedbo nateznega testa. Preverjanje trdote ni težko.
To ne pomeni, da proizvajalci inženirskih cevi ne uporabljajo testiranja trdote. Lahko rečemo, da večina ljudi to počne, vendar se dobro zavedajo omejitev testa, ker izvajajo ocene ponovljivosti in obnovljivosti merilnikov na vsej svoji preskusni opremi. Večina uporablja ocenjevanje trdote cevi kot del proizvodnega procesa, vendar ga ne uporablja za količinsko opredelitev lastnosti cevi. To je le test za uspešno/neuspešno ovrednotenje.
Zakaj morate vedeti o MYS, UTS in minimalnem raztezku? Ti parametri kažejo, kako se bo cev obnašala med montažo.
MYS je minimalna sila, ki povzroči trajno deformacijo materiala. Če poskusite rahlo upogniti ravno žico (kot je obešalnik za plašče) in nato sprostite pritisk, se bosta zgodili dve stvari: vrne se v prvotno stanje (ravno) ali pa ostane upognjena. Če je še vedno ravna, še niste presegli MYS. Če je še vedno upognjena, ste jo prekoračili.
Sedaj s kleščami stisnite oba konca žice. Če lahko žico raztrgate na dva dela, ste presegli njeno UTS. Nanjo ste močno napeli in dobili ste dve žici, ki kažeta vaš nadčloveški napor. Če je prvotna dolžina žice 5 palcev (12,7 cm), obe dolžini po pretrgu pa znašata 6 palcev (15,2 cm), se žica raztegne za 1 palec (2,5 cm) oziroma 20 %. Dejanski preskus raztezanja se meri znotraj 2 palcev (5,2 cm) od točke preloma, ampak kakorkoli že – koncept vlečne žice ponazarja UTS.
Vzorce jekla, posnete s fotomikrografijo, je treba rezati, polirati in jedkati z blago kislo raztopino (običajno dušikovo kislino in alkoholom (nitroetanolom)), da so zrna vidna. Za pregled jeklenih zrn in določanje velikosti zrn se običajno uporablja 100-kratna povečava.
Trdota je preizkus, kako se material odziva na udarec. Predstavljajte si, da v primež z nazobčanimi čeljustmi vstavite kratek kos cevi in ​​​​primež obrnete, da se zapre. Poleg tega, da čeljusti primeža sploščijo cev, pustijo tudi vdolbine na površini cevi.
Tako deluje preizkus trdote, vendar ni tako grob. Ta preizkus ima nadzorovano velikost udarca in nadzorovan tlak. Te sile deformirajo površino in ustvarijo vdolbino ali vdolbino. Velikost ali globina vdolbine določa trdoto kovine.
Za ocenjevanje jekla so običajni preskusi trdote Brinell, Vickers in Rockwell. Vsak ima svojo lestvico, nekateri pa imajo več preskusnih metod, kot so Rockwell A, B in C. Za jeklene cevi se specifikacija ASTM A513 sklicuje na Rockwellov preskus B (okrajšano HRB ali RB). Rockwellov preskus B meri razliko v prodiranju jekla z jekleno kroglo s premerom 1⁄16 palca med majhno prednapetostjo in primarno obremenitvijo 100 kgf. Tipičen rezultat za standardno mehko jeklo je HRB 60.
Znanstveniki za materiale vedo, da je trdota linearno povezana z UTS. Zato lahko določena trdota napoveduje UTS. Podobno proizvajalci cevi vedo, da sta MYS in UTS povezana. Pri varjenih ceveh je MYS običajno od 70 % do 85 % UTS. Natančna količina je odvisna od postopka izdelave cevi. Trdota HRB 60 je povezana z UTS 60.000 funtov na kvadratni palec (PSI) in MYS 80 % oziroma 48.000 PSI.
Najpogostejša specifikacija cevi v splošni proizvodnji je največja trdota. Poleg velikosti je inženirja zanimala tudi specifikacija varjene električno uporovno varjene (ERW) cevi znotraj dobrega delovnega območja, kar bi lahko na risbi komponente privedlo do največje trdote, morebiti HRB 60. Že sama ta odločitev vodi do vrste končnih mehanskih lastnosti, vključno s samo trdoto.
Prvič, trdota HRB 60 nam ne pove veliko. Odčitek HRB 60 je brezdimenzijska številka. Material, ocenjen s HRB 59, je mehkejši od materiala, testiranega s HRB 60, HRB 61 pa je trši od HRB 60, vendar za koliko? Tega ni mogoče količinsko opredeliti kot prostornino (merjeno v decibelih), navor (merjeno v funtih-čevljih), hitrost (merjeno v razdalji glede na čas) ali UTS (merjeno v funtih na kvadratni palec). Odčitek HRB 60 nam ne pove ničesar specifičnega. To je lastnost materiala, ne pa fizikalna lastnost. Drugič, testiranje trdote ni primerno za ponovljivost ali reproducibilnost. Vrednotenje dveh lokacij na preskusnem vzorcu, tudi če sta preskusni mesti blizu drug drugemu, pogosto povzroči veliko odstopanje v odčitkih trdote. To težavo še poslabšuje narava preskusa. Ko je položaj izmerjen, ga ni mogoče izmeriti še enkrat, da bi preverili rezultate. Ponovljivost preskusa ni mogoča.
To ne pomeni, da je testiranje trdote neprijetno. Pravzaprav zagotavlja dober vodnik za UTS materiala in je hiter in enostaven za izvedbo. Vendar pa se morajo vsi, ki sodelujejo pri določanju, nakupu in proizvodnji cevi, zavedati njegovih omejitev kot preskusnega parametra.
Ker "običajna" cev ni dobro definirana, jo proizvajalci cevi po potrebi pogosto zožijo na dve najpogosteje uporabljeni jekleni cevi in ​​vrsti cevi, opredeljeni v standardu ASTM A513: 1008 in 1010. Tudi po izločitvi vseh drugih vrst cevi so možnosti glede mehanskih lastnosti teh dveh vrst cevi zelo odprte. Pravzaprav imata ti vrsti cevi najširši razpon mehanskih lastnosti od vseh vrst.
Na primer, cev je opisana kot mehka, če je MYS nizek in raztezek visok, kar pomeni, da se bolje obnese pri nategu, upogibu in strjevanju kot cev, opisana kot trda, ki ima relativno visok MYS in relativno nizek raztezek. To je podobno razliki med mehko in trdo žico, kot so obešalniki za plašče in svedri.
Raztezek sam po sebi je še en dejavnik, ki pomembno vpliva na kritične aplikacije cevi. Cevi z visokim raztezkom lahko prenesejo natezne sile; materiali z nizkim raztezkom so bolj krhki in zato bolj nagnjeni k katastrofalnim utrujenostnim odpovedim. Vendar pa raztezek ni neposredno povezan z uporabnostjo materiala (UTS), ki je edina mehanska lastnost, ki je neposredno povezana s trdoto.
Zakaj se mehanske lastnosti cevi tako razlikujejo? Prvič, kemična sestava je različna. Jeklo je trdna raztopina železa in ogljika ter drugih pomembnih zlitin. Zaradi poenostavitve se bomo tukaj ukvarjali le z odstotki ogljika. Atomi ogljika nadomeščajo nekatere atome železa in tvorijo kristalno strukturo jekla. ASTM 1008 je vseobsegajoča primarna stopnja z vsebnostjo ogljika od 0 % do 0,10 %. Nič je zelo posebna številka, ki daje edinstvene lastnosti, ko je vsebnost ogljika v jeklu izjemno nizka. ASTM 1010 določa vsebnost ogljika med 0,08 % in 0,13 %. Te razlike se ne zdijo ogromne, vendar so dovolj velike, da drugje naredijo veliko razliko.
Drugič, jeklene cevi je mogoče izdelati ali izdelati in nato obdelati v sedmih različnih proizvodnih procesih. ASTM A513, povezan s proizvodnjo cevi ERW, navaja sedem vrst:
Če kemična sestava jekla in postopki izdelave cevi nimajo vpliva na trdoto jekla, kaj potem vpliva? Odgovor na to vprašanje pomeni, da se je treba poglobiti v podrobnosti. To vprašanje pa sproža še dve vprašanji: Katere podrobnosti in kako natančno?
Podrobnosti o zrnih, ki sestavljajo jeklo, so prvi odgovor. Ko se jeklo izdeluje v primarni jeklarski tovarni, se ne ohladi v ogromen blok z eno samo značilnostjo. Ko se jeklo ohlaja, se molekule jekla organizirajo v ponavljajoče se vzorce (kristale), podobno kot nastanejo snežinke. Ko se kristali oblikujejo, se združijo v skupine, imenovane zrna. Ko se ohlajanje nadaljuje, zrna rastejo in se oblikujejo po celotni pločevini ali plošči. Zrna prenehajo rasti, ko zrna absorbirajo zadnje molekule jekla. Vse to se dogaja na mikroskopski ravni, ker je povprečna velikost jeklenega zrna približno 64 µ ali 0,0025 palca široka. Čeprav je vsako zrno podobno naslednjemu, ni enako. Nekoliko se razlikujejo po velikosti, orientaciji in vsebnosti ogljika. Stik med zrni se imenuje meja zrn. Ko jeklo odpove, na primer zaradi utrujenostnih razpok, se nagiba k odlomu vzdolž meja zrn.
Kako daleč morate gledati, da vidite razločljiva zrna? 100-kratna povečava oziroma 100-kratna povečava človeškega vida je dovolj. Vendar pa samo pogled na neobdelano jeklo pri 100-kratni povečavi ne razkrije veliko. Vzorec se pripravi s poliranjem vzorca in jedkanjem površine s kislino (običajno dušikovo kislino in alkoholom), imenovano nitroetanolno jedkalno sredstvo.
Zrna in njihova notranja mreža določajo udarno trdnost, trdnost pri težkem ciklu (MYS), trdnost pri težkem ciklu (UTS) in raztezek, ki jih jeklo lahko prenese pred porušitvijo.
Koraki pri izdelavi jekla, kot sta vroče in hladno valjanje traku, obremenjujejo strukturo zrn; če trajno spremenijo obliko, to pomeni, da napetost deformira zrna. Drugi koraki obdelave, kot so zvijanje jekla v tuljave, odvijanje in deformiranje jeklenih zrn skozi cevni mlin (za oblikovanje in dimenzioniranje cevi). Hladno vlečenje cevi na trnu prav tako pritiska na material, prav tako proizvodni koraki, kot sta oblikovanje koncev in upogibanje. Spremembe v strukturi zrn imenujemo dislokacije.
Zgornji koraki zmanjšujejo duktilnost jekla, kar je njegova sposobnost, da prenese natezno napetost. Jeklo postane krhko, kar pomeni, da je večja verjetnost, da se bo zlomilo, če ga boste še naprej obdelovali. Raztezek je ena od komponent duktilnosti (stisljivost je druga). Pomembno je razumeti, da do loma najpogosteje pride med natezno napetostjo, ne pa med stiskanjem. Jeklo je zaradi svoje relativno visoke raztezne zmogljivosti zelo odporno na natezno napetost. Vendar se jeklo pod tlačno napetostjo zlahka deformira – je duktilno – kar je prednost.
Beton ima visoko tlačno trdnost, vendar nizko duktilnost v primerjavi z betonom. Te lastnosti so nasprotne lastnostim jekla. Zato se beton, ki se uporablja za ceste, stavbe in pločnike, pogosto opremlja z armaturno palico. Rezultat je izdelek z lastnostmi dveh materialov: pod napetostjo je jeklo močno, pod pritiskom pa beton.
Med hladno obdelavo se z zmanjševanjem duktilnosti jekla poveča njegova trdota. Z drugimi besedami, strdi se. Glede na situacijo je to lahko prednost, lahko pa je tudi slabost, saj je trdota enačena s krhkostjo. To pomeni, da ko jeklo postane trše, postane manj elastično, zato je večja verjetnost, da bo odpovedalo.
Z drugimi besedami, vsak korak v procesu porabi del duktilnosti cevi. Med obdelavo postane trša, in če je pretrda, je v bistvu neuporabna. Trdota je krhkost, krhka cev pa bo med uporabo verjetno odpovedala.
Ali ima proizvajalec v tem primeru kakšne možnosti? Skratka, da. Ta možnost je žarjenje, in čeprav ni ravno čarobno, je najbližje čarobnosti, kar jih je mogoče dobiti.
Poenostavljeno povedano, žarjenje odstrani vse učinke fizičnih obremenitev kovine. Ta postopek segreje kovino na temperaturo za razbremenitev napetosti ali rekristalizacijo, s čimer se odpravijo dislokacije. Glede na specifično temperaturo in čas, uporabljen v procesu žarjenja, postopek tako obnovi delno ali vso njeno duktilnost.
Žarjenje in nadzorovano hlajenje spodbujata rast zrn. To je koristno, če je cilj zmanjšati krhkost materiala, vendar lahko nenadzorovana rast zrn preveč zmehča kovino, zaradi česar je neuporabna za predvideno uporabo. Prekinitev procesa žarjenja je še ena skoraj čarobna stvar. Kaljenje pri pravi temperaturi s pravim kalilnim sredstvom ob pravem času hitro ustavi postopek, da se jeklo ponovno vzpostavi.
Ali naj opustimo specifikacijo trdote? Ne. Karakteristike trdote so dragocene predvsem kot referenčna točka pri specifikaciji jeklenih cevi. Trdota je uporabna mera, ena od več značilnosti, ki jih je treba navesti pri naročanju cevnega materiala in preveriti ob prejemu (in jih je treba zabeležiti pri vsaki pošiljki). Ko je pregled trdote standardni pregled, mora imeti ustrezne vrednosti na lestvici in kontrolna območja.
Vendar to ni pravi preizkus za kvalifikacijo (sprejem ali zavrnitev) materiala. Poleg trdote bi morali proizvajalci občasno preizkusiti pošiljke, da bi določili druge pomembne lastnosti, kot so MYS, UTS ali minimalni raztezek, odvisno od uporabe cevi.
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.
Revija Tube & Pipe Journal je leta 1990 postala prva revija, posvečena industriji kovinskih cevi. Danes ostaja edina publikacija v Severni Ameriki, posvečena tej industriji, in je postala najbolj zaupanja vreden vir informacij za strokovnjake za cevi.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje revije The FABRICATOR, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Digitalna izdaja revije The Tube & Pipe Journal je zdaj v celoti dostopna in omogoča enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.
Uživajte v polnem dostopu do digitalne izdaje revije STAMPING Journal, ki ponuja najnovejše tehnološke dosežke, najboljše prakse in novice iz industrije za trg žigosanja kovin.
Izkoristite poln dostop do digitalne izdaje revije The Additive Report in se naučite, kako lahko aditivna proizvodnja izboljša operativno učinkovitost in poveča dobiček.
Zdaj s polnim dostopom do digitalne izdaje revije The Fabricator en Español, enostaven dostop do dragocenih industrijskih virov.