Различити протоколи испитивања (Бринел, Роквел, Викерс) имају процедуре специфичне за пројекат који се испитује. Роквелов Т тест је погодан за испитивање цеви са танким зидовима резањем цеви по дужини и испитивањем зида од унутрашњег пречника, а не од спољашњег пречника.
Наручивање цеви је помало као одлазак у ауто-салон и наручивање аутомобила или камионета. Данас, многе доступне опције омогућавају купцима да прилагоде возило на разне начине - боје ентеријера и екстеријера, пакети унутрашње опреме, опције спољашњег стила, избор погонског склопа и аудио систем који готово парира систему кућне забаве. С обзиром на све ове опције, можда нећете бити задовољни стандардним возилом без додатне опреме.
Челичне цеви су управо то. Имају хиљаде опција или спецификација. Поред димензија, спецификација наводи хемијска и неколико механичких својстава као што су минимална граница течења (MYS), гранична затезна чврстоћа (UTS) и минимално издужење пре лома. Међутим, многи у индустрији - инжењери, агенти за набавку и произвођачи - користе прихваћене индустријске скраћенице које захтевају употребу „нормалних“ заварених цеви и наводе само једну карактеристику: тврдоћу.
Покушајте да наручите аутомобил по једној карактеристици („Потребан ми је аутомобил са аутоматским мењачем“) и нећете далеко стићи са продавцем. Он мора да попуни формулар за наруџбину са много опција. Цев је управо то – да би добио праву цев за примену, произвођачу цеви су потребне више информација од саме тврдоће.
Како тврдоћа постаје препозната замена за друга механичка својства? Вероватно је почело са произвођачем цеви. Пошто је испитивање тврдоће брзо, једноставно и захтева релативно јефтину опрему, продавци цеви често користе испитивање тврдоће да би упоредили две цеви. Да би извршили испитивање тврдоће, све што им је потребно је гладак комад цеви и испитни сталак.
Тврдоћа цеви је у доброј корелацији са UTS-ом, и као правило, проценти или процентуални распони су корисни за процену MYS-а, тако да је лако видети како испитивање тврдоће може бити одговарајућа замена за друга својства.
Такође, други тестови су релативно сложени. Док испитивање тврдоће траје само минут или нешто више на једној машини, MYS, UTS и испитивање издужења захтевају припрему узорка и значајна улагања у велику лабораторијску опрему. Поређења ради, оператеру цеви су потребне секунде да изврши тест тврдоће, а професионалном металуршком техничару сати да изврши тест затезања. Није тешко извршити проверу тврдоће.
То не значи да произвођачи пројектованих цеви не користе испитивање тврдоће. Може се слободно рећи да већина људи то ради, али пошто врше процене поновљивости и репродуктивности на целој својој опреми за тестирање, добро су свесни ограничења теста. Већина користи процену тврдоће цеви као део производног процеса, али је не користе за квантификацију својстава цеви. Ово је само тест прошао/не прошао.
Зашто треба да знате о MYS, UTS и минималном издужењу? Они показују како ће се цев понашати током склапања.
MYS је минимална сила која изазива трајну деформацију материјала. Ако покушате да благо савијете равну жицу (као што је вешалица за капуте) и отпустите притисак, десиће се једна од две ствари: она ће се вратити у првобитно стање (права) или ће остати савијена. Ако је и даље права, нисте прешли MYS. Ако је и даље савијена, претерали сте.
Сада, користите клешта да стегнете оба краја жице. Ако можете да поцепате жицу на два дела, прешли сте њен натчовечански напор. Ставили сте велику затегнутост на њу и имате две жице да покажете свој натчовечански напор. Ако је оригинална дужина жице 5 инча, а две дужине након лома износе 6 инча, жица је истегнута за 1 инч, односно 20%. Стварни тест издужења се мери унутар 2 инча од тачке лома, али шта год – концепт вучне жице илуструје натчовечански напор.
Узорке челика са фотомикрографије потребно је сећи, полирати и нагризати благо киселим раствором (обично азотном киселином и алкохолом (нитроетанолом)) како би зрна била видљива. Увећање од 100 пута се обично користи за испитивање зрна челика и одређивање величине зрна.
Тврдоћа је тест како материјал реагује на удар. Замислите да ставите кратки комад цеви у стегач са назубљеним вилицама и окренете стегач да бисте га затворили. Поред тога што спљошћују цев, вилице стегача такође остављају удубљења на површини цеви.
Тако функционише тест тврдоће, али није толико груб. Овај тест има контролисану величину удара и контролисани притисак. Ове силе деформишу површину, стварајући удубљење или удубљење. Величина или дубина удубљења одређује тврдоћу метала.
За процену челика, уобичајени тестови тврдоће су Бринелов, Викерсов и Роквелов. Сваки има своју скалу, а неки имају више метода испитивања, као што су Роквел А, Б и Ц. За челичне цеви, ASTM спецификација А513 се позива на Роквелов Б тест (скраћено HRB или RB). Роквелов Б тест мери разлику у продору челика челичном куглом пречника 1⁄16 инча између малог претходног оптерећења и примарног оптерећења од 100 кгф. Типичан резултат за стандардни меки челик је HRB ​​60.
Научници који се баве материјалима знају да је тврдоћа линеарно повезана са UTS-ом. Стога, дата тврдоћа може предвидети UTS. Слично томе, произвођачи цеви знају да су MYS и UTS повезани. За заварене цеви, MYS је обично 70% до 85% UTS-а. Тачан износ зависи од процеса израде цеви. Тврдоћа HRB 60 је у корелацији са UTS-ом од 60.000 фунти по квадратном инчу (PSI) и MYS-ом од 80%, или 48.000 PSI.
Најчешћа спецификација цеви у општој производњи је максимална тврдоћа. Поред величине, инжењер је био забринут и за одређивање заварене електрично заварене (ERW) цеви унутар доброг радног опсега, што би могло резултирати максималном тврдоћом од евентуално HRB 60 на цртежу компоненте. Само ова одлука доводи до низа коначних механичких својстава, укључујући и саму тврдоћу.
Прво, тврдоћа HRB 60 нам не говори много. Очитавање HRB ​​60 је бездимензионални број. Материјал процењен помоћу HRB 59 је мекши од материјала тестираног са HRB 60, а HRB 61 је тврђи од HRB 60, али за колико? Не може се квантификовати као запремина (мерена у децибелима), обртни момент (мерен у фунтама-стопама), брзина (мерена у растојању у односу на време) или UTS (мерено у фунтама по квадратном инчу). Очитавање HRB ​​60 нам не говори ништа конкретно. Ово је својство материјала, али не и физичко својство. Друго, испитивање тврдоће није погодно за поновљивост или репродуктивност. Процена две локације на испитном узорку, чак и ако су локације за испитивање близу једна другој, често резултира великом варијацијом у очитавањима тврдоће. Овај проблем погоршава природа теста. Након што је положај измерен, не може се измерити други пут да би се верификовали резултати. Поновљивост теста није могућа.
То не значи да је испитивање тврдоће незгодно. У ствари, оно пружа добар водич за UTS материјала, и то је брз и једноставан тест за извођење. Међутим, сви који су укључени у спецификацију, куповину и производњу цеви треба да буду свесни његових ограничења као параметра испитивања.
Пошто „нормална“ цев није добро дефинисана, када је потребно, произвођачи цеви је често сужавају на две најчешће коришћене челичне цеви и врсте цеви дефинисане у ASTM A513: 1008 и 1010. Чак и након елиминисања свих осталих врста цеви, могућности у погледу механичких својстава ова два типа цеви су широко отворене. У ствари, ове врсте цеви имају најшири спектар механичких својстава од свих врста.
На пример, цев се описује као мека ако је чврстоћа на затезање ниска, а издужење високо, што значи да се боље показује у затезној чврстоћи, деформацији и чврстоћи него цев описана као тврда, која има релативно високу чврстоћу на затезање и релативно ниско издужење. Ово је слично разлици између меке и тврде жице, као што су вешалице за капуте и бушилице.
Само издужење је још један фактор који има значајан утицај на критичне примене цеви. Цеви са великим издужењем могу да издрже затезне силе; материјали са малим издужењем су крхкији и стога склонији катастрофалним кваровима типа замора. Међутим, издужење није директно повезано са заморном чврстоћом (UTS), што је једино механичко својство директно повезано са тврдоћом.
Зашто се механичка својства цеви толико разликују? Прво, хемијски састав је различит. Челик је чврсти раствор гвожђа и угљеника и других важних легура. Ради једноставности, овде ћемо се бавити само процентима угљеника. Атоми угљеника замењују неке од атома гвожђа, формирајући кристалну структуру челика. ASTM 1008 је свеобухватна примарна класа са садржајем угљеника од 0% до 0,10%. Нула је веома посебан број који производи јединствена својства када је садржај угљеника у челику изузетно низак. ASTM 1010 одређује садржај угљеника између 0,08% и 0,13%. Ове разлике не делују огромне, али су довољно велике да направе велику разлику негде другде.
Друго, челична цев може бити произведена или произведена и накнадно обрађена у седам различитих производних процеса. ASTM A513 који се односи на производњу ERW цеви наводи седам врста:
Ако хемијски састав челика и кораци производње цеви немају утицаја на тврдоћу челика, шта је онда? Одговор на ово питање значи пажљиво испитивање детаља. Ово питање поставља још два питања: Који детаљи и колико прецизно?
Детаљи о зрнима која чине челик су први одговор. Када се челик производи у примарној челичани, он се не хлади у огроман блок са једном карактеристиком. Како се челик хлади, молекули челика се организују у понављајуће обрасце (кристале), слично као што се формирају пахуље. Након што се кристали формирају, они се агрегирају у групе које се називају зрна. Како хлађење напредује, зрна расту и формирају се по целом лиму или плочи. Зрна престају да расту док зрна апсорбују последње молекуле челика. Све се ово дешава на микроскопском нивоу јер је просечна величина зрна челика широка око 64 µ или 0,0025 инча. Иако је свако зрно слично следећем, нису иста. Она се мало разликују по величини, оријентацији и садржају угљеника. Интерфејс између зрна назива се граница зрна. Када челик попусти, на пример због пукотина услед замора, он тежи да попусти дуж граница зрна.
Колико далеко морате да гледате да бисте видели уочљива зрна? Довољно је увећање од 100 пута, или људски вид од 100 пута. Међутим, само посматрање необрађеног челика при увећању од 100 пута не открива много. Узорак се припрема полирањем узорка и нагризањем површине киселином (обично азотном киселином и алкохолом) која се назива нитроетанолно средство за нагризање.
Зрна и њихова унутрашња решетка одређују ударну чврстоћу, MYS, UTS и издужење које челик може да издржи пре лома.
Кораци у производњи челика, као што су топло и хладно ваљање траке, примењују напрезање у структури зрна; ако трајно мењају облик, то значи да напрезање деформише зрно. Остали кораци обраде, као што су намотавање челика у калемове, одмотавање и деформисање челичних зрна кроз млин за цеви (за обликовање и димензионисање цеви). Хладно вучење цеви на трну такође врши притисак на материјал, као и кораци производње као што су обликовање крајева и савијање. Промене у структури зрна називају се дислокације.
Горе наведени кораци смањују дуктилност челика, што је његова способност да издржи затезни (вучни) напон. Челик постаје крхак, што значи да је већа вероватноћа да ће се сломити ако наставите да радите на њему. Издужење је једна од компоненти дуктилности (стишљивост је друга). Важно је разумети да се лом најчешће јавља током затезног напона, а не компресије. Челик је веома отпоран на затезни напон због свог релативно високог капацитета издужења. Међутим, челик се лако деформише под компресивним напоном – он је дуктилан – што је предност.
Бетон има високу чврстоћу на притисак, али ниску дуктилност у поређењу са бетоном. Ова својства су супротна својствима челика. Зато се бетон који се користи за путеве, зграде и тротоаре често опрема арматуром. Резултат је производ са чврстоћама два материјала: под затезањем је челик јак, а под притиском бетон.
Током хладне обраде, како се дуктилност челика смањује, његова тврдоћа се повећава. Другим речима, он ће се стврднути. У зависности од ситуације, ово може бити предност; међутим, може бити и мана, јер се тврдоћа изједначава са кртошћу. То јест, како челик постаје тврђи, постаје мање еластичан; стога је већа вероватноћа да ће се покварити.
Другим речима, сваки корак процеса троши део дуктилности цеви. Она постаје тврђа како део ради, а ако је превише тврда, у основи је бескорисна. Тврдоћа је кртост, а крта цев ће вероватно отказати када се користи.
Да ли произвођач има неке опције у овом случају? Укратко, да. Та опција је жарење, и иако није баш магично, најближе је магији колико можете добити.
Једноставно речено, жарење уклања све ефекте физичког напрезања на метал. Овај процес загрева метал до температуре ослобађања од напона или рекристализације, чиме се елиминишу дислокације. У зависности од специфичне температуре и времена коришћеног у процесу жарења, процес на тај начин обнавља део или целу његову дуктилност.
Жарење и контролисано хлађење подстичу раст зрна. Ово је корисно ако је циљ смањење кртости материјала, али неконтролисани раст зрна може превише омекшати метал, чинећи га неупотребљивим за предвиђену употребу. Заустављање процеса жарења је још једна готово магична ствар. Каљење на правој температури са правим средством за каљење у право време доводи процес до брзог заустављања како би се добила својства опоравка челика.
Да ли треба да изоставимо спецификацију тврдоће? Не. Карактеристике тврдоће су вредне првенствено као референтна тачка приликом одређивања челичних цеви. Тврдоћа је корисна мера, једна од неколико карактеристика које треба навести приликом наручивања цевастог материјала и проверити по пријему (и треба је забележити уз сваку пошиљку). Када је инспекција тврдоће стандард инспекције, она треба да има одговарајуће вредности скале и контролне опсеге.
Међутим, то није прави тест за квалификацију (прихватање или одбијање) материјала. Поред тврдоће, произвођачи би повремено требало да тестирају пошиљке како би утврдили друга релевантна својства, као што су MYS, UTS или минимално издужење, у зависности од примене цеви.
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.
Часопис „Tube & Pipe Journal“ је постао први часопис посвећен индустрији металних цеви 1990. године. Данас је то једина публикација у Северној Америци посвећена овој индустрији и постао је најпоузданији извор информација за стручњаке за цеви.
Сада са потпуним приступом дигиталном издању часописа The FABRICATOR, лаким приступом вредним индустријским ресурсима.
Дигитално издање часописа „The Tube & Pipe Journal“ је сада потпуно доступно, пружајући лак приступ вредним индустријским ресурсима.
Уживајте у пуном приступу дигиталном издању часописа STAMPING Journal, који пружа најновија технолошка достигнућа, најбоље праксе и вести из индустрије за тржиште штанцања метала.
Уживајте у пуном приступу дигиталном издању часописа „The Additive Report“ да бисте сазнали како се адитивна производња може користити за побољшање оперативне ефикасности и повећање профита.
Сада са потпуним приступом дигиталном издању часописа The Fabricator en Español, лаким приступом вредним индустријским ресурсима.