Різні протоколи випробувань (Брінелля, Роквелла, Віккерса) мають процедури, специфічні для проекту, що тестується. Т-тест Роквелла підходить для перевірки тонкостінних труб шляхом розрізання труби вздовж та випробування стінки по внутрішньому діаметру, а не по зовнішньому.
Замовлення труби трохи схоже на похід до автосалону та замовлення легковика чи вантажівки. Сьогодні безліч доступних опцій дозволяють покупцям налаштувати автомобіль різними способами — кольори інтер'єру та екстер'єру, пакети оздоблення салону, варіанти зовнішнього стилю, вибір силового агрегату та аудіосистема, яка майже не поступається домашній розважальній системі. Враховуючи всі ці опції, ви можете бути не задоволені стандартним автомобілем без надмірностей.
Сталеві труби – це саме те, що потрібно. Вони мають тисячі варіантів або специфікацій. Окрім розмірів, у специфікації перелічені хімічні та кілька механічних властивостей, таких як мінімальна межа текучості (MYS), межа міцності на розтяг (UTS) та мінімальне видовження до руйнування. Однак багато хто в галузі – інженери, агенти з закупівель та виробники – використовують прийняті в галузі скорочення, які вимагають використання «звичайних» зварних труб і вказують лише одну характеристику: твердість.
Спробуйте замовити автомобіль за однією характеристикою («Мені потрібен автомобіль з автоматичною коробкою передач»), і ви не заїдете далеко з продавцем. Йому потрібно заповнити форму замовлення з багатьма варіантами. Труба — це саме те, що потрібно: щоб отримати правильну трубу для застосування, виробнику труб потрібна додаткова інформація, ніж просто твердість.
Як твердість стала визнаним замінником інших механічних властивостей? Ймовірно, все почалося з виробника труб. Оскільки випробування на твердість є швидким, простим і вимагає відносно недорогого обладнання, продавці труб часто використовують випробування на твердість для порівняння двох труб. Щоб провести випробування на твердість, їм потрібен лише гладкий відрізок труби та випробувальний стенд.
Твердість трубки добре корелює з твердістю за течією (UTS), і, як правило, відсотки або діапазони відсотків корисні для оцінки твердості за течією (MYS), тому легко зрозуміти, як вимірювання твердості може бути придатним показником для інших властивостей.
Крім того, інші випробування є відносно складними. У той час як випробування на твердість займає лише хвилину або близько того на одній машині, випробування на твердість у твердих фаз (MYS), твердість у твердих фаз (UTS) та видовження вимагають підготовки зразків та значних інвестицій у велике лабораторне обладнання. Для порівняння, оператору трубного стану потрібні секунди для проведення випробування на твердість, а професійному металургічному техніку - години для проведення випробування на розтяг. Виконати перевірку твердості нескладно.
Це не означає, що виробники інженерних труб не використовують випробування на твердість. Можна з упевненістю сказати, що більшість людей це роблять, але оскільки вони проводять оцінку повторюваності та відтворюваності вимірювального обладнання на всьому своєму випробувальному обладнанні, вони добре усвідомлюють обмеження цього випробування. Більшість використовують оцінку твердості труб як частину виробничого процесу, але вони не використовують її для кількісної оцінки властивостей труб. Це лише випробування на проходження/не проходження випробувань.
Навіщо вам потрібно знати про MYS, UTS та мінімальне видовження? Вони вказують на те, як труба поводитиметься під час складання.
MYS – це мінімальна сила, яка викликає залишкову деформацію матеріалу. Якщо ви спробуєте злегка зігнути прямий дріт (наприклад, вішалку для одягу) та послабити тиск, станеться одне з двох: він повернеться до свого початкового стану (прямий), або залишиться зігнутим. Якщо він все ще прямий, ви не подолали MYS. Якщо він все ще зігнутий, ви перевищили допустиму межу.
Тепер за допомогою плоскогубців затисніть обидва кінці дроту. Якщо ви можете розірвати дріт на дві частини, ви перевищили його UTS. Ви доклали до нього великого натягу, і у вас є два дроти, щоб продемонструвати свої надлюдські зусилля. Якщо початкова довжина дроту становить 5 дюймів, а дві довжини після розриву складають 6 дюймів, дріт розтягується на 1 дюйм, або на 20%. Фактичне випробування на подовження вимірюється в межах 2 дюймів від точки розриву, але як би там не було – концепція натягувального дроту ілюструє UTS.
Зразки сталевих мікрофотографій необхідно розрізати, відполірувати та протравити за допомогою слабокислого розчину (зазвичай азотної кислоти та спирту (нітроетанолу)), щоб зробити зерна видимими. Для огляду сталевих зерен та визначення їх розміру зазвичай використовується 100-кратне збільшення.
Твердість – це тест на те, як матеріал реагує на удар. Уявіть, що ви поміщаєте короткий шматок труби в лещата із зубчастими губками та повертаєте їх, щоб закрити. Окрім сплющення трубки, губки лещат також залишають заглиблення на поверхні трубки.
Ось так працює випробування на твердість, але воно не таке вже й грубе. Це випробування має контрольований розмір удару та контрольований тиск. Ці сили деформують поверхню, створюючи вм'ятину або заглиблення. Розмір або глибина вм'ятини визначає твердість металу.
Для оцінки сталі поширеними методами випробування твердості є Брінелль, Віккерс та Роквелл. Кожен метод має свою власну шкалу, а деякі мають кілька методів випробування, таких як Роквелл A, B та C. Для сталевих труб специфікація ASTM A513 посилається на випробування Роквелла B (скорочено HRB або RB). Випробування Роквелла B вимірює різницю в проникненні сталі сталевою кулькою діаметром 1⁄16 дюйма між малим попереднім навантаженням та первинним навантаженням 100 кгс. Типовим результатом для стандартної низьковуглецевої сталі є HRB 60.
Вчені-матеріалознавці знають, що твердість лінійно пов'язана з UTS (твердістю на квадратний дюйм). Тому задана твердість може передбачити UTS. Аналогічно, виробники труб знають, що MYS та UTS пов'язані. Для зварних труб MYS зазвичай становить від 70% до 85% від UTS. Точна величина залежить від процесу виготовлення труби. Твердість HRB 60 корелює з UTS 60 000 фунтів на квадратний дюйм (PSI) та MYS 80%, або 48 000 PSI.
Найпоширенішою специфікацією труб у загальному виробництві є максимальна твердість. Окрім розміру, інженер мав на меті визначити зварну трубу, зварену методом електроконтактного зварювання (ERW), у межах робочого діапазону, що може призвести до максимальної твердості, можливо, HRB 60, яка знайде своє місце на кресленні компонента. Саме це рішення призводить до низки кінцевих механічних властивостей, включаючи саму твердість.
По-перше, твердість HRB 60 нам мало що говорить. Показник HRB 60 – це безрозмірне число. Матеріал, оцінений за допомогою HRB 59, м'якший за матеріал, випробуваний за допомогою HRB 60, а HRB 61 твердіший за HRB 60, але наскільки? Його не можна кількісно визначити, як об'єм (вимірюється в децибелах), крутний момент (вимірюється в фунт-футах), швидкість (вимірюється відносно відстані до часу) або UTS (вимірюється у фунтах на квадратний дюйм). Показник HRB 60 не говорить нам нічого конкретного. Це властивість матеріалу, але не фізична властивість. По-друге, випробування на твердість не підходить для повторюваності або відтворюваності. Оцінка двох місць на випробувальному зразку, навіть якщо місця випробування знаходяться близько одне до одного, часто призводить до великої різниці в показниках твердості. Цю проблему ускладнює природа випробування. Після вимірювання положення його не можна виміряти вдруге для перевірки результатів. Повторюваність випробування неможлива.
Це не означає, що випробування на твердість є незручним. Насправді, воно є гарним орієнтиром для UTS матеріалу, і це швидкий і простий у виконанні тест. Однак кожен, хто бере участь у визначенні, закупівлі та виробництві труб, повинен знати про його обмеження як параметра випробування.
Оскільки поняття «звичайна» труба не є чітко визначеним, за потреби виробники труб часто звужують його до двох найпоширеніших сталевих труб та типів труб, визначених у стандарті ASTM A513: 1008 та 1010. Навіть після виключення всіх інших типів труб, можливості щодо механічних властивостей цих двох типів труб залишаються широкими. Фактично, ці типи труб мають найширший діапазон механічних властивостей серед усіх типів.
Наприклад, труба називається м'якою, якщо MYS (міцність на стиснення) низький, а видовження високе, що означає, що вона краще демонструє розтяг, прогин та деформацію, ніж труба, яку називають твердою, і яка має відносно високий MYS та відносно низьке видовження. Це схоже на різницю між м'яким і твердим дротом, таким як вішалки для одягу та свердла.
Подовження саме по собі є ще одним фактором, який має значний вплив на критичні застосування труб. Труби з високим подовженням можуть витримувати розтягувальні зусилля; матеріали з низьким подовженням є більш крихкими і тому більш схильними до катастрофічних руйнувань типу втоми. Однак подовження не пов'язане безпосередньо з UTS, яка є єдиною механічною властивістю, безпосередньо пов'язаною з твердістю.
Чому механічні властивості труб так сильно відрізняються? По-перше, хімічний склад різниться. Сталь - це твердий розчин заліза, вуглецю та інших важливих сплавів. Для спрощення ми тут розглянемо лише відсотки вуглецю. Атоми вуглецю замінюють деякі атоми заліза, утворюючи кристалічну структуру сталі. ASTM 1008 - це універсальний основний сорт із вмістом вуглецю від 0% до 0,10%. Нуль - це дуже особливе число, яке забезпечує унікальні властивості, коли вміст вуглецю в сталі надзвичайно низький. ASTM 1010 визначає вміст вуглецю від 0,08% до 0,13%. Ці відмінності не здаються величезними, але вони достатньо великі, щоб мати велике значення в інших місцях.
По-друге, сталеві труби можуть бути виготовлені або виготовлені, а потім оброблені в семи різних виробничих процесах. ASTM A513, що стосується виробництва труб ERW, перелічує сім типів:
Якщо хімічний склад сталі та етапи виробництва труб не впливають на твердість сталі, то що ж тоді впливає? Відповідь на це питання означає ретельне вивчення деталей. Це питання породжує ще два питання: які деталі і наскільки точно?
Деталі про зерна, з яких складається сталь, є першою відповіддю. Коли сталь виготовляється на сталеливарному заводі, вона не охолоджується до величезного блоку з однією особливістю. У міру охолодження молекули сталі організовуються в повторювані візерунки (кристали), подібно до того, як утворюються сніжинки. Після утворення кристалів вони об'єднуються в групи, які називаються зернами. У міру охолодження зерна ростуть і формуються по всьому листу або плиті. Зерна припиняють рости, оскільки останні молекули сталі поглинаються зернами. Все це відбувається на мікроскопічному рівні, оскільки середній розмір сталевого зерна становить близько 64 мкм або 0,0025 дюйма завширшки. Хоча кожне зерно схоже на наступне, вони не однакові. Вони дещо відрізняються за розміром, орієнтацією та вмістом вуглецю. Інтерфейс між зернами називається межею зерен. Коли сталь руйнується, наприклад, через тріщини від втоми, вона має тенденцію руйнуватися вздовж меж зерен.
Як далеко потрібно дивитися, щоб побачити помітні зерна? Достатньо 100-кратного збільшення або 100-кратного людського зору. Однак, просто розглядаючи необроблену сталь при 100-кратному збільшенні, ви не побачите багато чого. Зразок готують шляхом полірування зразка та травлення поверхні кислотою (зазвичай азотною кислотою та спиртом), яка називається нітроетанольним травильним агентом.
Саме зерна та їхня внутрішня решітка визначають ударну в'язкість, міцність на стиснення (MYS), міцність на розтяг (UTS) та видовження, які сталь може витримувати до руйнування.
Етапи виробництва сталі, такі як гаряче та холодне прокатка смуги, створюють напругу в структурі зерен; якщо вони постійно змінюють форму, це означає, що напруга деформує зерно. Інші етапи обробки, такі як змотування сталі в рулони, розмотування та деформація сталевих зерен за допомогою трубчастого стану (для формування та визначення розміру труби). Холодне витягування труби на оправці також створює тиск на матеріал, як і такі етапи виробництва, як формування торців та гнуття. Зміни в структурі зерен називаються дислокаціями.
Вищезазначені кроки знижують пластичність сталі, яка полягає в її здатності витримувати розтягувальні (розтягувальні) напруги. Сталь стає крихкою, а це означає, що вона більш схильна до руйнування, якщо ви продовжуєте з нею працювати. Подовження є одним із компонентів пластичності (стисливість – іншим). Важливо розуміти, що руйнування найчастіше відбувається під час розтягувальних напруг, а не стискання. Сталь дуже стійка до розтягувальних напруг завдяки своїй відносно високій здатності до подовження. Однак сталь легко деформується під стискальними напругами – вона пластична – що є перевагою.
Бетон має високу міцність на стиск, але низьку пластичність порівняно з бетоном. Ці властивості протилежні властивостям сталі. Ось чому бетон, який використовується для доріг, будівель та тротуарів, часто оснащується арматурою. В результаті виходить продукт, що поєднує міцність двох матеріалів: під розтягом сталь міцна, а під тиском – бетон.
Під час холодної обробки, зі зменшенням пластичності сталі, її твердість збільшується. Іншими словами, вона гартується. Залежно від ситуації, це може бути перевагою; однак, це може бути недоліком, оскільки твердість ототожнюється з крихкістю. Тобто, коли сталь стає твердішою, вона стає менш еластичною; отже, вона має більшу ймовірність руйнування.
Іншими словами, кожен етап процесу споживає частину пластичності труби. Вона стає твердішою під час роботи деталі, а якщо вона занадто тверда, то вона фактично марна. Твердість – це крихкість, а крихка труба, ймовірно, зламається під час використання.
Чи має виробник якісь варіанти в цьому випадку? Коротше кажучи, так. Цей варіант — відпал, і хоча він не зовсім магічний, він максимально наближений до магії.
Простими словами, відпал усуває всі наслідки фізичного напруження на металі. Цей процес нагріває метал до температури зняття напруги або рекристалізації, тим самим усуваючи дислокації. Залежно від конкретної температури та часу, що використовуються в процесі відпалу, процес таким чином відновлює частину або всю його пластичність.
Відпал і контрольоване охолодження сприяють росту зерен. Це корисно, якщо метою є зменшення крихкості матеріалу, але неконтрольоване зростання зерен може занадто пом'якшити метал, зробивши його непридатним для використання за призначенням. Зупинка процесу відпалу – ще одна майже магічна річ. Гартування при правильній температурі з правильним гартуючим агентом у правильний час швидко зупиняє процес, щоб сталь набула відновлювальних властивостей.
Чи варто нам відмовитися від специфікації твердості? Ні. Характеристики твердості цінні, перш за все, як орієнтир при визначенні сталевих труб. Твердість, як корисний показник, є однією з кількох характеристик, які слід вказувати під час замовлення трубного матеріалу та перевіряти при отриманні (і слід записувати з кожною відправкою). Коли контроль твердості є стандартом контролю, він повинен мати відповідні значення шкали та діапазони контролю.
Однак, це не справжній тест для кваліфікації (прийняття або відхилення) матеріалу. Окрім твердості, виробники повинні час від часу перевіряти партії, щоб визначити інші відповідні властивості, такі як твердість при міцності на стиснення (MYS), твердість при стисканні (UTS) або мінімальне видовження, залежно від застосування труби.
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.
Журнал «Tube & Pipe Journal» став першим журналом, присвяченим обслуговуванню галузі металевих труб, у 1990 році. Сьогодні він залишається єдиним виданням у Північній Америці, присвяченим цій галузі, і став найнадійнішим джерелом інформації для фахівців з трубопроводів.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The FABRICATOR, легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Цифрове видання журналу «The Tube & Pipe Journal» тепер повністю доступне, забезпечуючи легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Насолоджуйтесь повним доступом до цифрового видання журналу STAMPING, який містить найновіші технологічні досягнення, передовий досвід та новини галузі для ринку штампування металу.
Скористайтеся повним доступом до цифрового видання The Additive Report, щоб дізнатися, як адитивне виробництво можна використовувати для підвищення операційної ефективності та збільшення прибутку.
Тепер із повним доступом до цифрового видання The Fabricator en Español, легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.