Nhiều giao thức thử nghiệm khác nhau (Brinell, Rockwell, Vickers) có các quy trình cụ thể cho từng dự án đang thử nghiệm. Thử nghiệm Rockwell T phù hợp để kiểm tra các ống thành mỏng bằng cách cắt ống theo chiều dọc và thử nghiệm thành ống từ đường kính bên trong thay vì đường kính bên ngoài.
Đặt mua ống cũng giống như đến đại lý ô tô và đặt mua một chiếc ô tô hoặc xe tải. Ngày nay, nhiều tùy chọn có sẵn cho phép người mua tùy chỉnh xe theo nhiều cách khác nhau — màu sắc nội thất và ngoại thất, gói trang trí nội thất, tùy chọn kiểu dáng ngoại thất, lựa chọn hệ thống truyền động và hệ thống âm thanh gần như sánh ngang với hệ thống giải trí tại nhà. Với tất cả các tùy chọn này, bạn có thể không hài lòng với một chiếc xe tiêu chuẩn, không có tiện nghi.
Ống thép chỉ là như vậy. Nó có hàng ngàn tùy chọn hoặc thông số kỹ thuật. Ngoài kích thước, thông số kỹ thuật liệt kê các đặc tính hóa học và một số đặc tính cơ học như giới hạn chảy tối thiểu (MYS), giới hạn bền kéo cực đại (UTS) và độ giãn dài tối thiểu trước khi hỏng. Tuy nhiên, nhiều người trong ngành—kỹ sư, đại lý mua hàng và nhà sản xuất—sử dụng các thuật ngữ viết tắt được chấp nhận trong ngành, yêu cầu sử dụng ống hàn “thông thường” và chỉ nêu một đặc điểm: độ cứng.
Hãy thử đặt mua một chiếc ô tô chỉ dựa trên một đặc điểm duy nhất (“Tôi cần một chiếc ô tô có hộp số tự động”) và bạn sẽ không thể tiến xa với một nhân viên bán hàng. Anh ta phải điền vào một mẫu đơn đặt hàng với nhiều lựa chọn. Ống cũng vậy – để có được ống phù hợp cho ứng dụng, nhà sản xuất ống cần nhiều thông tin hơn là chỉ độ cứng.
Độ cứng trở thành một sự thay thế được công nhận cho các tính chất cơ học khác như thế nào? Có lẽ nó bắt đầu với một nhà sản xuất ống. Vì thử nghiệm độ cứng nhanh chóng, dễ dàng và đòi hỏi thiết bị tương đối rẻ tiền nên những người bán ống thường sử dụng thử nghiệm độ cứng để so sánh hai ống. Để thực hiện thử nghiệm độ cứng, tất cả những gì họ cần là một đoạn ống nhẵn và một giá thử.
Độ cứng của ống có mối tương quan tốt với UTS và theo nguyên tắc chung, phần trăm hoặc phạm vi phần trăm rất hữu ích trong việc ước tính MYS, do đó, có thể dễ dàng thấy rằng thử nghiệm độ cứng có thể là phương pháp thay thế phù hợp cho các đặc tính khác.
Ngoài ra, các thử nghiệm khác tương đối phức tạp. Trong khi thử nghiệm độ cứng chỉ mất khoảng một phút trên một máy duy nhất, thì thử nghiệm MYS, UTS và thử nghiệm độ giãn dài đòi hỏi phải chuẩn bị mẫu và đầu tư đáng kể vào thiết bị phòng thí nghiệm lớn. Để so sánh, chỉ mất vài giây để người vận hành máy nghiền ống thực hiện thử nghiệm độ cứng và mất nhiều giờ để một kỹ thuật viên luyện kim chuyên nghiệp thực hiện thử nghiệm kéo. Không khó để thực hiện kiểm tra độ cứng.
Điều này không có nghĩa là các nhà sản xuất ống kỹ thuật không sử dụng thử nghiệm độ cứng. Có thể khẳng định rằng hầu hết mọi người đều sử dụng, nhưng vì họ thực hiện đánh giá khả năng lặp lại và khả năng tái tạo trên tất cả các thiết bị thử nghiệm của mình nên họ nhận thức rõ về những hạn chế của thử nghiệm. Hầu hết sử dụng việc đánh giá độ cứng của ống như một phần của quy trình sản xuất, nhưng họ không sử dụng nó để định lượng các đặc tính của ống. Đây chỉ là một thử nghiệm đạt/không đạt.
Tại sao bạn cần biết về MYS, UTS và độ giãn dài tối thiểu?Chúng chỉ ra ống sẽ hoạt động như thế nào khi lắp ráp.
MYS là lực tối thiểu gây ra biến dạng vĩnh viễn của vật liệu. Nếu bạn cố uốn cong một sợi dây thẳng (như móc áo) một chút và thả lỏng áp lực, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: nó sẽ bật trở lại trạng thái ban đầu (thẳng) hoặc nó sẽ vẫn cong. Nếu nó vẫn thẳng, bạn chưa vượt qua MYS. Nếu nó vẫn cong, bạn đã vượt quá nó.
Bây giờ, sử dụng kìm để kẹp chặt cả hai đầu dây. Nếu bạn có thể xé dây thành hai đoạn, bạn đã vượt qua UTS của nó. Bạn tác dụng rất nhiều lực căng vào nó và bạn có hai sợi dây để thể hiện nỗ lực siêu phàm của mình. Nếu chiều dài ban đầu của dây là 5 inch và hai chiều dài sau khi đứt cộng lại bằng 6 inch, thì dây bị kéo giãn thêm 1 inch hoặc 20%. Thử nghiệm độ giãn dài thực tế được đo trong phạm vi 2 inch tính từ điểm đứt, nhưng dù sao đi nữa - khái niệm dây kéo minh họa cho UTS.
Các mẫu ảnh chụp bằng kính hiển vi thép cần được cắt, đánh bóng và khắc bằng dung dịch có tính axit nhẹ (thường là axit nitric và cồn (nitroethanol)) để làm cho các hạt có thể nhìn thấy được. Độ phóng đại 100 lần thường được sử dụng để kiểm tra các hạt thép và xác định kích thước hạt.
Độ cứng là một bài kiểm tra về cách vật liệu phản ứng với tác động. Hãy tưởng tượng việc đặt một đoạn ống ngắn vào một cái ê tô có hàm răng cưa và vặn ê tô lại để đóng lại. Ngoài việc làm phẳng ống, hàm của ê tô còn để lại các vết lõm trên bề mặt ống.
Đó là cách thử nghiệm độ cứng diễn ra, nhưng không quá khó. Thử nghiệm này có kích thước va chạm và áp suất được kiểm soát. Các lực này làm biến dạng bề mặt, tạo ra vết lõm hoặc vết lõm. Kích thước hoặc độ sâu của vết lõm quyết định độ cứng của kim loại.
Để đánh giá thép, các thử nghiệm độ cứng phổ biến là Brinell, Vickers và Rockwell. Mỗi thử nghiệm có thang đo riêng và một số thử nghiệm có nhiều phương pháp thử nghiệm, chẳng hạn như Rockwell A, B và C. Đối với ống thép, Tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM A513 tham chiếu đến thử nghiệm Rockwell B (viết tắt là HRB hoặc RB). Thử nghiệm Rockwell B đo sự khác biệt về độ xuyên thấu của thép do một viên bi thép có đường kính 1⁄16 inch tạo ra giữa tải trọng trước nhỏ và tải trọng chính là 100 kgf. Kết quả điển hình đối với thép mềm tiêu chuẩn là HRB 60.
Các nhà khoa học vật liệu biết rằng độ cứng có liên quan tuyến tính với UTS. Do đó, một độ cứng nhất định có thể dự đoán UTS. Tương tự như vậy, các nhà sản xuất ống biết rằng MYS và UTS có liên quan. Đối với ống hàn, MYS thường bằng 70% đến 85% UTS. Lượng chính xác phụ thuộc vào quy trình sản xuất ống. Độ cứng của HRB 60 tương quan với UTS là 60.000 pound trên inch vuông (PSI) và MYS là 80% hoặc 48.000 PSI.
Thông số kỹ thuật ống phổ biến nhất trong sản xuất nói chung là độ cứng tối đa. Ngoài kích thước, kỹ sư còn quan tâm đến việc chỉ định ống hàn điện trở (ERW) trong phạm vi làm việc tốt, điều này có thể dẫn đến độ cứng tối đa có thể là HRB 60 được ghi trên bản vẽ thành phần. Chỉ riêng quyết định này đã dẫn đến một loạt các tính chất cơ học cuối cùng, bao gồm cả độ cứng.
Đầu tiên, độ cứng của HRB 60 không cho chúng ta biết nhiều điều. Chỉ số HRB 60 là một con số không có đơn vị. Vật liệu được đánh giá bằng HRB 59 mềm hơn vật liệu được thử nghiệm bằng HRB 60 và HRB 61 cứng hơn HRB 60, nhưng cứng hơn bao nhiêu? Không thể định lượng được như thể tích (đo bằng decibel), mô-men xoắn (đo bằng pound-feet), vận tốc (đo bằng khoảng cách so với thời gian) hoặc UTS (đo bằng pound trên inch vuông). Chỉ số HRB 60 không cho chúng ta biết bất cứ điều gì cụ thể. Đây là một đặc tính của vật liệu, nhưng không phải là một đặc tính vật lý. Thứ hai, thử nghiệm độ cứng không phù hợp để lặp lại hoặc tái tạo. Đánh giá hai vị trí trên một mẫu thử, ngay cả khi các vị trí thử nghiệm gần nhau, thường dẫn đến sự thay đổi lớn trong các chỉ số độ cứng. Bản chất của thử nghiệm làm trầm trọng thêm vấn đề này. Sau khi một vị trí đã được đo, không thể đo lại lần thứ hai để xác minh kết quả. Không thể lặp lại thử nghiệm.
Điều này không có nghĩa là thử nghiệm độ cứng là bất tiện. Trên thực tế, nó cung cấp hướng dẫn tốt cho UTS của vật liệu và là một thử nghiệm nhanh chóng và dễ thực hiện. Tuy nhiên, mọi người tham gia vào việc chỉ định, mua và sản xuất ống nên nhận thức được những hạn chế của nó như một thông số thử nghiệm.
Vì ống “thông thường” không được định nghĩa rõ ràng nên khi cần, các nhà sản xuất ống thường thu hẹp lại thành hai loại ống thép và loại ống được sử dụng phổ biến nhất được định nghĩa trong ASTM A513: 1008 và 1010. Ngay cả sau khi loại bỏ tất cả các loại ống khác, khả năng về mặt tính chất cơ học của hai loại ống này vẫn rất rộng mở. Trên thực tế, các loại ống này có phạm vi tính chất cơ học rộng nhất trong bất kỳ loại nào.
Ví dụ, một ống được mô tả là mềm nếu MYS thấp và độ giãn dài cao, điều đó có nghĩa là nó hoạt động tốt hơn về khả năng chịu kéo, độ võng và độ cứng so với một ống được mô tả là cứng, có MYS tương đối cao và độ giãn dài tương đối thấp. Điều này tương tự như sự khác biệt giữa dây mềm và dây cứng, chẳng hạn như móc áo và máy khoan.
Bản thân độ giãn dài cũng là một yếu tố có tác động đáng kể đến các ứng dụng quan trọng của đường ống. Các ống có độ giãn dài cao có thể chịu được lực kéo; vật liệu có độ giãn dài thấp giòn hơn và do đó dễ bị hỏng hóc do mỏi thảm khốc hơn. Tuy nhiên, độ giãn dài không liên quan trực tiếp đến UTS, đây là tính chất cơ học duy nhất liên quan trực tiếp đến độ cứng.
Tại sao tính chất cơ học của các ống lại thay đổi nhiều như vậy? Đầu tiên, thành phần hóa học là khác nhau. Thép là dung dịch rắn của sắt và cacbon và các hợp kim quan trọng khác. Để đơn giản, chúng ta sẽ chỉ đề cập đến phần trăm cacbon ở đây. Các nguyên tử cacbon thay thế một số nguyên tử sắt, tạo thành cấu trúc tinh thể của thép. ASTM 1008 là cấp độ chính bao gồm tất cả với hàm lượng cacbon từ 0% đến 0,10%. Số 0 là một con số rất đặc biệt tạo ra các tính chất độc đáo khi hàm lượng cacbon trong thép cực thấp. ASTM 1010 chỉ định hàm lượng cacbon từ 0,08% đến 0,13%. Những khác biệt này có vẻ không lớn, nhưng chúng đủ lớn để tạo ra sự khác biệt lớn ở những nơi khác.
Thứ hai, ống thép có thể được chế tạo hoặc chế tạo rồi sau đó được xử lý theo bảy quy trình sản xuất khác nhau. ASTM A513 liên quan đến sản xuất ống ERW liệt kê bảy loại:
Nếu thành phần hóa học của thép và các bước sản xuất ống không ảnh hưởng đến độ cứng của thép, vậy thì sao? Trả lời câu hỏi này có nghĩa là phải xem xét kỹ lưỡng các chi tiết. Câu hỏi này đặt ra thêm hai câu hỏi nữa: Chi tiết nào và chi tiết như thế nào?
Chi tiết về các hạt tạo nên thép là câu trả lời đầu tiên. Khi thép được sản xuất tại một nhà máy thép sơ cấp, nó không nguội thành một khối lớn với một đặc điểm duy nhất. Khi thép nguội đi, các phân tử thép sắp xếp theo các mẫu lặp lại (tinh thể), tương tự như cách hình thành bông tuyết. Sau khi các tinh thể được hình thành, chúng tập hợp thành các nhóm được gọi là hạt. Khi quá trình làm mát diễn ra, các hạt phát triển và hình thành trên khắp tấm hoặc tấm. Các hạt ngừng phát triển khi các phân tử thép cuối cùng được các hạt hấp thụ. Tất cả những điều này xảy ra ở cấp độ vi mô vì kích thước trung bình của hạt thép rộng khoảng 64 µ hoặc 0,0025 inch. Mặc dù mỗi hạt giống nhau, nhưng chúng không giống nhau. Chúng thay đổi đôi chút về kích thước, hướng và hàm lượng cacbon. Giao diện giữa các hạt được gọi là ranh giới hạt. Khi thép bị hỏng, ví dụ do vết nứt mỏi, nó có xu hướng hỏng dọc theo ranh giới hạt.
Bạn phải nhìn xa đến mức nào để thấy được các hạt có thể phân biệt được? Độ phóng đại 100 lần hoặc gấp 100 lần thị lực của con người là đủ. Tuy nhiên, chỉ nhìn vào thép chưa qua xử lý ở độ phóng đại gấp 100 lần thì không thấy được nhiều. Mẫu được chuẩn bị bằng cách đánh bóng mẫu và khắc bề mặt bằng axit (thường là axit nitric và cồn) gọi là chất khắc nitroethanol.
Chính các hạt và mạng lưới bên trong của chúng quyết định cường độ va đập, MYS, UTS và độ giãn dài mà thép có thể chịu được trước khi hỏng.
Các bước sản xuất thép, chẳng hạn như cán nóng và cán nguội dải, tạo ra ứng suất vào cấu trúc hạt; nếu chúng thay đổi hình dạng vĩnh viễn, điều này có nghĩa là ứng suất làm biến dạng hạt. Các bước xử lý khác, chẳng hạn như cuộn thép thành cuộn, tháo cuộn và làm biến dạng các hạt thép thông qua máy cán ống (để tạo hình và định cỡ ống). Kéo nguội ống trên trục cũng tạo áp lực lên vật liệu, cũng giống như các bước sản xuất như tạo hình đầu và uốn. Những thay đổi trong cấu trúc hạt được gọi là sự sai lệch.
Các bước trên làm giảm độ dẻo của thép, tức là khả năng chịu ứng suất kéo (kéo mở). Thép trở nên giòn, có nghĩa là thép dễ gãy hơn nếu bạn tiếp tục tác động lên nó. Độ giãn dài là một thành phần của độ dẻo (khả năng nén là một thành phần khác). Điều quan trọng là phải hiểu rằng hỏng hóc thường xảy ra nhất trong quá trình chịu ứng suất kéo, không phải nén. Thép rất bền với ứng suất kéo do khả năng giãn dài tương đối cao. Tuy nhiên, thép dễ bị biến dạng dưới ứng suất nén - thép có tính dẻo - đây là một lợi thế.
Bê tông có cường độ nén cao nhưng độ dẻo thấp so với bê tông. Những tính chất này trái ngược với thép. Đó là lý do tại sao bê tông dùng cho đường bộ, tòa nhà và vỉa hè thường được lắp thêm cốt thép. Kết quả là tạo ra một sản phẩm có độ bền của hai vật liệu: khi chịu kéo, thép bền và khi chịu áp lực, bê tông bền.
Trong quá trình làm việc nguội, độ dẻo của thép giảm đi thì độ cứng của thép tăng lên. Nói cách khác, thép sẽ cứng lại. Tùy thuộc vào tình huống, đây có thể là lợi ích; tuy nhiên, nó cũng có thể là bất lợi vì độ cứng đồng nghĩa với độ giòn. Nghĩa là, khi thép trở nên cứng hơn, nó sẽ kém đàn hồi hơn; do đó, thép dễ bị hỏng hơn.
Nói cách khác, mỗi bước xử lý đều làm giảm một phần độ dẻo của ống. Độ dẻo sẽ tăng lên khi bộ phận này hoạt động và nếu quá cứng thì về cơ bản là vô dụng. Độ cứng là độ giòn và ống giòn có khả năng hỏng khi sử dụng.
Nhà sản xuất có giải pháp nào trong trường hợp này không? Nói tóm lại là có. Giải pháp đó là ủ, và mặc dù không hoàn toàn kỳ diệu nhưng nó gần giống với phép thuật nhất mà bạn có thể có được.
Nói một cách dễ hiểu, quá trình ủ sẽ loại bỏ mọi tác động của ứng suất vật lý lên kim loại. Quá trình này nung nóng kim loại đến nhiệt độ giải phóng ứng suất hoặc nhiệt độ kết tinh lại, do đó loại bỏ hiện tượng sai lệch. Tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian cụ thể được sử dụng trong quá trình ủ, quá trình này sẽ khôi phục một phần hoặc toàn bộ độ dẻo của kim loại.
Ủ và làm mát có kiểm soát thúc đẩy sự phát triển của hạt. Điều này có lợi nếu mục tiêu là giảm độ giòn của vật liệu, nhưng sự phát triển của hạt không kiểm soát có thể làm mềm kim loại quá mức, khiến kim loại không thể sử dụng được theo mục đích dự kiến. Dừng quá trình ủ là một điều gần như kỳ diệu khác. Làm nguội ở nhiệt độ thích hợp với tác nhân làm nguội thích hợp vào đúng thời điểm sẽ nhanh chóng dừng quá trình để thép có được các đặc tính phục hồi.
Chúng ta có nên bỏ thông số kỹ thuật về độ cứng không? Không. Các đặc điểm về độ cứng có giá trị chủ yếu như một điểm tham chiếu khi chỉ định ống thép. Một biện pháp hữu ích, độ cứng là một trong số nhiều đặc điểm cần được chỉ định khi đặt hàng vật liệu ống và được kiểm tra khi nhận hàng (và phải được ghi lại với mỗi lô hàng). Khi kiểm tra độ cứng là tiêu chuẩn kiểm tra, nó phải có các giá trị thang đo và phạm vi kiểm soát thích hợp.
Tuy nhiên, đây không phải là thử nghiệm thực sự để đánh giá (chấp nhận hoặc từ chối) vật liệu. Ngoài độ cứng, nhà sản xuất đôi khi nên thử nghiệm các lô hàng để xác định các đặc tính liên quan khác, chẳng hạn như MYS, UTS hoặc độ giãn dài tối thiểu, tùy thuộc vào ứng dụng của ống.
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 trở thành tạp chí đầu tiên chuyên phục vụ ngành công nghiệp ống kim loại vào năm 1990. Ngày nay, đây vẫn là ấn phẩm duy nhất ở Bắc Mỹ chuyên về ngành này và đã trở thành nguồn thông tin đáng tin cậy nhất cho các chuyên gia về ống.
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị trong ngành.
Phiên bản kỹ thuật số của The Tube & Pipe Journal hiện đã có thể truy cập đầy đủ, giúp bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị trong ngành.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của Tạp chí STAMPING, nơi cung cấp những tiến bộ công nghệ mới nhất, các phương pháp hay nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Additive Report để tìm hiểu cách sử dụng sản xuất bồi đắp để cải thiện hiệu quả hoạt động và tăng lợi nhuận.
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Fabricator en Español, dễ dàng truy cập vào các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.