Различни протоколи за изпитване (Бринел, Рокуел, Викерс) имат процедури, специфични за тествания проект. Т-тестът на Рокуел е подходящ за проверка на тънкостенни тръби чрез разрязване на тръбата по дължина и изпитване на стената от вътрешния диаметър, а не от външния диаметър.
Поръчката на тръба е малко като да отидете в автокъща и да поръчате кола или камион. Днес многото налични опции позволяват на купувачите да персонализират автомобила си по различни начини - интериорни и екстериорни цветове, пакети за интериорно облицоване, опции за външен стил, избор на задвижване и аудио система, която почти съперничи на система за домашно забавление. Като се имат предвид всички тези опции, може да не сте доволни от стандартен автомобил без излишни екстри.
Стоманените тръби са точно това. Има хиляди опции или спецификации. В допълнение към размерите, спецификацията изброява химични и няколко механични свойства, като минимална граница на провлачване (MYS), максимална якост на опън (UTS) и минимално удължение преди разрушаване. Въпреки това, много хора в индустрията – инженери, търговски агенти и производители – използват приети в индустрията съкращения, които изискват използването на „нормална“ заварена тръба и посочват само една характеристика: твърдост.
Опитайте да поръчате кола по една-единствена характеристика („Имам нужда от кола с автоматична скоростна кутия“) и няма да стигнете далеч с продавача. Той трябва да попълни формуляр за поръчка с много опции. Тръбата е точно това – за да получи правилната тръба за приложението, производителят на тръби се нуждае от повече информация от просто твърдост.
Как твърдостта се превръща в признат заместител на други механични свойства? Вероятно е започнало с производител на тръби. Тъй като изпитването на твърдост е бързо, лесно и изисква сравнително евтино оборудване, търговците на тръби често използват изпитване на твърдост, за да сравнят две тръби. За да извършат изпитване на твърдост, всичко, от което се нуждаят, е гладка тръба и тестова стойка.
Твърдостта на тръбата корелира добре с UTS и като правило, процентите или процентните диапазони са полезни при оценката на MYS, така че е лесно да се види как изпитването на твърдост може да бъде подходящ заместител на други свойства.
Също така, други тестове са сравнително сложни. Докато изпитването на твърдост отнема само около минута на една машина, изпитването на MYS, UTS и удължение изисква подготовка на пробата и значителни инвестиции в голямо лабораторно оборудване. За сравнение, на оператор на тръбна мелница са необходими секунди, за да извърши изпитване на твърдост, и часове, за професионален металургичен техник, за да извърши изпитване на опън. Не е трудно да се извърши проверка на твърдостта.
Това не означава, че производителите на инженерни тръби не използват изпитвания за твърдост. Може да се каже, че повечето хора го правят, но тъй като правят оценки на повторяемостта и възпроизводимостта на измервателното оборудване, те са добре запознати с ограниченията на изпитването. Повечето използват оценката на твърдостта на тръбите като част от производствения процес, но не я използват за количествено определяне на свойствата на тръбите. Това е просто тест за преминаване/неминаване на тестове.
Защо е необходимо да знаете за MYS, UTS и минималното удължение? Те показват как ще се държи тръбата при сглобяване.
MYS е минималната сила, която причинява трайна деформация на материала. Ако се опитате леко да огънете права тел (като закачалка за дрехи) и да освободите налягането, ще се случи едно от две неща: тя ще се върне в първоначалното си състояние (права) или ще остане огъната. Ако все още е права, не сте преминали MYS. Ако все още е огъната, сте я превишили.
Сега използвайте клещи, за да затегнете двата края на жицата. Ако можете да разкъсате жицата на две парчета, значи сте превишили нейната UTS (неиздръжлива граница на опъване). Прилагате голямо напрежение върху нея и имате две жици, за да покажете свръхчовешкото си усилие. Ако първоначалната дължина на жицата е 5 инча (12,7 см), а двете дължини след разкъсване се сумират до 6 инча (15,2 см), жицата е разтегната с 1 инч (2,5 см) или 20%. Действителният тест за удължение се измерва в рамките на 2 инча (5 см) от точката на разкъсване, но както и да е - концепцията за опъната жица илюстрира UTS.
Пробите от стоманени фотомикрографии трябва да бъдат изрязани, полирани и ецвани с помощта на леко киселинен разтвор (обикновено азотна киселина и алкохол (нитроетанол)), за да се видят зърната. 100-кратно увеличение обикновено се използва за проверка на стоманените зърна и определяне на размера на зърната.
Твърдостта е тест за това как материалът реагира на удар. Представете си, че поставяте късо парче тръба в менгеме с назъбени челюсти и завъртате менгемето, за да го затворите. В допълнение към сплескването на тръбата, челюстите на менгемето оставят и вдлъбнатини по повърхността ѝ.
Ето как работи тестът за твърдост, но не е толкова груб. Този тест има контролиран размер на удара и контролирано налягане. Тези сили деформират повърхността, създавайки вдлъбнатина или деформация. Размерът или дълбочината на вдлъбнатината определя твърдостта на метала.
За оценка на стомана, често срещаните тестове за твърдост са Brinell, Vickers и Rockwell. Всеки има своя собствена скала, а някои имат множество методи за изпитване, като Rockwell A, B и C. За стоманени тръби, ASTM Specification A513 се позовава на теста Rockwell B (съкратено HRB или RB). Тестът Rockwell B измерва разликата в проникването на стомана от стоманена топка с диаметър 1⁄16 инча между малко предварително натоварване и първично натоварване от 100 kgf. Типичен резултат за стандартна мека стомана е HRB ​​60.
Материалознанието знае, че твърдостта е линейно свързана с UTS (твърдост на твърдостта). Следователно, дадена твърдост може да предскаже UTS. По същия начин, производителите на тръби знаят, че MYS и UTS са свързани. За заварени тръби MYS обикновено е от 70% до 85% от UTS. Точното количество зависи от процеса на производство на тръбата. Твърдостта на HRB 60 корелира с UTS от 60 000 паунда на квадратен инч (PSI) и MYS от 80% или 48 000 PSI.
Най-често срещаната спецификация за тръби в общото производство е максималната твърдост. В допълнение към размера, инженерът е бил загрижен за определянето на заварена електросъпротивително заварена (ERW) тръба в рамките на добър работен диапазон, което би могло да доведе до максимална твърдост от евентуално HRB 60, която да се намери на чертежа на компонента. Само това решение води до редица крайни механични свойства, включително самата твърдост.
Първо, твърдостта на HRB 60 не ни казва много. Отчитането HRB 60 е безразмерно число. Материалът, оценен с HRB 59, е по-мек от материала, тестван с HRB 60, а HRB 61 е по-твърд от HRB 60, но с колко? Не може да се определи количествено като обем (измерен в децибели), въртящ момент (измерен в паунд-фут), скорост (измерена в разстояние спрямо времето) или UTS (измерена в паундове на квадратен инч). Отчитането на HRB 60 не ни казва нищо конкретно. Това е свойство на материала, но не е физическо свойство. Второ, изпитването на твърдост не е подходящо за повторяемост или възпроизводимост. Оценяването на две места върху тестов образец, дори ако тестовите места са близо едно до друго, често води до голяма вариация в показанията на твърдостта. Този проблем се усложнява от естеството на изпитването. След като дадено положение е измерено, то не може да бъде измерено втори път, за да се проверят резултатите. Повторяемостта на изпитването не е възможна.
Това не означава, че изпитването на твърдост е неудобно. Всъщност, то предоставя добро ръководство за UTS на материала и е бърз и лесен за изпълнение тест. Всеки, който участва в определянето, закупуването и производството на тръби, обаче трябва да е наясно с ограниченията му като параметър за изпитване.
Тъй като „нормалната“ тръба не е добре дефинирана, когато е необходимо, производителите на тръби често я стесняват до двата най-често използвани стоманени тръби и типа тръби, дефинирани в ASTM A513: 1008 и 1010. Дори след елиминиране на всички други видове тръби, възможностите по отношение на механичните свойства на тези два вида тръби са широко отворени. Всъщност тези видове тръби имат най-широкия диапазон от механични свойства от всички видове.
Например, една тръба се описва като мека, ако якостта на опън (MYS) е ниска, а удължението е високо, което означава, че тя се представя по-добре на опън, огъване и фиксиране, отколкото тръба, описана като твърда, която има относително висока якост на опън (MYS) и относително ниско удължение. Това е подобно на разликата между мека и твърда тел, като например закачалки за дрехи и бормашини.
Самото удължение е друг фактор, който има значително влияние върху критичните приложения на тръбите. Тръбите с високо удължение могат да издържат на опън; материалите с ниско удължение са по-крехки и следователно по-склонни към катастрофални повреди от типа умора. Удължението обаче не е пряко свързано с UTS, което е единственото механично свойство, пряко свързано с твърдостта.
Защо механичните свойства на тръбите варират толкова много? Първо, химичният състав е различен. Стоманата е твърд разтвор на желязо и въглерод и други важни сплави. За простота тук ще разгледаме само процентите на въглерод. Въглеродните атоми заместват някои от железните атоми, образувайки кристалната структура на стоманата. ASTM 1008 е всеобхватен първичен клас със съдържание на въглерод от 0% до 0,10%. Нулата е много специално число, което създава уникални свойства, когато съдържанието на въглерод в стоманата е ултра ниско. ASTM 1010 определя съдържание на въглерод между 0,08% и 0,13%. Тези разлики не изглеждат огромни, но са достатъчно големи, за да направят голяма разлика другаде.
Второ, стоманената тръба може да бъде изработена или изработена и впоследствие обработена в седем различни производствени процеса. ASTM A513, свързан с производството на ERW тръби, изброява седем вида:
Ако химичният състав на стоманата и етапите на производство на тръбите нямат влияние върху твърдостта на стоманата, какво тогава е? Отговорът на този въпрос означава да се вгледаме в детайлите. Този въпрос повдига още два въпроса: Какви детайли и колко точно?
Подробности за зърната, които изграждат стоманата, са първият отговор. Когато стоманата се произвежда в стоманодобивен завод, тя не се охлажда в огромен блок с една-единствена характеристика. С охлаждането на стоманата молекулите ѝ се организират в повтарящи се модели (кристали), подобно на това как се образуват снежинките. След като кристалите се образуват, те се агрегират в групи, наречени зърна. С напредването на охлаждането зърната растат и се образуват в целия лист или плоча. Зърната спират да растат, тъй като последните молекули стомана се абсорбират от зърната. Всичко това се случва на микроскопично ниво, защото средният размер на стоманеното зърно е около 64 µ или 0,0025 инча широк. Въпреки че всяко зърно е подобно на следващото, те не са еднакви. Те се различават леко по размер, ориентация и съдържание на въглерод. Интерфейсът между зърната се нарича граница на зърната. Когато стоманата се разруши, например поради пукнатини от умора, тя е склонна да се разруши по границите на зърната.
Колко далеч трябва да се гледа, за да се видят различими зърна? 100-кратно увеличение или 100-кратно увеличение на човешкото зрение е достатъчно. Самото гледане на необработена стомана при 100 пъти увеличение обаче не разкрива много. Пробата се приготвя чрез полиране на пробата и ецване на повърхността с киселина (обикновено азотна киселина и алкохол), наречена нитроетанолов ецващ агент.
Именно зърната и тяхната вътрешна решетка определят ударната якост, якостта на прецизност при въртене (MYS), якостта на прецизност при въртене (UTS) и удължението, които стоманата може да издържи преди разрушаване.
Етапите на производство на стомана, като например горещо и студено валцуване на лента, прилагат напрежение върху структурата на зърната; ако те променят трайно формата си, това означава, че напрежението деформира зърното. Други стъпки на обработка, като например навиване на стоманата на рула, развиване и деформиране на стоманените зърна чрез тръбна мелница (за оформяне и определяне на размера на тръбата). Студеното изтегляне на тръбата върху дорника също оказва натиск върху материала, както и производствените стъпки, като например формоване на краищата и огъване. Промените в структурата на зърната се наричат ​​дислокации.
Горните стъпки намаляват пластичността на стоманата, която е способността ѝ да издържа на опън (отваряне при издърпване). Стоманата става крехка, което означава, че е по-вероятно да се счупи, ако продължите да работите върху нея. Удължението е един от компонентите на пластичността (свиваемостта е друг). Важно е да се разбере, че разрушаването най-често се случва по време на опън, а не на натиск. Стоманата е много устойчива на опън поради относително високия си капацитет на удължение. Стоманата обаче се деформира лесно под натиск – тя е пластична – което е предимство.
Бетонът има висока якост на натиск, но ниска пластичност в сравнение с бетона. Тези свойства са противоположни на тези на стоманата. Ето защо бетонът, използван за пътища, сгради и тротоари, често се снабдява с арматурно желязо. Резултатът е продукт със здравината на два материала: под опън стоманата е здрава, а под налягане - бетонът.
По време на студена обработка, с намаляването на пластичността на стоманата, нейната твърдост се увеличава. С други думи, тя ще се втвърди. В зависимост от ситуацията, това може да е предимство; може обаче да е недостатък, тъй като твърдостта се приравнява на крехкост. Тоест, с втвърдяването на стоманата, тя става по-малко еластична; следователно е по-вероятно да се повреди.
С други думи, всяка стъпка от процеса изразходва част от пластичността на тръбата. Тя става по-твърда с времето, а ако е твърде твърда, е практически безполезна. Твърдостта е крехкост, а крехката тръба е вероятно да се счупи при употреба.
Има ли производителят някакви опции в този случай? Накратко, да. Тази опция е отгряване и макар че не е съвсем магическо, е възможно най-близко до магия.
Казано по-просто, отгряването премахва всички ефекти на физическото напрежение върху метала. Този процес нагрява метала до температура за облекчаване на напрежението или рекристализация, като по този начин елиминира дислокациите. В зависимост от конкретната температура и време, използвани в процеса на отгряване, процесът възстановява частично или изцяло неговата пластичност.
Отгряването и контролираното охлаждане насърчават растежа на зърната. Това е полезно, ако целта е да се намали крехкостта на материала, но неконтролираният растеж на зърната може да омекоти метала твърде много, което го прави негоден за предназначението му. Спирането на процеса на отгряване е друго почти магическо нещо. Закаляването при правилната температура с правилния закалящ агент в точното време довежда процеса до бързо спиране, за да се получат свойствата на стоманата за възстановяване.
Трябва ли да премахнем спецификацията за твърдост? Не. Характеристиките на твърдостта са ценни предимно като отправна точка при определяне на стоманени тръби. Твърдостта е полезна мярка, една от няколкото характеристики, които трябва да бъдат посочени при поръчка на тръбен материал и проверени при получаване (и трябва да бъдат записани с всяка пратка). Когато проверката на твърдостта е стандарт за проверка, тя трябва да има подходящи стойности на скалата и контролни диапазони.
Това обаче не е истински тест за квалифициране (приемане или отхвърляне) на материал. В допълнение към твърдостта, производителите трябва периодично да тестват пратките, за да определят други съответни свойства, като например MYS, UTS или минимално удължение, в зависимост от приложението на тръбата.
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 стана първото списание, посветено на индустрията за метални тръби през 1990 г. Днес то остава единственото издание в Северна Америка, посветено на индустрията, и се превърна в най-доверен източник на информация за специалистите по тръби.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The FABRICATOR, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Дигиталното издание на The Tube & Pipe Journal вече е напълно достъпно, осигурявайки лесен достъп до ценни индустриални ресурси.
Възползвайте се от пълен достъп до дигиталното издание на STAMPING Journal, което предоставя най-новите технологични постижения, най-добри практики и новини от индустрията за пазара на щамповане на метал.
Възползвайте се от пълен достъп до дигиталното издание на The Additive Report, за да научите как адитивно производство може да се използва за подобряване на оперативната ефективност и увеличаване на печалбите.
Сега с пълен достъп до дигиталното издание на The Fabricator en Español, лесен достъп до ценни индустриални ресурси.