Različiti protokoli ispitivanja (Brinell, Rockwell, Vickers) imaju postupke specifične za projekat koji se testira. Rockwell T test je pogodan za ispitivanje tankozidnih cijevi rezanjem cijevi po dužini i ispitivanjem zida od unutrašnjeg prečnika, a ne od vanjskog prečnika.
Naručivanje cijevi je pomalo kao odlazak u auto-kuću i naručivanje automobila ili kamiona. Danas, mnoge dostupne opcije omogućavaju kupcima da prilagode vozilo na razne načine - boje unutrašnjosti i eksterijera, paketi unutrašnjih obloga, opcije vanjskog stila, izbor pogonskog sklopa i audio sistem koji gotovo konkurira kućnom zabavnom sistemu. S obzirom na sve ove opcije, možda nećete biti zadovoljni standardnim vozilom bez ikakvih suvišnih dodataka.
Čelične cijevi su upravo to. Ima hiljade opcija ili specifikacija. Pored dimenzija, specifikacija navodi hemijska i nekoliko mehaničkih svojstava kao što su minimalna granica tečenja (MYS), granična zatezna čvrstoća (UTS) i minimalno izduženje prije loma. Međutim, mnogi u industriji - inženjeri, agenti za nabavku i proizvođači - koriste prihvaćene industrijske skraćenice koje zahtijevaju upotrebu "normalnih" zavarenih cijevi i specificiraju samo jednu karakteristiku: tvrdoću.
Pokušajte naručiti automobil na osnovu jedne karakteristike („Treba mi automobil sa automatskim mjenjačem“) i nećete daleko stići sa prodavcem. On mora da popuni narudžbenicu sa mnogo opcija. Cijev je upravo to – da bi dobio pravu cijev za primjenu, proizvođaču cijevi su potrebne više informacija od same tvrdoće.
Kako tvrdoća postaje priznata zamjena za druga mehanička svojstva? Vjerovatno je počelo s proizvođačem cijevi. Budući da je ispitivanje tvrdoće brzo, jednostavno i zahtijeva relativno jeftinu opremu, prodavači cijevi često koriste ispitivanje tvrdoće za usporedbu dvije cijevi. Za izvođenje ispitivanja tvrdoće, sve što im je potrebno je glatki komad cijevi i ispitni stalak.
Tvrdoća cijevi dobro korelira sa UTS-om, i kao opće pravilo, procenti ili rasponi procenta su korisni u procjeni MYS-a, tako da je lako vidjeti kako ispitivanje tvrdoće može biti prikladna zamjena za druga svojstva.
Također, drugi testovi su relativno složeni. Dok ispitivanje tvrdoće traje samo minutu ili nešto više na jednoj mašini, MYS, UTS i elongacijsko ispitivanje zahtijevaju pripremu uzorka i značajna ulaganja u veliku laboratorijsku opremu. Poređenja radi, operateru mlina cijevi potrebne su sekunde da izvrši ispitivanje tvrdoće, a profesionalnom metalurškom tehničaru sati da izvrši ispitivanje zatezanja. Nije teško izvršiti provjeru tvrdoće.
To ne znači da proizvođači inženjerskih cijevi ne koriste ispitivanje tvrdoće. Može se slobodno reći da većina ljudi to čini, ali budući da vrše procjene ponovljivosti i reproducibilnosti mjerenja na svoj svojoj ispitnoj opremi, dobro su svjesni ograničenja ispitivanja. Većina koristi procjenu tvrdoće cijevi kao dio proizvodnog procesa, ali je ne koriste za kvantificiranje svojstava cijevi. Ovo je samo ispitivanje prolaza/pad.
Zašto trebate znati o MYS, UTS i minimalnom izduženju? Oni pokazuju kako će se cijev ponašati prilikom montaže.
MYS je minimalna sila koja uzrokuje trajnu deformaciju materijala. Ako pokušate lagano saviti ravnu žicu (poput vješalice za kapute) i otpustiti pritisak, dogodit će se jedna od dvije stvari: vratit će se u prvobitno stanje (ravno) ili će ostati savijena. Ako je još uvijek ravna, niste prešli MYS. Ako je još uvijek savijena, pretjerali ste.
Sada, koristite kliješta da stegnete oba kraja žice. Ako možete pocijepati žicu na dva dijela, prešli ste njen UTS. Stavili ste veliku napetost na nju i imate dvije žice koje pokazuju vaš nadljudski napor. Ako je originalna dužina žice 5 inča, a dvije dužine nakon loma sabiraju 6 inča, žica je istegnuta za 1 inč, ili 20%. Stvarni test izduženja mjeri se unutar 2 inča od tačke loma, ali šta god - koncept žice za povlačenje ilustruje UTS.
Uzorke čelika snimljene fotomikrografijom potrebno je rezati, polirati i nagrizati blago kiselim rastvorom (obično azotna kiselina i alkohol (nitroetanol)) kako bi zrna bila vidljiva. Za pregled zrna čelika i određivanje veličine zrna obično se koristi uvećanje od 100x.
Tvrdoća je test kako materijal reaguje na udar. Zamislite da stavite kratki komad cijevi u škripac sa nazubljenim čeljustima i okrenete škripac da se zatvori. Pored toga što spljoštavaju cijev, čeljusti škripca također ostavljaju udubljenja na površini cijevi.
Tako funkcioniše test tvrdoće, ali nije tako grub. Ovaj test ima kontroliranu veličinu udara i kontrolirani pritisak. Ove sile deformiraju površinu, stvarajući udubljenje ili udubljenje. Veličina ili dubina udubljenja određuje tvrdoću metala.
Za procjenu čelika, uobičajeni testovi tvrdoće su Brinell, Vickers i Rockwell. Svaki ima svoju skalu, a neki imaju više metoda ispitivanja, kao što su Rockwell A, B i C. Za čelične cijevi, ASTM specifikacija A513 upućuje na Rockwell B test (skraćeno HRB ili RB). Rockwell B test mjeri razliku u prodiranju čelika čelične kuglice promjera 1⁄16 inča između malog predopterećenja i primarnog opterećenja od 100 kgf. Tipičan rezultat za standardni meki čelik je HRB 60.
Naučnici koji se bave materijalima znaju da je tvrdoća linearno povezana sa UTS-om. Stoga, data tvrdoća može predvidjeti UTS. Slično tome, proizvođači cijevi znaju da su MYS i UTS povezani. Za zavarene cijevi, MYS je obično 70% do 85% UTS-a. Tačan iznos zavisi od procesa izrade cijevi. Tvrdoća HRB 60 korelira sa UTS-om od 60.000 funti po kvadratnom inču (PSI) i MYS-om od 80%, ili 48.000 PSI.
Najčešća specifikacija cijevi u općoj proizvodnji je maksimalna tvrdoća. Pored veličine, inženjer je bio zabrinut i za specificiranje zavarene elektrootporno zavarene (ERW) cijevi unutar dobrog radnog raspona, što bi moglo rezultirati maksimalnom tvrdoćom od moguće HRB 60 na crtežu komponente. Samo ova odluka dovodi do niza konačnih mehaničkih svojstava, uključujući i samu tvrdoću.
Prvo, tvrdoća HRB 60 nam ne govori mnogo. Očitavanje HRB 60 je bezdimenzionalni broj. Materijal procijenjen pomoću HRB 59 je mekši od materijala testiranog pomoću HRB 60, a HRB 61 je tvrđi od HRB 60, ali za koliko? Ne može se kvantificirati kao volumen (mjereno u decibelima), obrtni moment (mjereno u funtama-stopama), brzina (mjereno u udaljenosti u odnosu na vrijeme) ili UTS (mjereno u funtama po kvadratnom inču). Očitavanje HRB 60 nam ne govori ništa specifično. Ovo je svojstvo materijala, ali ne i fizičko svojstvo. Drugo, ispitivanje tvrdoće nije pogodno za ponovljivost ili reproducibilnost. Procjena dvije lokacije na ispitnom uzorku, čak i ako su ispitne lokacije blizu jedna drugoj, često rezultira velikom varijacijom u očitanjima tvrdoće. Priroda ispitivanja pogoršava ovaj problem. Nakon što je položaj izmjeren, ne može se izmjeriti drugi put radi provjere rezultata. Ponovljivost ispitivanja nije moguća.
To ne znači da je ispitivanje tvrdoće nezgodno. U stvari, ono pruža dobar vodič za UTS materijala, a to je brz i jednostavan test za izvođenje. Međutim, svi koji su uključeni u specifikaciju, kupovinu i proizvodnju cijevi trebaju biti svjesni njegovih ograničenja kao parametra ispitivanja.
Budući da "normalna" cijev nije dobro definirana, kada je potrebno, proizvođači cijevi je često sužavaju na dvije najčešće korištene čelične cijevi i vrste cijevi definirane u ASTM A513: 1008 i 1010. Čak i nakon eliminacije svih ostalih vrsta cijevi, mogućnosti u smislu mehaničkih svojstava ove dvije vrste cijevi su široko otvorene. U stvari, ove vrste cijevi imaju najširi raspon mehaničkih svojstava od svih vrsta.
Na primjer, cijev se opisuje kao mekana ako je MYS nizak, a izduženje visoko, što znači da se bolje ponaša u zateznoj čvrstoći, deformaciji i stvrdnjavanju od cijevi opisane kao tvrda, koja ima relativno visok MYS i relativno nisko izduženje. Ovo je slično razlici između meke i tvrde žice, kao što su vješalice za kapute i bušilice.
Samo izduženje je još jedan faktor koji ima značajan utjecaj na kritične primjene cijevi. Cijevi s visokim izduženjem mogu izdržati zatezne sile; materijali s niskim izduženjem su krhkiji i stoga skloniji katastrofalnim lomovima usljed zamora. Međutim, izduženje nije direktno povezano s UTS-om, što je jedino mehaničko svojstvo direktno povezano s tvrdoćom.
Zašto se mehanička svojstva cijevi toliko razlikuju? Prvo, hemijski sastav je različit. Čelik je čvrsti rastvor željeza i ugljika i drugih važnih legura. Radi jednostavnosti, ovdje ćemo se baviti samo procentima ugljika. Atomi ugljika zamjenjuju neke od atoma željeza, formirajući kristalnu strukturu čelika. ASTM 1008 je sveobuhvatna primarna klasa sa sadržajem ugljika od 0% do 0,10%. Nula je vrlo poseban broj koji proizvodi jedinstvena svojstva kada je sadržaj ugljika u čeliku ultra nizak. ASTM 1010 specificira sadržaj ugljika između 0,08% i 0,13%. Ove razlike ne izgledaju ogromne, ali su dovoljno velike da naprave veliku razliku negdje drugdje.
Drugo, čelične cijevi mogu se izraditi ili izraditi i potom obraditi u sedam različitih proizvodnih procesa. ASTM A513 koji se odnosi na proizvodnju ERW cijevi navodi sedam vrsta:
Ako hemijski sastav čelika i koraci u proizvodnji cijevi nemaju utjecaja na tvrdoću čelika, šta onda ima utjecaja? Odgovor na ovo pitanje znači detaljno proučavanje detalja. Ovo pitanje postavlja još dva pitanja: Koji detalji i koliko precizno?
Detalji o zrnima koja čine čelik su prvi odgovor. Kada se čelik proizvodi u primarnoj čeličani, on se ne hladi u ogroman blok s jednom karakteristikom. Kako se čelik hladi, molekule čelika se organiziraju u ponavljajuće obrasce (kristale), slično kao što se formiraju pahulje snijega. Nakon što se kristali formiraju, oni se agregiraju u grupe koje se nazivaju zrna. Kako hlađenje napreduje, zrna rastu i formiraju se po cijelom limu ili ploči. Zrna prestaju rasti dok zrna apsorbiraju posljednje molekule čelika. Sve se to događa na mikroskopskom nivou jer je prosječna veličina čeličnog zrna oko 64 µ ili 0,0025 inča široka. Iako je svako zrno slično sljedećem, nisu ista. Malo se razlikuju po veličini, orijentaciji i sadržaju ugljika. Međupovršina između zrna naziva se granica zrna. Kada čelik pukne, na primjer zbog pukotina uslijed zamora, on ima tendenciju da pukne duž granica zrna.
Koliko daleko morate gledati da biste vidjeli uočljiva zrna? Uvećanje od 100x, ili 100x ljudski vid, je dovoljno. Međutim, samo gledanje netretiranog čelika pri 100 puta većem uvećanju ne otkriva mnogo. Uzorak se priprema poliranjem uzorka i nagrizanjem površine kiselinom (obično dušičnom kiselinom i alkoholom) koja se naziva nitroetanolno sredstvo za nagrizanje.
Zrna i njihova unutrašnja rešetka određuju udarnu čvrstoću, MYS, UTS i izduženje koje čelik može izdržati prije loma.
Koraci u proizvodnji čelika, poput toplog i hladnog valjanja trake, primjenjuju naprezanje u strukturu zrna; ako trajno mijenjaju oblik, to znači da naprezanje deformira zrno. Ostali koraci obrade, poput namotavanja čelika u zavojnice, odmotavanja i deformiranja čeličnih zrna kroz mlin za cijevi (za oblikovanje i dimenzioniranje cijevi). Hladno izvlačenje cijevi na trnu također vrši pritisak na materijal, kao i koraci u proizvodnji poput oblikovanja krajeva i savijanja. Promjene u strukturi zrna nazivaju se dislokacije.
Gore navedeni koraci smanjuju duktilnost čelika, što je njegova sposobnost da izdrži zatezni (povlačenjem otvoreni) napon. Čelik postaje krhak, što znači da je veća vjerovatnoća da će se slomiti ako nastavite raditi na njemu. Izduženje je jedna komponenta duktilnosti (stišljivost je druga). Važno je razumjeti da se lom najčešće javlja tokom zateznog napona, a ne kompresije. Čelik je vrlo otporan na zatezni napon zbog svog relativno visokog kapaciteta izduženja. Međutim, čelik se lako deformiše pod tlačnim naponom - duktilan je - što je prednost.
Beton ima visoku tlačnu čvrstoću, ali nisku duktilnost u poređenju s betonom. Ova svojstva su suprotna svojstvima čelika. Zato se beton koji se koristi za ceste, zgrade i trotoare često oprema armaturom. Rezultat je proizvod s čvrstoćama dva materijala: pod zatezanjem je čelik čvrst, a pod pritiskom beton.
Tokom hladne obrade, kako se duktilnost čelika smanjuje, njegova tvrdoća se povećava. Drugim riječima, on će se otvrdnuti. Ovisno o situaciji, ovo može biti prednost; međutim, može biti i nedostatak jer se tvrdoća izjednačava s krhkošću. To jest, kako čelik postaje tvrđi, postaje manje elastičan; stoga je veća vjerovatnoća da će se pokvariti.
Drugim riječima, svaki korak u procesu troši dio duktilnosti cijevi. Postaje tvrđa kako se dio obrađuje, a ako je pretvrda, u osnovi je beskorisna. Tvrdoća je krhkost, a krhka cijev će vjerovatno pući tokom upotrebe.
Ima li proizvođač neke opcije u ovom slučaju? Ukratko, da. Ta opcija je žarenje, i iako nije baš magično, najbliže je magiji što možete dobiti.
Jednostavno rečeno, žarenje uklanja sve efekte fizičkog naprezanja na metal. Ovaj proces zagrijava metal do temperature ublažavanja naprezanja ili rekristalizacije, čime se eliminišu dislokacije. Ovisno o specifičnoj temperaturi i vremenu korištenom u procesu žarenja, proces na taj način vraća dio ili svu njegovu duktilnost.
Žarenje i kontrolirano hlađenje potiču rast zrna. Ovo je korisno ako je cilj smanjenje krhkosti materijala, ali nekontrolirani rast zrna može previše omekšati metal, čineći ga neupotrebljivim za namjeravanu upotrebu. Zaustavljanje procesa žarenja je još jedna gotovo magična stvar. Kaljenje na pravoj temperaturi s pravim sredstvom za kaljenje u pravo vrijeme dovodi proces do brzog zaustavljanja kako bi se dobila svojstva oporavka čelika.
Trebamo li izostaviti specifikaciju tvrdoće? Ne. Karakteristike tvrdoće su vrijedne prvenstveno kao referentna tačka pri specificiranju čeličnih cijevi. Tvrdoća, korisna mjera, jedna je od nekoliko karakteristika koje treba navesti prilikom naručivanja cjevastog materijala i provjeriti pri prijemu (i treba je zabilježiti sa svakom pošiljkom). Kada je ispitivanje tvrdoće standard inspekcije, ono treba imati odgovarajuće vrijednosti skale i kontrolne raspone.
Međutim, to nije pravi test za kvalifikaciju (prihvatanje ili odbijanje) materijala. Pored tvrdoće, proizvođači bi povremeno trebali testirati pošiljke kako bi utvrdili druga relevantna svojstva, kao što su MYS, UTS ili minimalno izduženje, ovisno o primjeni cijevi.
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.
Časopis Tube & Pipe Journal postao je prvi časopis posvećen industriji metalnih cijevi 1990. godine. Danas je to jedina publikacija u Sjevernoj Americi posvećena toj industriji i postao je najpouzdaniji izvor informacija za stručnjake za cijevi.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The FABRICATOR, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Digitalno izdanje časopisa The Tube & Pipe Journal sada je u potpunosti dostupno, omogućavajući jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju časopisa STAMPING, koji pruža najnovija tehnološka dostignuća, najbolje prakse i vijesti iz industrije za tržište štancanja metala.
Iskoristite puni pristup digitalnom izdanju publikacije The Additive Report kako biste saznali kako se aditivna proizvodnja može koristiti za poboljšanje operativne efikasnosti i povećanje profita.
Sada s punim pristupom digitalnom izdanju časopisa The Fabricator en Español, jednostavan pristup vrijednim industrijskim resursima.