Verschiedene Prüfprotokolle (Brinell, Rockwell, Vickers) beinhalten spezifische Verfahren für das jeweilige Prüfobjekt. Die Rockwell-T-Prüfung eignet sich zur Inspektion von dünnwandigen Rohren, indem das Rohr längs aufgeschnitten und die Wandstärke vom Innendurchmesser anstatt vom Außendurchmesser aus geprüft wird.
Die Bestellung eines Fahrzeugs ist vergleichbar mit dem Besuch eines Autohändlers und der Bestellung eines Pkw oder Lkw. Heutzutage ermöglichen die zahlreichen verfügbaren Optionen den Käufern, ihr Fahrzeug auf vielfältige Weise zu individualisieren – von Innen- und Außenfarben über Ausstattungspakete für den Innenraum und Designoptionen bis hin zu Antriebsvarianten und einem Audiosystem, das fast mit einem Heimkinosystem mithalten kann. Angesichts dieser Vielfalt an Möglichkeiten werden Sie sich mit einem Standardfahrzeug ohne jeglichen Schnickschnack wahrscheinlich nicht zufriedengeben.
Stahlrohre sind genau das: Stahlrohre. Es gibt unzählige Optionen und Spezifikationen. Neben den Abmessungen werden in der Spezifikation chemische und verschiedene mechanische Eigenschaften wie die Mindeststreckgrenze (MYS), die Zugfestigkeit (UTS) und die Mindestdehnung vor dem Bruch aufgeführt. Viele in der Branche – Ingenieure, Einkäufer und Hersteller – verwenden jedoch gängige Kurzbezeichnungen, die die Verwendung von „normalen“ geschweißten Rohren vorschreiben und nur eine Eigenschaft spezifizieren: die Härte.
Versuchen Sie mal, ein Auto anhand eines einzigen Merkmals zu bestellen („Ich brauche ein Auto mit Automatikgetriebe“), und Sie werden bei einem Verkäufer nicht weit kommen. Er muss ein Bestellformular mit vielen Optionen ausfüllen. Genauso ist es mit Rohren – um das richtige Rohr für den jeweiligen Anwendungsfall zu liefern, benötigt der Rohrhersteller mehr Informationen als nur die Härte.
Wie kommt es, dass Härte als Ersatz für andere mechanische Eigenschaften anerkannt wird? Wahrscheinlich begann alles mit einem Rohrhersteller. Da Härteprüfungen schnell und einfach durchzuführen sind und relativ kostengünstige Ausrüstung erfordern, nutzen Rohrverkäufer diese Methode häufig, um zwei Rohre zu vergleichen. Für eine Härteprüfung benötigen sie lediglich ein glattes Rohrstück und einen Prüfstand.
Die Härte von Rohren korreliert gut mit der Zugfestigkeit (UTS), und als Faustregel gilt, dass Prozentwerte oder Prozentbereiche bei der Schätzung der Streckgrenze (MYS) hilfreich sind. Daher ist leicht zu erkennen, warum Härteprüfungen ein geeigneter Ersatz für andere Eigenschaften sein können.
Auch andere Prüfverfahren sind vergleichsweise komplex. Während eine Härteprüfung an einer einzelnen Maschine nur etwa eine Minute dauert, erfordern Prüfungen der Streckgrenze (MYS), der Zugfestigkeit (UTS) und der Dehnung eine Probenvorbereitung und erhebliche Investitionen in große Laborgeräte. Zum Vergleich: Ein Rohrwerksbediener benötigt für eine Härteprüfung nur Sekunden, während ein professioneller Metallurg mehrere Stunden für einen Zugversuch benötigt. Die Durchführung einer Härteprüfung ist nicht schwierig.
Das heißt nicht, dass Hersteller von technischen Rohren keine Härteprüfungen durchführen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass die meisten dies tun. Da sie jedoch die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messwerte ihrer gesamten Prüfausrüstung überprüfen, sind sie sich der Grenzen der Prüfung bewusst. Die meisten Hersteller nutzen die Härteprüfung von Rohren als Teil des Produktionsprozesses, jedoch nicht zur Quantifizierung der Rohreigenschaften. Es handelt sich lediglich um eine Bestanden/Nichtbestanden-Prüfung.
Warum muss man etwas über MYS, UTS und Mindestdehnung wissen? Sie geben Aufschluss darüber, wie sich das Rohr bei der Montage verhält.
Die Streckgrenze (MYS) ist die minimale Kraft, die eine bleibende Verformung des Materials verursacht. Versucht man, einen geraden Draht (z. B. einen Kleiderbügel) leicht zu biegen und den Druck zu verringern, passiert eines von zwei Dingen: Er springt in seine ursprüngliche, gerade Form zurück oder er bleibt gebogen. Ist er noch gerade, wurde die Streckgrenze nicht überschritten. Ist er noch gebogen, wurde sie überschritten.
Klemmen Sie nun beide Enden des Drahtes mit einer Zange fest. Lässt sich der Draht in zwei Stücke reißen, ist seine Zugfestigkeit überschritten. Sie haben ihn stark belastet und erhalten zwei Drähte, die Ihre übermenschliche Anstrengung belegen. Beträgt die ursprüngliche Länge des Drahtes 5 Zoll und die Summe der beiden Längen nach dem Bruch 6 Zoll, hat sich der Draht um 1 Zoll bzw. 20 % gedehnt. Die eigentliche Dehnungsmessung erfolgt innerhalb von 2 Zoll um die Bruchstelle, aber das ist irrelevant – das Zugversuchsprinzip veranschaulicht die Zugfestigkeit.
Für die fotomikroskopische Untersuchung von Stahlproben müssen diese geschnitten, poliert und mit einer schwach sauren Lösung (üblicherweise Salpetersäure und Alkohol (Nitroethanol)) geätzt werden, um die Körner sichtbar zu machen. Zur Untersuchung der Stahlkörner und zur Bestimmung der Korngröße wird üblicherweise eine 100-fache Vergrößerung verwendet.
Die Härte eines Materials ist ein Test dafür, wie es auf Stöße reagiert. Stellen Sie sich vor, Sie spannen ein kurzes Rohrstück in einen Schraubstock mit gezahnten Backen und schließen diesen. Neben der Abflachung des Rohrs hinterlassen die Backen des Schraubstocks auch Eindellungen auf dessen Oberfläche.
So funktioniert die Härteprüfung, allerdings nicht ganz so grob. Bei dieser Prüfung werden ein definierter Aufprall und ein kontrollierter Druck angewendet. Diese Kräfte verformen die Oberfläche und erzeugen eine Vertiefung. Die Größe oder Tiefe der Vertiefung bestimmt die Härte des Metalls.
Zur Beurteilung der Stahlhärte werden üblicherweise die Härteprüfungen nach Brinell, Vickers und Rockwell eingesetzt. Jede dieser Prüfungen hat ihre eigene Skala, und einige, wie beispielsweise Rockwell A, B und C, umfassen mehrere Prüfmethoden. Für Stahlrohre bezieht sich die ASTM-Norm A513 auf die Rockwell-B-Prüfung (abgekürzt HRB oder RB). Die Rockwell-B-Prüfung misst die Eindringtiefe einer Stahlkugel mit 1/16 Zoll Durchmesser in Stahl unter einer geringen Vorlast und einer Primärlast von 100 kgf. Ein typischer Wert für Standard-Baustahl ist HRB 60.
Materialwissenschaftler wissen, dass Härte und Zugfestigkeit (UTS) linear korrelieren. Daher lässt sich die Zugfestigkeit anhand einer bestimmten Härte vorhersagen. Auch Rohrhersteller wissen, dass Streckgrenze (MYS) und Zugfestigkeit zusammenhängen. Bei geschweißten Rohren beträgt die Streckgrenze typischerweise 70 % bis 85 % der Zugfestigkeit. Der genaue Wert hängt vom Herstellungsverfahren ab. Die Härte HRB 60 entspricht einer Zugfestigkeit von 60.000 PSI und einer Streckgrenze von 80 % bzw. 48.000 PSI.
Die gängigste Spezifikation für Rohre in der allgemeinen Fertigung ist die maximale Härte. Neben der Größe war es dem Ingenieur wichtig, ein elektrisch widerstandsgeschweißtes (ERW) Rohr innerhalb eines geeigneten Arbeitsbereichs zu spezifizieren, was dazu führen könnte, dass eine maximale Härte von möglicherweise HRB 60 in der Bauteilzeichnung angegeben wird. Allein diese Entscheidung bestimmt die Bandbreite der endgültigen mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Härte selbst.
Erstens ist die Härte nach HRB 60 wenig aussagekräftig. Der Wert HRB 60 ist dimensionslos. Das mit HRB 59 geprüfte Material ist weicher als das mit HRB 60 geprüfte, und HRB 61 ist härter als HRB 60 – aber um wie viel? Die Härte lässt sich nicht quantifizieren wie beispielsweise Volumen (gemessen in Dezibel), Drehmoment (gemessen in Pfund-Fuß), Geschwindigkeit (gemessen als Weg pro Zeiteinheit) oder Zugfestigkeit (gemessen in Pfund pro Quadratzoll). Der Wert HRB 60 liefert keine spezifischen Informationen. Es handelt sich um eine Materialeigenschaft, nicht um eine physikalische Größe. Zweitens ist die Härteprüfung nicht geeignet, um Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Die Messung an zwei Stellen eines Prüfkörpers, selbst wenn diese nahe beieinander liegen, führt oft zu großen Abweichungen der Härtewerte. Verschärft wird dieses Problem durch die Art der Prüfung. Nach der Messung kann eine Stelle nicht erneut gemessen werden, um die Ergebnisse zu überprüfen. Eine Wiederholbarkeit der Prüfung ist daher nicht möglich.
Das bedeutet nicht, dass Härteprüfungen umständlich sind. Im Gegenteil, sie liefern einen guten Anhaltspunkt für die Zugfestigkeit eines Materials und sind schnell und einfach durchzuführen. Allerdings sollten sich alle, die an der Spezifizierung, dem Kauf und der Herstellung von Rohren beteiligt sind, der Grenzen dieser Prüfmethode bewusst sein.
Da der Begriff „normales“ Rohr nicht eindeutig definiert ist, beschränken sich Rohrhersteller bei Bedarf oft auf die beiden gebräuchlichsten Stahlrohrtypen gemäß ASTM A513: 1008 und 1010. Selbst nach Ausschluss aller anderen Rohrtypen bieten diese beiden Typen ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften. Tatsächlich weisen sie die größte Bandbreite an mechanischen Eigenschaften aller Rohrtypen auf.
Ein Rohr wird beispielsweise als weich bezeichnet, wenn seine Streckgrenze (MYS) niedrig und seine Dehnung hoch ist. Das bedeutet, dass es im Vergleich zu einem als hart bezeichneten Rohr, das eine relativ hohe Streckgrenze (MYS) und eine relativ niedrige Dehnung aufweist, hinsichtlich Zugfestigkeit, Durchbiegung und Verformung besser abschneidet. Dies ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen weichem und hartem Draht, wie beispielsweise Kleiderbügeln und Bohrmaschinen.
Die Dehnung selbst ist ein weiterer Faktor, der einen erheblichen Einfluss auf kritische Rohrleitungsanwendungen hat. Rohre mit hoher Dehnung können Zugkräften standhalten; Werkstoffe mit geringer Dehnung sind spröder und daher anfälliger für katastrophale Ermüdungsbrüche. Die Dehnung steht jedoch in keinem direkten Zusammenhang mit der Zugfestigkeit (UTS), die die einzige mechanische Eigenschaft ist, die direkt mit der Härte korreliert.
Warum unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften der Rohre so stark? Zunächst einmal ist die chemische Zusammensetzung unterschiedlich. Stahl ist eine feste Lösung aus Eisen, Kohlenstoff und anderen wichtigen Legierungselementen. Der Einfachheit halber betrachten wir hier nur den Kohlenstoffgehalt. Kohlenstoffatome ersetzen einen Teil der Eisenatome und bilden so die Kristallstruktur des Stahls. ASTM 1008 ist eine umfassende Grundnorm mit einem Kohlenstoffgehalt von 0 % bis 0,10 %. Der Wert Null ist besonders wichtig, da er bei extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt einzigartige Eigenschaften hervorruft. ASTM 1010 spezifiziert einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,08 % und 0,13 %. Diese Unterschiede scheinen gering, können aber an anderer Stelle einen großen Unterschied ausmachen.
Zweitens kann das Stahlrohr in sieben verschiedenen Herstellungsverfahren gefertigt oder vorgefertigt und anschließend weiterverarbeitet werden. Die Norm ASTM A513 zur ERW-Rohrproduktion listet sieben Typen auf:
Wenn die chemische Zusammensetzung des Stahls und die Herstellungsschritte der Rohre keinen Einfluss auf die Härte des Stahls haben, was dann? Um diese Frage zu beantworten, muss man sich eingehend mit den Details befassen. Diese Frage wirft zwei weitere Fragen auf: Welche Details und wie genau?
Die Details über die Stahlkörner sind der erste Schritt zur Beantwortung dieser Frage. Wenn Stahl in einem Stahlwerk hergestellt wird, erstarrt er nicht zu einem massiven Block mit einheitlicher Struktur. Während des Abkühlens ordnen sich die Stahlmoleküle in sich wiederholenden Mustern (Kristallen) an, ähnlich wie Schneeflocken entstehen. Nach der Kristallbildung lagern sich die Kristalle zu Gruppen zusammen, die man Körner nennt. Mit fortschreitender Abkühlung wachsen die Körner und bilden sich im gesamten Blech oder der Platte. Das Wachstum der Körner stoppt, sobald die letzten Stahlmoleküle von ihnen aufgenommen wurden. All dies geschieht auf mikroskopischer Ebene, da ein Stahlkorn im Durchschnitt etwa 64 µm oder 0,0025 Zoll groß ist. Obwohl die einzelnen Körner einander ähneln, sind sie nicht identisch. Sie unterscheiden sich geringfügig in Größe, Ausrichtung und Kohlenstoffgehalt. Die Grenzfläche zwischen den Körnern wird Korngrenze genannt. Wenn Stahl versagt, beispielsweise durch Ermüdungsrisse, tritt der Bruch meist entlang der Korngrenzen auf.
Wie weit muss man blicken, um erkennbare Körner zu sehen? Eine 100-fache Vergrößerung, also die 100-fache Sehschärfe des Menschen, reicht aus. Betrachtet man unbehandelten Stahl jedoch allein bei 100-facher Vergrößerung, so sind kaum Details erkennbar. Die Probe wird vorbereitet, indem sie poliert und die Oberfläche mit einer Säure (üblicherweise Salpetersäure und Alkohol), einem sogenannten Nitroethanol-Ätzmittel, geätzt wird.
Es sind die Körner und ihr inneres Kristallgitter, die die Schlagfestigkeit, die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Dehnung bestimmen, die ein Stahl vor dem Versagen aushält.
Stahlherstellungsprozesse wie das Warm- und Kaltwalzen von Bandstahl üben Spannungen auf das Stahlgefüge aus. Verändert sich die Kornstruktur dauerhaft, bedeutet dies, dass die Spannung das Gefüge verformt hat. Weitere Verarbeitungsschritte, wie das Aufwickeln und Abwickeln des Stahls zu Spulen sowie das Umformen der Stahlkörner in einem Rohrwalzwerk (zur Formgebung und Dimensionierung des Rohrs), üben ebenfalls Druck auf das Material aus. Auch das Kaltziehen des Rohrs auf dem Dorn sowie Fertigungsschritte wie das Endenformen und Biegen üben Druck auf das Material aus. Veränderungen im Gefüge werden als Versetzungen bezeichnet.
Die oben genannten Schritte verringern die Duktilität des Stahls, also seine Fähigkeit, Zugspannungen standzuhalten. Stahl wird spröde, was bedeutet, dass er bei weiterer Bearbeitung leichter bricht. Dehnung ist eine Komponente der Duktilität (Kompressibilität ist eine andere). Es ist wichtig zu verstehen, dass ein Bruch meist unter Zugspannung und nicht unter Druckspannung auftritt. Stahl ist aufgrund seiner relativ hohen Dehnungsfähigkeit sehr zugfest. Unter Druckspannung hingegen verformt sich Stahl leicht – er ist duktil –, was ein Vorteil ist.
Beton besitzt eine hohe Druckfestigkeit, aber im Vergleich zu Stahl eine geringe Duktilität. Diese Eigenschaften stehen im Gegensatz zu denen von Stahl. Deshalb wird Beton, der für Straßen, Gebäude und Gehwege verwendet wird, häufig mit Bewehrungsstahl verstärkt. Das Ergebnis ist ein Produkt mit den Stärken zweier Materialien: Unter Zugspannung ist Stahl fest, unter Druckspannung Beton.
Bei der Kaltverformung nimmt die Duktilität des Stahls ab, während seine Härte zunimmt. Anders ausgedrückt: Er härtet aus. Je nach Anwendungsfall kann dies von Vorteil sein; es kann aber auch ein Nachteil sein, da Härte mit Sprödigkeit gleichgesetzt wird. Das heißt, je härter der Stahl wird, desto weniger elastisch ist er und desto bruchgefährdeter ist er.
Anders ausgedrückt: Jeder Verarbeitungsschritt verringert die Duktilität des Rohrs. Es wird mit zunehmender Beanspruchung härter, und ist es zu hart, ist es praktisch unbrauchbar. Härte bedeutet Sprödigkeit, und ein sprödes Rohr versagt mit hoher Wahrscheinlichkeit im Gebrauch.
Hat der Hersteller in diesem Fall irgendwelche Optionen? Kurz gesagt: Ja. Diese Option ist das Glühen, und obwohl es nicht ganz magisch ist, kommt es dem schon sehr nahe.
Vereinfacht ausgedrückt beseitigt das Glühen alle Auswirkungen physikalischer Spannungen im Metall. Dabei wird das Metall auf eine Spannungsarmglüh- oder Rekristallisationstemperatur erhitzt, wodurch Versetzungen abgebaut werden. Abhängig von der gewählten Temperatur und Dauer des Glühprozesses wird so die Duktilität des Metalls teilweise oder vollständig wiederhergestellt.
Glühen und kontrollierte Abkühlung fördern das Kornwachstum. Dies ist vorteilhaft, wenn die Sprödigkeit des Materials verringert werden soll. Unkontrolliertes Kornwachstum kann das Metall jedoch zu stark erweichen und es für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar machen. Das Beenden des Glühprozesses ist ein weiterer entscheidender Schritt. Durch Abschrecken bei der richtigen Temperatur mit dem richtigen Abschreckmittel zum richtigen Zeitpunkt wird der Prozess abrupt gestoppt, um die Rückstelleigenschaften des Stahls zu erhalten.
Sollten wir die Härteangabe weglassen? Nein. Härteeigenschaften sind vor allem als Referenzwert bei der Spezifizierung von Stahlrohren wertvoll. Die Härte ist ein nützliches Messkriterium und eine von mehreren Eigenschaften, die bei der Bestellung von Rohrmaterial angegeben und bei Wareneingang überprüft werden sollten (und bei jeder Lieferung dokumentiert werden sollten). Wenn die Härteprüfung als Prüfstandard dient, sollten geeignete Skalenwerte und Kontrollbereiche vorhanden sein.
Es handelt sich jedoch nicht um einen echten Test zur Qualifizierung (Annahme oder Ablehnung) von Material. Zusätzlich zur Härte sollten Hersteller Lieferungen gelegentlich auf weitere relevante Eigenschaften wie Streckgrenze (MYS), Zugfestigkeit (UTS) oder Mindestdehnung prüfen, abhängig vom Anwendungsbereich des Rohrs.
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