Diversos protocolos de prueba (Brinell, Rockwell, Vickers) tienen procedimientos específicos para el proyecto que se está probando. La prueba Rockwell T es adecuada para inspeccionar tubos de pared delgada cortando el tubo longitudinalmente y probando la pared desde el diámetro interior en lugar del diámetro exterior.
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Las tuberías de acero son precisamente eso. Tienen miles de opciones o especificaciones. Además de las dimensiones, la especificación enumera propiedades químicas y varias propiedades mecánicas, como el límite elástico mínimo (MYS), la resistencia a la tracción máxima (UTS) y la elongación mínima antes de la rotura. Sin embargo, muchos en la industria (ingenieros, agentes de compras y fabricantes) utilizan abreviaturas aceptadas en la industria que requieren el uso de tuberías soldadas "normales" y especifican solo una característica: la dureza.
Intenta pedir un coche basándote en una sola característica ("Necesito un coche con transmisión automática") y no llegarás muy lejos con un vendedor. Tiene que rellenar un formulario de pedido con muchas opciones. Con las tuberías pasa lo mismo: para conseguir la tubería adecuada para la aplicación, el fabricante necesita más información que solo la dureza.
¿Cómo se convirtió la dureza en un sustituto reconocido de otras propiedades mecánicas? Probablemente comenzó con un fabricante de tuberías. Debido a que las pruebas de dureza son rápidas, fáciles y requieren equipos relativamente económicos, los vendedores de tubos a menudo utilizan pruebas de dureza para comparar dos tubos. Para realizar una prueba de dureza, todo lo que necesitan es un tramo liso de tubería y un banco de pruebas.
La dureza del tubo se correlaciona bien con la resistencia a la tracción, y como regla general, los porcentajes o rangos porcentuales son útiles para estimar el año máximo de jubilación (MYS), por lo que es fácil ver cómo las pruebas de dureza pueden ser un indicador adecuado de otras propiedades.
Además, otras pruebas son relativamente complejas. Mientras que la prueba de dureza solo lleva un minuto aproximadamente en una sola máquina, las pruebas de MYS, UTS y elongación requieren preparación de la muestra y una inversión significativa en equipos de laboratorio de gran tamaño. A modo de comparación, un operario de una fábrica de tubos tarda segundos en realizar una prueba de dureza y un técnico metalúrgico profesional tarda horas en realizar una prueba de tracción. No es difícil realizar una comprobación de dureza.
Esto no quiere decir que los fabricantes de tuberías de ingeniería no utilicen pruebas de dureza. Se puede afirmar que la mayoría lo hace, pero como evalúan la repetibilidad y la reproducibilidad de todos sus equipos de prueba, son conscientes de las limitaciones de la prueba. La mayoría utiliza la evaluación de la dureza del tubo como parte del proceso de producción, pero no la utilizan para cuantificar las propiedades del tubo. Se trata simplemente de una prueba de aprobado/reprobado.
¿Por qué es necesario conocer los valores de MYS, UTS y elongación mínima? Indican cómo se comportará el tubo durante el montaje.
El MYS es la fuerza mínima que causa una deformación permanente del material. Si intentas doblar ligeramente un alambre recto (como una percha) y luego sueltas la presión, ocurrirá una de dos cosas: volverá a su estado original (recto) o permanecerá doblado. Si sigue recto, no has superado el MYS. Si sigue doblado, lo has sobrepasado.
Ahora, usa alicates para sujetar ambos extremos del cable. Si puedes partir el cable en dos pedazos, has superado su UTS. Le aplicaste mucha tensión y obtuviste dos cables para demostrar tu esfuerzo sobrehumano. Si la longitud original del cable es de 5 pulgadas y las dos longitudes después de la rotura suman 6 pulgadas, el cable se estira 1 pulgada, o un 20 %. La prueba de elongación real se mide dentro de las 2 pulgadas del punto de rotura, pero da igual: el concepto del cable de tracción ilustra el UTS.
Las muestras de microfotografías de acero deben cortarse, pulirse y atacarse químicamente con una solución ligeramente ácida (generalmente ácido nítrico y alcohol (nitroetanol)) para que los granos sean visibles. Se suele utilizar un aumento de 100x para inspeccionar los granos de acero y determinar su tamaño.
La dureza es una prueba de cómo responde un material a un impacto. Imagínese colocar un trozo corto de tubo en un tornillo de banco con mordazas dentadas y girar el tornillo de banco para cerrarlo. Además de aplanar el tubo, las mordazas del tornillo de banco también dejan hendiduras en la superficie del tubo.
Así es como funciona la prueba de dureza, pero no es tan drástica. Esta prueba utiliza un tamaño de impacto y una presión controlados. Estas fuerzas deforman la superficie, creando una hendidura o indentación. El tamaño o la profundidad de la hendidura determina la dureza del metal.
Para evaluar el acero, las pruebas de dureza comunes son Brinell, Vickers y Rockwell. Cada una tiene su propia escala, y algunas tienen varios métodos de prueba, como Rockwell A, B y C. Para tuberías de acero, la especificación ASTM A513 hace referencia a la prueba Rockwell B (abreviada como HRB o RB). La prueba Rockwell B mide la diferencia en la penetración del acero por una bola de acero de 1/16 de pulgada de diámetro entre una pequeña precarga y una carga primaria de 100 kgf. Un resultado típico para acero dulce estándar es HRB 60.
Los científicos de materiales saben que la dureza está linealmente relacionada con la UTS. Por lo tanto, una dureza dada puede predecir la UTS. Del mismo modo, los fabricantes de tubos saben que la MYS y la UTS están relacionadas. Para tuberías soldadas, la MYS suele ser del 70 % al 85 % de la UTS. La cantidad exacta depende del proceso de fabricación del tubo. La dureza de HRB 60 se correlaciona con una UTS de 60 000 libras por pulgada cuadrada (PSI) y una MYS del 80 %, o 48 000 PSI.
La especificación más común para tuberías en la fabricación general es la dureza máxima. Además del tamaño, al ingeniero le preocupaba especificar una tubería soldada por resistencia eléctrica (ERW) dentro de un rango de trabajo adecuado, lo que podría resultar en una dureza máxima de posiblemente HRB 60 en el plano del componente. Esta decisión por sí sola conlleva una serie de propiedades mecánicas finales, incluida la dureza misma.
Primero, la dureza de HRB 60 no nos dice mucho. La lectura HRB 60 es un número adimensional. El material evaluado con HRB 59 es más blando que el material probado con HRB 60, y HRB 61 es más duro que HRB 60, pero ¿cuánto? No se puede cuantificar como el volumen (medido en decibelios), el par (medido en libras-pie), la velocidad (medida en distancia relativa al tiempo) o UTS (medido en libras por pulgada cuadrada). La lectura HRB 60 no nos dice nada específico. Esta es una propiedad del material, pero no una propiedad física. Segundo, la prueba de dureza no es adecuada para la repetibilidad o la reproducibilidad. Evaluar dos ubicaciones en una muestra de prueba, incluso si las ubicaciones de prueba están cerca una de la otra, a menudo resulta en una gran variación en las lecturas de dureza. Este problema se agrava por la naturaleza de la prueba. Después de que se ha medido una posición, no se puede medir una segunda vez para verificar los resultados. La repetibilidad de la prueba no es posible.
Esto no significa que las pruebas de dureza sean inconvenientes. De hecho, proporcionan una buena guía para la resistencia a la tracción de un material, y es una prueba rápida y fácil de realizar. Sin embargo, todos los involucrados en la especificación, compra y fabricación de tubos deben ser conscientes de sus limitaciones como parámetro de prueba.
Debido a que el término "normal" para tuberías no está bien definido, cuando es necesario, los fabricantes de tuberías suelen limitarlo a los dos tipos de tuberías de acero más utilizados, definidos en la norma ASTM A513: 1008 y 1010. Incluso después de eliminar todos los demás tipos de tubos, las posibilidades en términos de propiedades mecánicas de estos dos tipos de tubos son muy amplias. De hecho, estos tipos de tubos tienen la gama más amplia de propiedades mecánicas de cualquier tipo.
Por ejemplo, un tubo se describe como blando si su MYS es bajo y su elongación es alta, lo que significa que tiene un mejor rendimiento en tracción, deflexión y deformación permanente que un tubo descrito como duro, que tiene un MYS relativamente alto y una elongación relativamente baja. Esto es similar a la diferencia entre alambre blando y duro, como el de las perchas y los taladros.
La elongación en sí misma es otro factor que tiene un impacto significativo en aplicaciones críticas de tuberías. Los tubos con alta elongación pueden soportar fuerzas de tracción; los materiales con baja elongación son más frágiles y, por lo tanto, más propensos a fallas catastróficas por fatiga. Sin embargo, la elongación no está directamente relacionada con la UTS, que es la única propiedad mecánica directamente relacionada con la dureza.
¿Por qué varían tanto las propiedades mecánicas de los tubos? En primer lugar, la composición química es diferente. El acero es una solución sólida de hierro y carbono y otras aleaciones importantes. Para simplificar, aquí solo trataremos con porcentajes de carbono. Los átomos de carbono reemplazan algunos de los átomos de hierro, formando la estructura cristalina del acero. ASTM 1008 es un grado primario que abarca todo, con un contenido de carbono del 0% al 0,10%. El cero es un número muy especial que produce propiedades únicas cuando el contenido de carbono en el acero es ultrabajo. ASTM 1010 especifica un contenido de carbono entre el 0,08% y el 0,13%. Estas diferencias no parecen enormes, pero son lo suficientemente grandes como para marcar una gran diferencia en otros aspectos.
En segundo lugar, el tubo de acero se puede fabricar o fabricar y posteriormente procesar en siete procesos de fabricación diferentes. La norma ASTM A513 relativa a la producción de tubos ERW enumera siete tipos:
Si la composición química del acero y los pasos de fabricación del tubo no tienen efecto sobre la dureza del acero, ¿qué lo tiene? Responder a esta pregunta implica analizar minuciosamente los detalles. Esta pregunta plantea dos preguntas más: ¿Qué detalles y con qué precisión?
Los detalles sobre los granos que componen el acero son la primera respuesta. Cuando el acero se fabrica en una acería primaria, no se enfría formando un enorme bloque con una sola característica. A medida que el acero se enfría, las moléculas del acero se organizan en patrones repetitivos (cristales), de forma similar a como se forman los copos de nieve. Después de que se forman los cristales, se agregan en grupos llamados granos. A medida que avanza el enfriamiento, los granos crecen y se forman a lo largo de la lámina o placa. Los granos dejan de crecer cuando las últimas moléculas de acero son absorbidas por los granos. Todo esto sucede a nivel microscópico porque el tamaño promedio del grano de acero es de aproximadamente 64 µ o 0,0025 pulgadas de ancho. Si bien cada grano es similar al siguiente, no son iguales. Varían ligeramente en tamaño, orientación y contenido de carbono. La interfaz entre granos se llama límite de grano. Cuando el acero falla, por ejemplo, debido a grietas por fatiga, tiende a fallar a lo largo de los límites de grano.
¿Hasta qué punto hay que mirar para ver granos discernibles? Un aumento de 100x, o 100x de la visión humana, es suficiente. Sin embargo, mirar acero sin tratar con 100 aumentos no revela mucho. La muestra se prepara puliéndola y grabando la superficie con un ácido (generalmente ácido nítrico y alcohol) llamado grabador de nitroetanol.
Son los granos y su estructura reticular interna los que determinan la resistencia al impacto, el límite elástico máximo (MYS), la resistencia a la tracción (UTS) y la elongación que un acero puede soportar antes de fallar.
Los pasos de la fabricación del acero, como el laminado en caliente y en frío de la banda, aplican tensión a la estructura granular; si esta cambia de forma de manera permanente, significa que la tensión deforma el grano. Otros pasos de procesamiento, como enrollar el acero en bobinas, desenrollarlo y deformar los granos de acero a través de un tren de tubos (para dar forma y tamaño al tubo), también ejercen presión sobre el material. El estirado en frío del tubo sobre el mandril también ejerce presión sobre el material, al igual que los pasos de fabricación como el conformado de extremos y el doblado. Los cambios en la estructura granular se denominan dislocaciones.
Los pasos anteriores disminuyen la ductilidad del acero, que es su capacidad para soportar esfuerzos de tracción (apertura). El acero se vuelve quebradizo, lo que significa que es más probable que se rompa si se sigue trabajando en él. La elongación es un componente de la ductilidad (la compresibilidad es otro). Es importante entender que la falla ocurre con mayor frecuencia durante el esfuerzo de tracción, no de compresión. El acero es muy resistente al esfuerzo de tracción debido a su capacidad de elongación relativamente alta. Sin embargo, el acero se deforma fácilmente bajo esfuerzo de compresión (es dúctil), lo cual es una ventaja.
El hormigón tiene una alta resistencia a la compresión, pero una baja ductilidad en comparación con el acero. Estas propiedades son opuestas a las del acero. Por eso, el hormigón utilizado para carreteras, edificios y aceras suele ir reforzado con barras de acero. El resultado es un producto con las resistencias de dos materiales: bajo tensión, el acero es resistente, y bajo presión, el hormigón.
Durante el trabajo en frío, a medida que disminuye la ductilidad del acero, aumenta su dureza. En otras palabras, se endurece. Dependiendo de la situación, esto puede ser una ventaja; sin embargo, también puede ser una desventaja, ya que la dureza se equipara con la fragilidad. Es decir, cuanto más duro es el acero, menos elástico se vuelve; por lo tanto, es más probable que falle.
En otras palabras, cada paso del proceso consume parte de la ductilidad de la tubería. Se endurece a medida que la pieza se usa, y si es demasiado dura, básicamente es inservible. La dureza es fragilidad, y es probable que un tubo frágil falle durante su uso.
¿Tiene el fabricante alguna opción en este caso? En resumen, sí. Esa opción es el recocido, y aunque no es algo mágico, es lo más parecido a la magia que se puede conseguir.
En términos sencillos, el recocido elimina todos los efectos de la tensión física sobre el metal. Este proceso calienta el metal a una temperatura de alivio de tensiones o de recristalización, eliminando así las dislocaciones. Dependiendo de la temperatura y el tiempo específicos utilizados en el proceso de recocido, este restaura parte o la totalidad de su ductilidad.
El recocido y el enfriamiento controlado promueven el crecimiento del grano. Esto es beneficioso si el objetivo es reducir la fragilidad del material, pero un crecimiento de grano descontrolado puede ablandar demasiado el metal, haciéndolo inutilizable para el uso previsto. Detener el proceso de recocido es casi mágico. El temple a la temperatura adecuada, con el agente de temple correcto y en el momento preciso, detiene rápidamente el proceso para obtener las propiedades de recuperación del acero.
¿Deberíamos eliminar la especificación de dureza? No. Las características de dureza son valiosas principalmente como punto de referencia al especificar tuberías de acero. La dureza es una medida útil y una de las varias características que deben especificarse al pedir material tubular y verificarse al recibirlo (y debe registrarse con cada envío). Cuando la inspección de dureza es el estándar de inspección, debe tener valores de escala y rangos de control apropiados.
Sin embargo, no es una prueba fiable para calificar (aceptar o rechazar) el material. Además de la dureza, los fabricantes deberían probar ocasionalmente los envíos para determinar otras propiedades relevantes, como el límite elástico máximo (MYS), la resistencia a la tracción máxima (UTS) o la elongación mínima, según la aplicación del tubo.
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