Erinevatel katseprotokollidel (Brinell, Rockwell, Vickers) on katsetatava projekti jaoks spetsiifilised protseduurid. Rockwelli T-katse sobib õhukeseinaliste torude kontrollimiseks, lõigates toru pikuti ja testides seina siseläbimõõdu, mitte välisläbimõõdu järgi.
Torustiku tellimine on natuke nagu autoesindusse minek ja auto või veoauto tellimine. Tänapäeval võimaldavad paljud saadaolevad valikud ostjatel sõidukit mitmel viisil kohandada – salongi ja kere värvid, sisustuspaketid, väliskujunduse valikud, jõuülekande valikud ja helisüsteem, mis peaaegu konkureerib koduse meelelahutussüsteemiga. Kõiki neid valikuid arvestades ei pruugi te olla rahul tavalise ja lihtsa sõidukiga.
Terastorud on just sellised. Neil on tuhandeid valikuid või spetsifikatsioone. Lisaks mõõtmetele loetleb spetsifikatsioon keemilisi ja mitmeid mehaanilisi omadusi, nagu minimaalne voolavuspiir (MYS), lõplik tõmbetugevus (UTS) ja minimaalne venivus enne purunemist. Siiski kasutavad paljud tööstuses – insenerid, ostjad ja tootjad – üldtunnustatud tööstuslikke lühendeid, mis nõuavad „tavalise” keevitatud toru kasutamist ja määravad ainult ühe omaduse: kõvaduse.
Proovige autot tellida üheainsa omaduse järgi („Vajan automaatkäigukastiga autot“) ja müügimehega te kaugele ei jõua. Ta peab täitma tellimisvormi paljude valikutega. Toru on just see – õige toru saamiseks vajab torutootja rohkem teavet kui ainult kõvadus.
Kuidas saab kõvadusest tunnustatud asendaja teistele mehaanilistele omadustele? See sai ilmselt alguse torutootjast. Kuna kõvaduse testimine on kiire, lihtne ja nõuab suhteliselt odavat varustust, kasutavad torumüüjad sageli kahe toru võrdlemiseks kõvaduse testi. Kõvadustesti tegemiseks on vaja vaid siledat torutükki ja katsestendi.
Toru kõvadus korreleerub hästi UTS-iga ja rusikareeglina on protsendid või protsendivahemikud MYS-i hindamisel abiks, seega on lihtne näha, kuidas kõvaduse testimine võib olla sobiv näitaja teiste omaduste hindamiseks.
Samuti on teised testid suhteliselt keerulised. Kui kõvaduse testimine ühel masinal võtab aega vaid umbes minuti, siis MYS, UTS ja venivustestid nõuavad proovi ettevalmistamist ja märkimisväärseid investeeringuid suurtesse laboriseadmetesse. Võrdluseks, torutehase operaatoril kulub kõvaduse testi tegemiseks sekundeid ja professionaalsel metallurgiatehnikul tõmbetesti tegemiseks tunde. Kõvaduse testimine pole keeruline.
See ei tähenda, et torutootjad ei kasutaks kõvaduse testimist. Võib julgelt öelda, et enamik inimesi teeb seda, aga kuna nad teevad kõigil oma katseseadmetel korduvuse ja reprodutseeritavuse hindamisi, on nad testi piirangutest hästi teadlikud. Enamik kasutab torude kõvaduse hindamist tootmisprotsessi osana, kuid nad ei kasuta seda torude omaduste kvantifitseerimiseks. See on lihtsalt läbimise/läbikukkumise test.
Miks on vaja teada MYS-i, UTS-i ja minimaalse venivuse kohta? Need näitavad, kuidas toru kokkupanekul käitub.
MYS on minimaalne jõud, mis põhjustab materjali püsiva deformatsiooni. Kui proovite sirget traati (näiteks riidepuud) veidi painutada ja survet vabastada, juhtub üks kahest asjast: see vetrub tagasi oma algasendisse (sirgeks) või jääb painutatuks. Kui see on endiselt sirge, pole te MYS-ist üle saanud. Kui see on endiselt painutatud, olete sellest üle löönud.
Nüüd kinnita tangidega traadi mõlemad otsad. Kui suudad traadi kaheks tükiks rebida, oled üle traadi läbilaskevõime piiri. Kui rakendad sellele palju pinget, on sul kaks traati, mis näitavad sinu üliinimlikku pingutust. Kui traadi algne pikkus on 5 tolli ja kahe pikkuse summa pärast purunemist on 6 tolli, on traat venitatud 1 tolli ehk 20% võrra. Tegelikku venivustesti mõõdetakse 2 tolli raadiuses purunemiskohast, aga mis seal ikka – tõmbetraadi kontseptsioon illustreerib traadi läbilaskevõime piiri.
Terasest mikrofotograafproovid tuleb lõigata, poleerida ja söövitada kergelt happelise lahusega (tavaliselt lämmastikhape ja alkohol (nitroetanool)), et terad nähtavaks teha. Terasterakeste kontrollimiseks ja terasuuruse määramiseks kasutatakse tavaliselt 100-kordset suurendust.
Kõvadus on test, mis mõõdab materjali reaktsiooni löögile. Kujutage ette, et panete lühikese torutüki sakiliste lõugadega kruustangidesse ja keerate kruustangi sulgemiseks. Lisaks toru lamenemisele jätavad kruustangi lõuad toru pinnale ka süvendeid.
Nii kõvadustest toimibki, aga see pole nii karm. Sellel testil on kontrollitud löögi suurus ja kontrollitud rõhk. Need jõud deformeerivad pinda, tekitades süvendi või taande. Süvendi suurus või sügavus määrab metalli kõvaduse.
Terase hindamiseks kasutatakse tavaliselt Brinelli, Vickersi ja Rockwelli kõvadusteste. Igal neist on oma skaala ja mõnel on mitu katsemeetodit, näiteks Rockwell A, B ja C. Terastorude puhul viitab ASTM spetsifikatsioon A513 Rockwell B-testile (lühendatult HRB või RB). Rockwell B-test mõõdab terase läbitungimise erinevust 1⁄16-tollise läbimõõduga teraskuuliga väikese eelkoormuse ja 100 kgf esmase koormuse vahel. Tüüpiline tulemus tavalise pehme terase puhul on HRB 60.
Materjaliteadlased teavad, et kõvadus on lineaarses seoses tõmbetugevusega (UTS). Seega saab antud kõvaduse põhjal ennustada tõmbetugevust (UTS). Samamoodi teavad torutootjad, et MYS ja UTS on seotud. Keevitatud torude puhul on MYS tavaliselt 70–85% tõmbetugevusest (UTS). Täpne kogus sõltub toru valmistamisprotsessist. HRB 60 kõvadus korreleerub tõmbetugevusega 60 000 naela ruuttolli kohta (PSI) ja MYS-iga 80% ehk 48 000 PSI.
Üldtootmises on kõige levinum toruspetsifikatsioon maksimaalne kõvadus. Lisaks suurusele oli inseneril oluline määrata kindlaks ka elektritakistuskeevitusega (ERW) toru, mis jääks heasse töövahemikku, mille tulemuseks oleks komponendi joonisele kantud maksimaalne kõvadus HRB 60. See otsus üksi viib lõpplike mehaaniliste omaduste, sealhulgas kõvaduse enda, vahemikuni.
Esiteks, HRB 60 kõvadus ei ütle meile palju. HRB 60 näit on mõõtmeteta arv. HRB 59-ga hinnatud materjal on pehmem kui HRB 60-ga testitud materjal ja HRB 61 on kõvem kui HRB 60, aga kui palju? Seda ei saa kvantifitseerida nagu mahtu (mõõdetuna detsibellides), pöördemomenti (mõõdetuna nael-jalgades), kiirust (mõõdetuna aja suhtes läbitud teepikkuse järgi) või UTS-i (mõõdetuna naelades ruuttolli kohta). HRB 60 näit ei ütle meile midagi konkreetset. See on materjali omadus, kuid mitte füüsikaline omadus. Teiseks, kõvaduse testimine ei sobi korduvuse ega reprodutseeritavuse jaoks. Kahe asukoha hindamine katsekehal, isegi kui katsekohad on üksteisele lähedal, põhjustab sageli kõvaduse näitude suurt varieeruvust. Selle probleemi süvendamine on testi olemus. Pärast positsiooni mõõtmist ei saa seda tulemuste kontrollimiseks teist korda mõõta. Testi korratavus ei ole võimalik.
See ei tähenda, et kõvaduse testimine oleks ebamugav. Tegelikult annab see hea juhise materjali tõmbetugevuse (UTS) määramiseks ning on kiire ja lihtne test. Siiski peaksid kõik, kes on seotud torude spetsifikatsiooni, ostmise ja tootmisega, olema teadlikud selle piirangutest testiparameetrina.
Kuna „tavalist” toru ei ole täpselt määratletud, kitsendavad torutootjad seda vajaduse korral sageli kahe ASTM A513-s määratletud kõige sagedamini kasutatava terastoru ja torutüübini: 1008 ja 1010. Isegi pärast kõigi teiste torutüüpide välistamist on nende kahe torutüübi mehaaniliste omaduste võimalused laiad. Tegelikult on neil torutüüpidel kõigist tüüpidest kõige laiem mehaaniliste omaduste valik.
Näiteks toru kirjeldatakse pehmena, kui MYS on madal ja venivus on kõrge, mis tähendab, et see toimib tõmbetugevuse, läbipainde ja painde osas paremini kui kõva toru, millel on suhteliselt kõrge MYS ja suhteliselt madal venivus. See sarnaneb pehme ja kõva traadi, näiteks riidepuude ja puuride, erinevusega.
Venivus ise on veel üks tegur, millel on kriitiliste torude rakenduste puhul oluline mõju. Suure venivusega torud taluvad tõmbejõude; väikese venivusega materjalid on hapramad ja seetõttu altid katastroofilistele väsimusriketele. Venivus ei ole aga otseselt seotud tõmbetugevusega, mis on ainus mehaaniline omadus, mis on otseselt seotud kõvadusega.
Miks torude mehaanilised omadused nii palju erinevad on? Esiteks on keemiline koostis erinev. Teras on raua, süsiniku ja teiste oluliste sulamite tahke lahus. Lihtsuse mõttes käsitleme siin ainult süsiniku protsenti. Süsiniku aatomid asendavad osa raua aatomitest, moodustades terase kristallstruktuuri. ASTM 1008 on kõikehõlmav esmane klass, mille süsinikusisaldus on 0–0,10%. Null on väga eriline arv, mis annab ainulaadsed omadused, kui terase süsinikusisaldus on ülimadal. ASTM 1010 määrab süsinikusisalduseks 0,08–0,13%. Need erinevused ei tundu suured, kuid on piisavalt suured, et mujal suurt vahet teha.
Teiseks saab terastoru valmistada või valmistada ja seejärel töödelda seitsmes erinevas tootmisprotsessis. ERW torude tootmisega seotud ASTM A513 loetleb seitse tüüpi:
Kui terase keemiline koostis ja torude tootmisetapid ei mõjuta terase kõvadust, siis mis see on? Sellele küsimusele vastamine tähendab detailide süvenemist. See küsimus tekitab veel kaks küsimust: milliseid detaile ja kui täpselt?
Esimene vastus on terase koostist moodustavate terade üksikasjad. Kui terast toodetakse esmases terasetehases, ei jahtu see tohutuks plokiks, millel on üksainus omadus. Terase jahtudes organiseeruvad terase molekulid korduvateks mustriteks (kristallideks), sarnaselt lumehelveste moodustumisele. Pärast kristallide moodustumist agregeeruvad nad rühmadesse, mida nimetatakse teradeks. Jahutamise edenedes kasvavad ja moodustuvad terad kogu lehel või plaadil. Terade kasv lakkab, kui viimased terasemolekulid on terade poolt imendunud. Kõik see toimub mikroskoopilisel tasandil, kuna terasetera keskmine suurus on umbes 64 µ ehk 0,0025 tolli lai. Kuigi iga tera on järgmisega sarnane, ei ole nad samad. Nende suurus, orientatsioon ja süsinikusisaldus erinevad veidi. Teradevahelist liidest nimetatakse terade piiriks. Kui teras puruneb näiteks väsimuspragude tõttu, kipub see purunema piki terade piire.
Kui kaugele peab vaatama, et näha eristatavaid terasid? Piisab 100-kordsest suurendusest ehk 100-kordsest inimese nägemisvõimest. Töötlemata terase vaatamine 100-kordse suurendusega ei näita aga palju. Proov valmistatakse ette selle poleerimise ja pinna söövitamise teel happega (tavaliselt lämmastikhape ja alkohol), mida nimetatakse nitroetanool-söövitusaineks.
Terad ja nende sisemine võre määravad löögitugevuse, müosuskindluse (MYS), läbilöögitugevuse (UTS) ja pikenemise, millele teras enne purunemist vastu peab.
Terasetootmise etapid, näiteks riba kuum- ja külmvaltsimine, avaldavad terasestruktuurile pinget; kui need kuju jäädavalt muudavad, tähendab see, et pinge deformeerib terast. Muud töötlemisetapid, näiteks terase rullideks kerimine, lahtikerimine ja teraseterade deformeerimine toruveskis (toru vormimiseks ja suuruse määramiseks). Toru külmtõmbamine mandrelil avaldab materjalile samuti survet, nagu ka tootmisetapid, näiteks otsavormimine ja painutamine. Terasestruktuuri muutusi nimetatakse dislokatsioonideks.
Ülaltoodud sammud kahandavad terase venivust, mis on selle võime taluda tõmbepinget (avatud tõmbepinget). Teras muutub hapraks, mis tähendab, et selle purunemise tõenäosus on suurem, kui sellega pidevalt töötada. Venivus on üks venivuse komponent (kokkusurutavus on teine). Oluline on mõista, et purunemine toimub enamasti tõmbepinge, mitte kokkusurumise ajal. Teras on oma suhteliselt suure venivusvõime tõttu tõmbepingele väga vastupidav. Siiski deformeerub teras survepinge all kergesti – see on veniv –, mis on eelis.
Betoonil on kõrge survetugevus, kuid betooniga võrreldes madal venivus. Need omadused on vastupidised terase omadustele. Seetõttu on teede, hoonete ja kõnniteede jaoks kasutatav betoon sageli varustatud armatuuriga. Tulemuseks on toode, millel on kahe materjali tugevused: pinge all on tugev teras ja surve all betoon.
Külmtöötlemise ajal terase venivuse vähenedes selle kõvadus suureneb. Teisisõnu, see kõveneb. Olenevalt olukorrast võib see olla eeliseks, kuid see võib olla ka puuduseks, kuna kõvadus võrdub rabedusega. See tähendab, et terase kõvenedes muutub see vähem elastseks; seetõttu on suurem tõenäosus puruneda.
Teisisõnu, iga protsessietapp vähendab osa toru elastsusest. Töö käigus muutub see kõvemaks ja kui see on liiga kõva, on see põhimõtteliselt kasutu. Kõvadus on rabedus ja rabe toru puruneb kasutamisel tõenäoliselt.
Kas tootjal on sel juhul mingeid valikuid? Lühidalt, jah. See valik on lõõmutamine ja kuigi see pole päris maagiline, on see nii maagilisele lähedal kui üldse olla saab.
Lihtsamalt öeldes eemaldab lõõmutamine metallile kõik füüsilise pinge mõjud. See protsess kuumutab metalli pingete leevendamise või ümberkristalliseerumise temperatuurini, kõrvaldades seeläbi dislokatsioonid. Sõltuvalt lõõmutamisprotsessis kasutatavast konkreetsest temperatuurist ja ajast taastab protsess osaliselt või täielikult metalli venivuse.
Lõõmutamine ja kontrollitud jahutamine soodustavad terade kasvu. See on kasulik, kui eesmärk on vähendada materjali rabedust, kuid kontrollimatu terade kasv võib metalli liiga palju pehmendada, muutes selle ettenähtud otstarbel kasutuskõlbmatuks. Lõõmutamise peatamine on veel üks peaaegu maagiline asi. Karastamine õigel temperatuuril õige karastusainega õigel ajal peatab protsessi kiiresti, et saavutada terase taastumisomadused.
Kas peaksime kõvaduse spetsifikatsioonist loobuma? Ei. Kõvadusomadused on väärtuslikud eelkõige võrdluspunktina terastorude spetsifikatsioonis. Kõvadus on kasulik mõõt, mis on üks paljudest omadustest, mida tuleks torukujulise materjali tellimisel täpsustada ja kättesaamisel kontrollida (ja see tuleks iga saadetisega registreerida). Kui kõvaduse kontroll on kontrollistandard, peaksid sellel olema sobivad skaalaväärtused ja kontrollvahemikud.
Siiski ei ole see tõeline materjali kvalifitseerimise (vastuvõtmise või tagasilükkamise) test. Lisaks kõvadusele peaksid tootjad aeg-ajalt saadetisi testima, et määrata kindlaks muud olulised omadused, näiteks MYS, UTS või minimaalne venivus, olenevalt toru rakendusest.
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 Journalist sai 1990. aastal esimene metalltorude tööstusele pühendatud ajakiri. Tänapäeval on see Põhja-Ameerika ainus sellele tööstusele pühendatud väljaanne ja sellest on saanud toruspetsialistide jaoks kõige usaldusväärsem teabeallikas.
Nüüd täielik juurdepääs The FABRICATORi digitaalsele väljaandele ja lihtne juurdepääs väärtuslikele valdkonna ressurssidele.
The Tube & Pipe Journal digitaalne väljaanne on nüüd täielikult ligipääsetav, pakkudes hõlpsat juurdepääsu väärtuslikele valdkonna ressurssidele.
Nautige täielikku juurdepääsu STAMPING Journali digitaalsele väljaandele, mis pakub uusimaid tehnoloogilisi edusamme, parimaid tavasid ja valdkonna uudiseid metallistantsimise turul.
Nautige täielikku juurdepääsu ajakirja The Additive Report digitaalsele versioonile, et õppida, kuidas lisaainetootmist saab kasutada tegevuse efektiivsuse parandamiseks ja kasumi suurendamiseks.
Nüüd täielik juurdepääs ajakirja The Fabricator en Español digitaalsele väljaandele ja lihtne juurdepääs väärtuslikele valdkonna ressurssidele.