Erilaisilla testausprotokollilla (Brinell, Rockwell, Vickers) on testattavaan projektiin liittyviä erityismenettelyjä. Rockwellin T-koe soveltuu ohutseinäisten putkien tarkastamiseen leikkaamalla putki pituussuunnassa ja testaamalla seinämä sisähalkaisijasta ulkohalkaisijan sijaan.
Putkien tilaaminen on vähän kuin menisi autoliikkeeseen ja tilaaisi auton tai kuorma-auton. Nykyään saatavilla olevat lukuisat vaihtoehdot antavat ostajille mahdollisuuden räätälöidä ajoneuvoa monin eri tavoin – sisä- ja ulkoväreillä, sisustuspaketeilla, ulkomuotoiluvaihtoehdoilla, voimansiirtovaihtoehdoilla ja äänentoistojärjestelmällä, joka lähes kilpailee kotiviihdejärjestelmän kanssa. Kaikkien näiden vaihtoehtojen vuoksi et ehkä ole tyytyväinen tavalliseen, yksinkertaiseen ajoneuvoon.
Teräsputket ovat juuri sitä. Vaihtoehtoja tai spesifikaatioita on tuhansia. Mittojen lisäksi spesifikaatiossa luetellaan kemialliset ja useita mekaanisia ominaisuuksia, kuten vähimmäismyötölujuus (MYS), murtolujuus (UTS) ja vähimmäisvenymä ennen murtumista. Monet alan toimijat – insinöörit, ostajat ja valmistajat – käyttävät kuitenkin hyväksyttyjä alan lyhenteitä, jotka edellyttävät "normaalin" hitsatun putken käyttöä ja määrittelevät vain yhden ominaisuuden: kovuuden.
Kokeile tilata auto yhden ominaisuuden perusteella ("Tarvitsen auton automaattivaihteistolla"), etkä pääse pitkälle myyjän kanssa. Hänen on täytettävä tilauslomake, jossa on monia vaihtoehtoja. Putki on juuri sitä – oikean putken löytämiseksi käyttötarkoitukseen putken valmistaja tarvitsee muutakin tietoa kuin vain kovuuden.
Miten kovuudesta tulee tunnustettu korvike muille mekaanisille ominaisuuksille? Se alkoi luultavasti putkivalmistajasta. Koska kovuusmittaus on nopeaa, helppoa ja vaatii suhteellisen edullisia laitteita, putkimyyjät käyttävät usein kovuusmittausta kahden putken vertailuun. Kovuusmittauksen suorittamiseen tarvitaan vain sileä putkenpätkä ja testiteline.
Putken kovuus korreloi hyvin UTS:n kanssa, ja nyrkkisääntönä prosenttiosuudet tai prosenttiosuusvälit ovat hyödyllisiä MYS:n arvioinnissa, joten on helppo nähdä, kuinka kovuustestaus voi olla sopiva sijaismittari muille ominaisuuksille.
Myös muut testit ovat suhteellisen monimutkaisia. Kovuusmittaus kestää yhdellä koneella vain noin minuutin, kun taas MYS-, UTS- ja venymämittaus vaativat näytteen valmistelua ja merkittäviä investointeja suuriin laboratoriolaitteisiin. Vertailun vuoksi putkitehtaan operaattorilta kestää kovuusmittauksen suorittaminen sekunteja ja ammattimaiselta metallurgisen teknikon suorittama vetolujuuskoe voi kestää tunteja. Kovuusmittauksen suorittaminen ei ole vaikeaa.
Tämä ei tarkoita, etteivätkö putkivalmistajat käyttäisi kovuusmittauksia. Voidaan sanoa, että useimmat ihmiset käyttävät niitä, mutta koska he tekevät toistettavuus- ja uusittavuusarviointeja kaikille testauslaitteilleen, he ovat hyvin tietoisia testin rajoituksista. Useimmat käyttävät putken kovuuden arviointia osana tuotantoprosessia, mutta eivät käytä sitä putken ominaisuuksien kvantifiointiin. Tämä on vain läpäisy-/hylkäystesti.
Miksi sinun on tiedettävä MYS:stä, UTS:stä ja vähimmäisvenymästä? Ne osoittavat, miten putki käyttäytyy kokoonpanossa.
MYS on pienin voima, joka aiheuttaa materiaalin pysyvän muodonmuutoksen. Jos yrität taivuttaa suoraa lankaa (kuten vaateripustinta) hieman ja vapautat paineen, tapahtuu yksi kahdesta asiasta: se palautuu alkuperäiseen tilaansa (suoraan) tai se pysyy taipuneena. Jos se on edelleen suora, et ole päässyt MYS-rajan yli. Jos se on edelleen taipunut, olet ylittänyt sen.
Käytä nyt pihtejä kiinnittääksesi langan molemmat päät. Jos saat langan repäistyä kahteen osaan, olet ylittänyt sen ylimenoajan. Kun kohdistat siihen paljon jännitystä, sinulla on kaksi lankaa, jotka osoittavat yli-inhimillisen ponnistelusi. Jos langan alkuperäinen pituus on 5 tuumaa ja kahden pituuden summa murtumisen jälkeen on 6 tuumaa, lanka on venynyt 1 tuuman eli 20 %. Varsinainen venymäkoe mitataan 2 tuuman sisällä murtumiskohdasta, mutta oli miten oli – vetolangan konsepti havainnollistaa ylimenoaikaa.
Teräsvalokuvanäytteet on leikattava, kiillotettava ja etsattava miedosti happamalla liuoksella (yleensä typpihappoa ja alkoholia (nitroetanolia)), jotta jyvät tulevat näkyviin. 100-kertaista suurennusta käytetään yleisesti teräsjyvien tarkastamiseen ja raekoon määrittämiseen.
Kovuus mittaa, miten materiaali reagoi iskuihin. Kuvittele, että laitat lyhyen putkenpätkän sahalaitaisiin ruuvipenkkiin ja käännät ruuvipenkin kiinni. Putken litistämisen lisäksi ruuvipenkin leuat jättävät myös painaumia putken pintaan.
Kovuuskoe toimii näin, mutta se ei ole niin karkea. Tässä kokeessa iskuvoimaa ja painetta kontrolloidaan. Nämä voimat muokkaavat pintaa ja luovat painauman tai syvennyksen. Painauman koko tai syvyys määrää metallin kovuuden.
Teräksen arvioinnissa yleisiä kovuuskokeita ovat Brinell, Vickers ja Rockwell. Jokaisella on oma asteikonsa, ja joillakin on useita testimenetelmiä, kuten Rockwell A, B ja C. Teräsputkien osalta ASTM-spesifikaatio A513 viittaa Rockwell B -kokeeseen (lyhennettynä HRB tai RB). Rockwell B -koe mittaa teräksen tunkeutumisen eroa 1⁄16 tuuman halkaisijaltaan olevalla teräskuulalla pienen esikuormituksen ja 100 kgf:n pääkuormituksen välillä. Tyypillinen tulos tavalliselle pehmeälle teräkselle on HRB 60.
Materiaalitieteilijät tietävät, että kovuus liittyy lineaarisesti hitsauslujuuteen (UTS). Siksi tietty kovuus voi ennustaa hitsauslujuuden (UTS). Samoin putkivalmistajat tietävät, että MYS ja UTS ovat yhteydessä toisiinsa. Hitsattujen putkien MYS on tyypillisesti 70–85 % UTS:sta. Tarkka määrä riippuu putken valmistusprosessista. HRB 60:n kovuus korreloi 60 000 paunan neliötuumaa kohden (PSI) UTS:n ja 80 %:n eli 48 000 PSI:n MYS:n kanssa.
Yleisin putkispesifikaatio yleisessä valmistuksessa on maksimikovuus. Koon lisäksi insinööri halusi määrittää hitsatun sähkövastushitsatun (ERW) putken hyvällä käyttöalueella, mikä voisi johtaa komponentin piirustukseen mahdollisesti jopa HRB 60:n maksimikovuuteen. Pelkästään tämä päätös johtaa useisiin lopullisiin mekaanisiin ominaisuuksiin, mukaan lukien itse kovuus.
Ensinnäkin HRB 60:n kovuus ei kerro meille paljoa. HRB 60 -lukema on dimensioton luku. HRB 59:llä arvioitu materiaali on pehmeämpää kuin HRB 60:llä testattu materiaali, ja HRB 61 on kovempi kuin HRB 60, mutta kuinka paljon? Sitä ei voida mitata kuten tilavuutta (mitattuna desibeleinä), vääntömomenttia (mitattuna paunajalkoina), nopeutta (mitattuna etäisyytenä suhteessa aikaan) tai UTS:ää (mitattuna paunoina neliötuumaa kohden). HRB 60:n lukema ei kerro meille mitään erityistä. Tämä on materiaalin ominaisuus, mutta ei fysikaalinen ominaisuus. Toiseksi, kovuusmittaus ei sovellu toistettavuuden tai uusittavuuden mittaamiseen. Kahden paikan arviointi testinäytteessä, vaikka testauspaikat olisivat lähellä toisiaan, johtaa usein suureen vaihteluun kovuuslukemissa. Tämän ongelman paheneminen on testin luonne. Kun kohta on mitattu, sitä ei voida mitata uudelleen tulosten varmistamiseksi. Testin toistettavuus ei ole mahdollista.
Tämä ei tarkoita, että kovuusmittaus olisi hankalaa. Itse asiassa se tarjoaa hyvän oppaan materiaalin kovuuslujuudesta, ja se on nopea ja helppo suorittaa. Kaikkien putkien määrittelyyn, hankintaan ja valmistukseen osallistuvien tulisi kuitenkin olla tietoisia sen rajoituksista testiparametrina.
Koska "normaalia" putkea ei ole tarkasti määritelty, putkivalmistajat usein rajaavat sen tarvittaessa kahteen yleisimmin käytettyyn teräsputkeen ja putkityyppiin, jotka on määritelty standardissa ASTM A513: 1008 ja 1010. Vaikka kaikki muut putkityypit olisi poistettu, näiden kahden putkityypin mekaanisten ominaisuuksien mahdollisuudet ovat laajat. Itse asiassa näillä putkityypeillä on laajin mekaanisten ominaisuuksien valikoima kaikista putkityypeistä.
Esimerkiksi putkea kuvataan pehmeäksi, jos MYS on alhainen ja venymä korkea. Tämä tarkoittaa, että se suoriutuu vetolujuudesta, taipumasta ja asettumasta paremmin kuin kova putki, jolla on suhteellisen korkea MYS ja suhteellisen alhainen venymä. Tämä on samanlainen ero kuin pehmeän ja kovan langan, kuten vaateripustimien ja poranterien, välillä.
Venymä itsessään on toinen tekijä, jolla on merkittävä vaikutus kriittisiin putkisovelluksiin. Suuren venymän omaavat putket kestävät vetolujuuksia; pienen venymän omaavat materiaalit ovat hauraampia ja siksi alttiimpia katastrofaalisille väsymismurtumisille. Venymä ei kuitenkaan liity suoraan vetolujuuteen, joka on ainoa kovuuteen suoraan liittyvä mekaaninen ominaisuus.
Miksi putkien mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat niin paljon? Ensinnäkin kemiallinen koostumus on erilainen. Teräs on kiinteä liuos raudasta, hiilestä ja muista tärkeistä seoksista. Yksinkertaisuuden vuoksi käsittelemme tässä vain hiiliprosenttiosuuksia. Hiiliatomit korvaavat osan rauta-atomeista muodostaen teräksen kiderakenteen. ASTM 1008 on kaikenkattava peruslaatu, jonka hiilipitoisuus on 0–0,10 %. Nolla on hyvin erityinen luku, joka tuottaa ainutlaatuisia ominaisuuksia, kun teräksen hiilipitoisuus on erittäin alhainen. ASTM 1010 määrittää hiilipitoisuudeksi 0,08–0,13 %. Nämä erot eivät vaikuta valtavilta, mutta ne ovat riittävän suuria tehdäkseen suuren eron muualla.
Toiseksi teräsputki voidaan valmistaa tai valmistaa ja myöhemmin käsitellä seitsemässä eri valmistusprosessissa. ERW-putkien tuotantoon liittyvä ASTM A513 luettelee seitsemän tyyppiä:
Jos teräksen kemiallisella koostumuksella ja putken valmistusvaiheilla ei ole vaikutusta teräksen kovuuteen, niin mikä sitten on? Tähän kysymykseen vastaaminen tarkoittaa yksityiskohtien perehtymistä. Tämä kysymys herättää kaksi lisäkysymystä: Mitä yksityiskohtia ja kuinka tarkasti?
Ensimmäinen vastaus on teräksen muodostavien rakeiden yksityiskohdat. Kun terästä valmistetaan ensisijaisessa terästehtaassa, se ei jäähty valtavaksi lohkoksi, jossa on vain yksi ainoa piirre. Teräksen jäähtyessään teräksen molekyylit järjestäytyvät toistuviksi kuvioiksi (kiteiksi), samalla tavalla kuin lumihiutaleet muodostuvat. Kiteiden muodostumisen jälkeen ne aggregoituvat ryhmiksi, joita kutsutaan rakeiksi. Jäähtymisen edetessä rakeet kasvavat ja muodostuvat kaikkialle levyyn tai levyyn. Rakeiden kasvu lakkaa, kun viimeiset teräsmolekyylit imeytyvät rakeisiin. Kaikki tämä tapahtuu mikroskooppisella tasolla, koska teräsrakeen keskimääräinen koko on noin 64 µ tai 0,0025 tuumaa leveä. Vaikka jokainen rae on samanlainen kuin seuraava, ne eivät ole samoja. Ne vaihtelevat hieman kooltaan, suunnaltaan ja hiilipitoisuudeltaan. Rakeiden välistä rajapintaa kutsutaan raerajaksi. Kun teräs murtuu esimerkiksi väsymishalkeamien vuoksi, se yleensä murtuu raerajoja pitkin.
Kuinka kauas täytyy katsoa, ​​jotta erottuvia rakeita näkyy? 100-kertainen suurennus tai 100-kertainen ihmisen näkökyky riittää. Pelkkä käsittelemättömän teräksen katsominen 100-kertaisella suurennusasteella ei kuitenkaan paljasta paljoa. Näyte valmistetaan kiillottamalla näyte ja syövyttämällä pinta hapolla (yleensä typpihapolla ja alkoholilla), jota kutsutaan nitroetanolietsausaineeksi.
Juuri rakeet ja niiden sisäinen hila määräävät iskulujuuden, MYS:n, UTS:n ja venymän, jonka teräs kestää ennen murtumista.
Teräksenvalmistusvaiheet, kuten nauhan kuuma- ja kylmävalssaus, kohdistavat jännitystä raerakenteeseen; jos ne muuttavat muotoaan pysyvästi, tämä tarkoittaa, että jännitys muuttaa raerakenteen muotoa.Muut käsittelyvaiheet, kuten teräksen kelaaminen keloiksi, sen purkaminen kelalta ja teräsrakeiden muodonmuutos putkimyllyssä (putken muodostamiseksi ja koon muuttamiseksi).Putken kylmäveto tuurnalla kohdistaa myös painetta materiaaliin, samoin kuin valmistusvaiheet, kuten pään muotoilu ja taivutus.Raerakenteen muutoksia kutsutaan dislokaatioiksi.
Yllä mainitut vaiheet heikentävät teräksen sitkeyttä eli sen kykyä kestää vetolujuutta (avautumisjännitystä). Teräksestä tulee hauras, mikä tarkoittaa, että se murtuu todennäköisemmin, jos sitä työstetään jatkuvasti. Venymä on yksi sitkeyden osatekijä (puristuvuus on toinen). On tärkeää ymmärtää, että murtuminen tapahtuu useimmiten vetolujuuden, ei puristuksen aikana. Teräs kestää vetolujuutta erittäin hyvin suhteellisen suuren venymäkapasiteettinsa ansiosta. Teräs kuitenkin muuttaa muotoaan helposti puristuslujuuden alaisena – se on sitkeää – mikä on etu.
Betonilla on korkea puristuslujuus, mutta matala venyvyys verrattuna betoniin. Nämä ominaisuudet ovat päinvastaiset kuin teräksellä. Siksi teissä, rakennuksissa ja jalkakäytävillä käytettävässä betonissa käytetään usein raudoitusta. Tuloksena on tuote, jolla on kahden materiaalin lujuudet: vetolujuudessa teräs on vahvaa ja paineen alla betoni.
Kylmämuokkauksen aikana teräksen venyvyyden laskiessa sen kovuus kasvaa. Toisin sanoen se kovettuu. Tilanteesta riippuen tämä voi olla etu, mutta se voi myös olla haitta, koska kovuus rinnastetaan haurauteen. Toisin sanoen teräksen kovettuessa siitä tulee vähemmän elastinen, joten sen pettämisen todennäköisyys kasvaa.
Toisin sanoen jokainen prosessivaihe kuluttaa osan putken sitkeydestä. Se kovettuu työskennellessään, ja jos se on liian kova, se on käytännössä hyödytön. Kovuus on haurautta, ja hauras putki todennäköisesti pettää käytössä.
Onko valmistajalla tässä tapauksessa vaihtoehtoja? Lyhyesti sanottuna kyllä. Tämä vaihtoehto on hehkutus, ja vaikka se ei olekaan aivan taianomaista, se on niin lähellä taikaa kuin olla ja voi.
Yksinkertaisesti sanottuna hehkutus poistaa kaikki fyysisen rasituksen vaikutukset metalliin. Tämä prosessi lämmittää metallin jännityksenpoisto- tai uudelleenkiteytymislämpötilaan, mikä poistaa dislokaatiot. Hehkutusprosessissa käytetystä lämpötilasta ja ajasta riippuen prosessi palauttaa osan tai kaiken metallin sitkeyden.
Hehkutus ja kontrolloitu jäähdytys edistävät raekasvua. Tämä on hyödyllistä, jos tavoitteena on vähentää materiaalin haurautta, mutta kontrolloimaton raekasvu voi pehmentää metallia liikaa, jolloin siitä tulee käyttökelvoton aiottuun käyttötarkoitukseen. Hehkutusprosessin pysäyttäminen on toinen lähes taianomainen asia. Sammutus oikeassa lämpötilassa oikealla sammutusaineella oikeaan aikaan pysäyttää prosessin nopeasti, jolloin teräksen palautumisominaisuudet palautuvat.
Pitäisikö kovuusmäärityksestä luopua? Ei. Kovuusominaisuudet ovat arvokkaita ensisijaisesti vertailukohtana teräsputkia määriteltäessä. Kovuus on hyödyllinen mittari ja yksi monista ominaisuuksista, jotka tulisi määrittää putkimaista materiaalia tilattaessa ja tarkistaa vastaanotettaessa (ja kirjata jokaisen lähetyksen mukana). Kun kovuustarkastus on tarkastusstandardi, sillä tulisi olla asianmukaiset asteikkoarvot ja säätöalueet.
Se ei kuitenkaan ole todellinen testi materiaalin kelpuuttamiselle (hyväksymiselle tai hylkäämiselle). Kovuuden lisäksi valmistajien tulisi ajoittain testata lähetyksiä muiden asiaankuuluvien ominaisuuksien, kuten MYS:n, UTS:n tai vähimmäisvenymän, määrittämiseksi putken käyttötarkoituksesta riippuen.
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 Journalista tuli ensimmäinen metalliputkiteollisuudelle omistettu aikakauslehti vuonna 1990. Nykyään se on Pohjois-Amerikan ainoa alalle omistettu julkaisu ja siitä on tullut putkialan ammattilaisten luotetuin tiedonlähde.
Nyt täydellä pääsyllä The FABRICATORin digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.
The Tube & Pipe Journalin digitaalinen versio on nyt täysin saavutettavissa, ja se tarjoaa helpon pääsyn arvokkaisiin alan resursseihin.
Nauti täydestä pääsystä STAMPING Journalin digitaaliseen versioon, joka tarjoaa uusimmat tekniset edistysaskeleet, parhaat käytännöt ja alan uutiset metallinleimausmarkkinoille.
Nauti The Additive Reportin digitaalisen version täydestä käyttöoikeudesta ja opi, miten additiivista valmistusta voidaan käyttää toiminnan tehokkuuden parantamiseen ja voittojen kasvattamiseen.
Nyt täydellä pääsyllä The Fabricator en Español -lehden digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.