Különböző vizsgálati protokollok (Brinell, Rockwell, Vickers) rendelkeznek a vizsgált projektre jellemző eljárásokkal. A Rockwell T-vizsgálat vékonyfalú csövek vizsgálatára alkalmas, a cső hosszában történő elvágásával és a falnak a belső átmérő, nem pedig a külső átmérő felől történő vizsgálatával.
A csövek rendelése kicsit olyan, mintha elmennénk egy autókereskedésbe, és rendelnénk egy autót vagy teherautót. Manapság a számos elérhető opció lehetővé teszi a vásárlók számára, hogy a járművet sokféleképpen szabják testre – belső és külső színek, belső kárpitcsomagok, külső stíluslehetőségek, hajtáslánc-választások és egy olyan audiorendszer, amely majdnem vetekszik egy házimozi-rendszerrel. Mindezen lehetőségek miatt lehet, hogy nem leszel elégedett egy standard, sallangmentes járművel.
Az acélcsövek pont ilyenek. Több ezer opcióval vagy specifikációval rendelkeznek. A méretek mellett a specifikáció felsorolja a kémiai és számos mechanikai tulajdonságot, például a minimális folyáshatárt (MYS), a szakítószilárdságot (UTS) és a minimális szakadás előtti nyúlást. Az iparágban azonban sokan – mérnökök, beszerzési ügynökök és gyártók – elfogadott iparági rövidítéseket használnak, amelyek a „normál” hegesztett csövek használatát írják elő, és csak egy jellemzőt határoznak meg: a keménységet.
Próbálj meg egyetlen jellemző alapján autót rendelni („automata sebességváltós autóra van szükségem”), és nem fogsz messzire jutni egy eladóval. Ki kell töltenie egy megrendelőlapot, ahol sok lehetőség közül választhatsz. A cső pontosan az – ahhoz, hogy a megfelelő csövet kapd meg az alkalmazáshoz, a csőgyártónak több információra van szüksége, mint pusztán a keménységre.
Hogyan válik a keménység más mechanikai tulajdonságok elismert helyettesítőjévé? Valószínűleg egy csőgyártóval kezdődött. Mivel a keménységmérés gyors, egyszerű és viszonylag olcsó berendezéseket igényel, a csőkereskedők gyakran használják a keménységmérés módszerét két cső összehasonlítására. A keménységmérés elvégzéséhez mindössze egy sima csődarabra és egy tesztállványra van szükségük.
A cső keménysége jól korrelál az UTS-sel, és ökölszabályként a százalékok vagy százalékos tartományok hasznosak a MYS becslésében, így könnyen belátható, hogy a keménységmérés hogyan lehet megfelelő helyettesítő érték más tulajdonságok esetében.
Más tesztek is viszonylag összetettek. Míg a keménységvizsgálat egyetlen gépen mindössze egy percet vesz igénybe, a MYS, UTS és nyúlásvizsgálat minta-előkészítést és jelentős laboratóriumi berendezésekbe való beruházást igényel. Összehasonlításképpen, egy csőgyár kezelőjének másodpercekbe telik elvégeznie a keménységvizsgálatot, egy profi kohásznak pedig órákba telik a szakítóvizsgálat. A keménységellenőrzés elvégzése nem nehéz.
Ez nem azt jelenti, hogy a tervezett csőgyártók nem alkalmaznak keménységvizsgálatot. Biztonsággal kijelenthető, hogy a legtöbb ember alkalmazza, de mivel minden tesztberendezésükön elvégzik az ismételhetőség és a reprodukálhatóság mérését, jól ismerik a vizsgálat korlátait. A legtöbben a gyártási folyamat részeként mérik a csőkeménységet, de nem használják a cső tulajdonságainak számszerűsítésére. Ez csak egy sikeres/sikertelen teszt.
Miért kell tudnia a MYS-ről, az UTS-ről és a minimális nyúlásról? Ezek azt jelzik, hogyan fog viselkedni a cső az összeszerelés során.
Az MYS az a minimális erő, amely az anyag maradó deformációját okozza. Ha megpróbálsz kissé meghajlítani egy egyenes drótot (például egy vállfát), majd felengeded a nyomást, két dolog történhet: vagy visszaugrik eredeti állapotába (egyenes), vagy hajlított marad. Ha még mindig egyenes, akkor nem lépted át az MYS-t. Ha még mindig hajlított, akkor túllőttél rajta.
Most fogóval rögzítsd a drót mindkét végét. Ha két darabra tudod tépni a drótot, akkor túl vagy az UTS-en. Nagyon megfeszíted, és két drótod van, hogy megmutasd az emberfeletti erőfeszítésedet. Ha a drót eredeti hossza 5 hüvelyk, és a szakadás utáni két hossz összege 6 hüvelyk, akkor a drót 1 hüvelykkel, azaz 20%-kal nyúlik meg. A tényleges nyúlási tesztet a szakadási ponttól számított 2 hüvelyken belül mérik, de mindegy is – a húzódrót koncepciója szemlélteti az UTS-t.
Az acél fotomikrográf mintákat enyhén savas oldattal (általában salétromsavval és alkohollal (nitroetanollal)) kell vágni, polírozni és maratni, hogy a szemcsék láthatóvá váljanak. A 100-szoros nagyítást általában az acélszemcsék vizsgálatára és a szemcseméret meghatározására használják.
A keménység azt méri, hogy egy anyag hogyan reagál az ütésekre. Képzeljen el egy rövid csődarabot egy recés pofákkal ellátott satuba, és zárja el a satut. A cső ellaposítása mellett a satu pofái bemélyedéseket is hagynak a cső felületén.
Így működik a keménységvizsgálat, de nem ennyire durva. Ennél a vizsgálatnál szabályozott ütésméret és szabályozott nyomás érvényesül. Ezek az erők deformálják a felületet, bemélyedést vagy bemélyedést hozva létre. A bemélyedés mérete vagy mélysége határozza meg a fém keménységét.
Az acél értékeléséhez gyakori keménységvizsgálatok a Brinell, a Vickers és a Rockwell. Mindegyiknek saját skálája van, és néhánynak több vizsgálati módszere is van, például a Rockwell A, B és C. Acélcsövek esetében az ASTM A513 specifikáció a Rockwell B tesztre (rövidítve HRB vagy RB) hivatkozik. A Rockwell B teszt egy 1⁄16 hüvelyk átmérőjű acélgolyó acélba való behatolásának különbségét méri kis előterhelés és 100 kgf elsődleges terhelés között. A standard lágyacél tipikus eredménye a HRB 60.
Az anyagtudósok tudják, hogy a keménység lineárisan összefügg az UTS-sel. Ezért egy adott keménység megjósolhatja az UTS-t. Hasonlóképpen, a csőgyártók is tudják, hogy az MYS és az UTS összefügg. Hegesztett csövek esetében az MYS jellemzően az UTS 70% és 85% között van. A pontos mennyiség a cső gyártási folyamatától függ. A HRB 60 keménysége 60 000 font/négyzethüvelyk (PSI) UTS-nek és 80%-os, azaz 48 000 PSI MYS-nek felel meg.
Az általános gyártásban a leggyakoribb csőspecifikáció a maximális keménység. A méret mellett a mérnököt az is érdekelte, hogy a hegesztett elektromos ellenállás-hegesztéssel (ERW) készült cső megfeleljen a jó üzemi tartománynak, ami akár HRB 60 maximális keménységet is eredményezhet az alkatrész rajzán. Ez a döntés önmagában a végső mechanikai tulajdonságok, beleértve magát a keménységet is, széles skálájához vezet.
Először is, a HRB 60 keménysége nem sokat mond. A HRB 60 érték egy dimenzió nélküli szám. A HRB 59-cel értékelt anyag lágyabb, mint a HRB 60-nal vizsgált anyag, és a HRB 61 keményebb, mint a HRB 60, de mennyire? Nem számszerűsíthető, mint a térfogat (decibelben mérve), a nyomaték (font-lábban mérve), a sebesség (időhöz viszonyított távolságban mérve) vagy az UTS (font/négyzethüvelykben mérve). A HRB 60 leolvasása nem mond el semmi konkrétat. Ez az anyag tulajdonsága, de nem fizikai tulajdonság. Másodszor, a keménységmérés nem alkalmas az ismételhetőségre vagy a reprodukálhatóságra. Két hely kiértékelése egy vizsgálati mintán, még akkor is, ha a vizsgálati helyek közel vannak egymáshoz, gyakran nagy eltérést eredményez a keménységmérésekben. Ezt a problémát a vizsgálat természete súlyosbítja. Miután egy pozíciót megmértek, nem lehet másodszor megmérni az eredmények ellenőrzése érdekében. A vizsgálat megismételhetősége nem lehetséges.
Ez nem jelenti azt, hogy a keménységmérés kényelmetlen. Valójában jó útmutatót nyújt az anyag szakítószilárdságához, és gyorsan és egyszerűen elvégezhető teszt. Mindazonáltal mindenkinek, aki részt vesz a csövek specifikálásában, beszerzésében és gyártásában, tisztában kell lennie a tesztparaméterként való alkalmazásának korlátaival.
Mivel a „normál” cső fogalma nincs pontosan meghatározva, a csőgyártók szükség esetén gyakran leszűkítik a meghatározást az ASTM A513 szabványban meghatározott két leggyakrabban használt acélcsőre és csőtípusra: 1008 és 1010. Még az összes többi csőtípus kizárása után is tágak a lehetőségek e két csőtípus mechanikai tulajdonságai tekintetében. Valójában ezek a csőtípusok rendelkeznek a legszélesebb mechanikai tulajdonságskálával az összes típus közül.
Például egy csövet puhának nevezünk, ha az MYS alacsony, a nyúlás pedig magas, ami azt jelenti, hogy szakítószilárdság, alakváltozás és alakváltozás szempontjából jobban teljesít, mint egy keménynek leírt cső, amelynek viszonylag magas az MYS értéke és viszonylag alacsony a nyúlása. Ez hasonló a puha és kemény huzal, például a ruhaakasztók és a fúrók közötti különbséghez.
Maga a nyúlás egy másik tényező, amely jelentős hatással van a kritikus csőalkalmazásokra. A nagy nyúlású csövek ellenállnak a szakítóerőknek; az alacsony nyúlású anyagok törékenyebbek, ezért hajlamosabbak a katasztrofális fáradásos meghibásodásokra. A nyúlás azonban nem kapcsolódik közvetlenül a szakítószilárdsághoz (UTS), amely az egyetlen mechanikai tulajdonság, amely közvetlenül kapcsolódik a keménységhez.
Miért változnak annyira a csövek mechanikai tulajdonságai? Először is, a kémiai összetételük eltérő. Az acél vas, szén és más fontos ötvözetek szilárd oldata. Az egyszerűség kedvéért itt csak a szén százalékos arányával foglalkozunk. A szénatomok a vasatomok egy részét helyettesítik, így alakul ki az acél kristályszerkezete. Az ASTM 1008 egy mindent átfogó elsődleges minőség, amelynek széntartalma 0% és 0,10% között van. A nulla egy nagyon speciális szám, amely egyedi tulajdonságokat eredményez, ha az acél széntartalma rendkívül alacsony. Az ASTM 1010 0,08% és 0,13% közötti széntartalmat határoz meg. Ezek a különbségek nem tűnnek hatalmasnak, de elég nagyok ahhoz, hogy máshol nagy különbséget jelentsenek.
Másodszor, az acélcső hét különböző gyártási folyamatban gyártható vagy gyártható, majd feldolgozható. Az ERW csőgyártással kapcsolatos ASTM A513 hét típust sorol fel:
Ha az acél kémiai összetétele és a csőgyártási lépések nincsenek hatással az acél keménységére, akkor mi van? A kérdés megválaszolása a részletek alapos áttanulmányozását jelenti. Ez a kérdés további két kérdést vet fel: Milyen részleteket, és mennyire pontosan?
Az acélt alkotó szemcsék részletei jelentik az első választ. Amikor az acélt egy elsődleges acélgyárban gyártják, az nem egyetlen jellemzővel rendelkező hatalmas tömbbé hűl le. Ahogy az acél hűl, az acél molekulái ismétlődő mintázatokba (kristályokba) rendeződnek, hasonlóan a hópelyhekhez. Miután a kristályok kialakultak, szemcséknek nevezett csoportokba aggregálódnak. A hűtés előrehaladtával a szemcsék növekednek és kialakulnak a lemezben vagy lemezben. A szemcsék növekedése abbamarad, amint az utolsó acélmolekulákat is elnyelik a szemcsék. Mindez mikroszkopikus szinten történik, mivel az átlagos acélszemcse mérete körülbelül 64 µ vagy 0,0025 hüvelyk széles. Bár minden szemcse hasonló a következőhöz, nem egyformák. Méretükben, orientációjukban és széntartalmukban kissé eltérnek. A szemcsék közötti határfelületet szemcsehatárnak nevezik. Amikor az acél eltörik, például fáradásos repedések miatt, akkor általában a szemcsehatárok mentén törik el.
Milyen messzire kell nézni, hogy kivehető szemcséket lássunk? 100-szoros nagyítás, vagyis 100-szoros emberi látás elegendő. Azonban egy kezeletlen acél 100-szoros nagyítása nem sokat mutat. A mintát úgy készítik elő, hogy polírozzák, és a felületét egy savval (általában salétromsavval és alkohollal), úgynevezett nitroetanol-maratóval maratják.
A szemcsék és azok belső rácsa határozza meg az ütésállóságot, a törési szilárdságot (MYS), az ütésállóságot (UTS) és a nyúlást, amelyet egy acél törés előtt el tud viselni.
Az acélgyártási lépések, mint például a szalagok meleg- és hideghengerlése, feszültséget fejtenek ki a szemcseszerkezetre; ha ezek véglegesen megváltoztatják az alakjukat, az azt jelenti, hogy a feszültség deformálja a szemcséket. Más feldolgozási lépések, mint például az acél tekercsekbe tekercselése, letekerése és az acélszemcsék csőmalomban történő deformálása (a cső kialakítása és méretre igazítása). A cső hideghúzása a tüskén szintén nyomást gyakorol az anyagra, akárcsak a gyártási lépések, mint például a végformázás és a hajlítás. A szemcseszerkezet változásait diszlokációknak nevezzük.
A fenti lépések csökkentik az acél képlékenységét, ami a szakítószilárdsággal (húzófeszültséggel) szembeni ellenállásának képességét jelenti. Az acél rideggé válik, ami azt jelenti, hogy nagyobb a valószínűsége a törésének, ha folyamatosan dolgozunk rajta. A nyúlás a képlékenység egyik összetevője (az összenyomhatóság egy másik). Fontos megérteni, hogy a törés leggyakrabban szakítószilárdság, nem pedig összenyomódás során következik be. Az acél viszonylag nagy nyúlási képessége miatt nagyon ellenálló a szakítószilárdsággal szemben. Az acél azonban nyomófeszültség alatt könnyen deformálódik – képlékeny –, ami előny.
A betonnak nagy a nyomószilárdsága, de a betonhoz képest alacsony a képlékenysége. Ezek a tulajdonságok ellentétesek az acél tulajdonságaival. Ezért az utakhoz, épületekhez és járdákhoz használt betont gyakran betonacéllal látják el. Az eredmény egy olyan termék, amely két anyag szilárdságával rendelkezik: feszültség alatt az acél, nyomás alatt pedig a beton erős.
Hidegenalakítás során az acél képlékenységének csökkenésével a keménysége növekszik. Más szóval, megkeményedik. A helyzettől függően ez előny is lehet, azonban hátrány is, mivel a keménység egyenlő a ridegséggel. Vagyis ahogy az acél keményebbé válik, egyre kevésbé rugalmassá válik, ezért nagyobb a valószínűsége a meghibásodásnak.
Más szóval, minden egyes folyamatlépés csökkenti a cső képlékenységét. Ahogy a darab megmunkálása során egyre keményebb lesz, és ha túl kemény, akkor gyakorlatilag használhatatlan. A keménység ridegséget jelent, és egy rideg cső valószínűleg eltörik használat közben.
Van a gyártónak erre vonatkozó lehetősége? Röviden, igen. Ez a lehetőség a lágyítás, és bár nem egészen varázslatos, a lehető legközelebb áll a varázslathoz.
Közérthetően fogalmazva, a lágyítás megszünteti a fém fizikai feszültségének minden hatását. Ez a folyamat feszültségmentesítési vagy átkristályosodási hőmérsékletre melegíti a fémet, ezáltal kiküszöböli a diszlokációkat. A lágyítási folyamat során alkalmazott konkrét hőmérséklettől és időtől függően a folyamat így visszaállítja a képlékenységének egy részét vagy egészét.
A lágyítás és a szabályozott hűtés elősegíti a szemcsék növekedését. Ez előnyös, ha a cél az anyag ridegségének csökkentése, de a szabályozatlan szemcsék növekedése túlságosan meglágyíthatja a fémet, ami a rendeltetésszerű használatra használhatatlanná teheti. A lágyítási folyamat leállítása egy másik szinte varázslatos dolog. A megfelelő hőmérsékleten, a megfelelő edzőszerrel és a megfelelő időben végzett edzés gyorsan leállítja a folyamatot, hogy az acél visszanyerje eredeti tulajdonságait.
El kellene hagynunk a keménységi specifikációt? Nem. A keménységi jellemzők elsősorban referenciapontként értékesek az acélcsövek specifikációjánál. A keménység hasznos mérőszám, és egyike azon jellemzőknek, amelyeket a cső alakú anyag megrendelésekor meg kell adni, és átvételkor ellenőrizni kell (és minden szállítmánynál rögzíteni kell). Ha a keménységvizsgálat az ellenőrzési szabvány, akkor megfelelő skálázási értékekkel és szabályozási tartományokkal kell rendelkeznie.
Ez azonban nem egy valódi teszt az anyag minősítésére (elfogadására vagy elutasítására). A keménység mellett a gyártóknak időnként tesztelniük kell a szállítmányokat más releváns tulajdonságok, például a MYS, UTS vagy a minimális nyúlás meghatározása érdekében, a cső alkalmazásától függően.
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.
A Tube & Pipe Journal 1990-ben lett az első, kifejezetten a fémcsőiparnak szentelt magazin. Ma is ez az egyetlen, az iparágnak szentelt kiadvány Észak-Amerikában, és a csőszakemberek legmegbízhatóbb információforrásává vált.
Mostantól teljes hozzáféréssel a The FABRICATOR digitális kiadásához, könnyű hozzáféréssel az értékes iparági forrásokhoz.
A The Tube & Pipe Journal digitális kiadása mostantól teljes mértékben hozzáférhető, könnyű hozzáférést biztosítva az értékes iparági forrásokhoz.
Élvezze a STAMPING Journal digitális kiadásának teljes hozzáférését, amely a fémbélyegző piac legújabb technológiai fejlesztéseit, legjobb gyakorlatait és iparági híreit tartalmazza.
Élvezze az Additív Jelentés digitális kiadásának teljes hozzáférését, hogy megtudja, hogyan használható az additív gyártás a működési hatékonyság javítására és a profit növelésére.
Mostantól teljes hozzáféréssel a The Fabricator en Español digitális kiadásához, könnyű hozzáféréssel az értékes iparági forrásokhoz.