Diversi protocolli di prova (Brinell, Rockwell, Vickers) prevedono procedure specifiche per il progetto in esame. La prova Rockwell T è adatta per l'ispezione di tubi a parete sottile, tagliando il tubo longitudinalmente e testando la parete dal diametro interno anziché da quello esterno.
Ordinare un veicolo personalizzato è un po' come andare in una concessionaria e ordinare un'auto o un camion. Oggi, le numerose opzioni disponibili permettono agli acquirenti di personalizzare il veicolo in svariati modi: colori interni ed esterni, allestimenti interni, opzioni di stile esterno, scelte di propulsione e un sistema audio che quasi rivaleggia con un sistema di intrattenimento domestico. Date tutte queste opzioni, potreste non accontentarvi di un veicolo standard e senza fronzoli.
I tubi in acciaio sono proprio questo: tubi in acciaio. Esistono migliaia di opzioni e specifiche. Oltre alle dimensioni, le specifiche elencano le proprietà chimiche e diverse proprietà meccaniche, come la resistenza allo snervamento minima (MYS), la resistenza alla trazione ultima (UTS) e l'allungamento minimo prima della rottura. Tuttavia, molti nel settore – ingegneri, responsabili degli acquisti e produttori – utilizzano abbreviazioni standard che richiedono l'uso di tubi saldati "normali" e specificano una sola caratteristica: la durezza.
Provate a ordinare un'auto basandovi su una sola caratteristica ("Ho bisogno di un'auto con cambio automatico") e non otterrete molto da un venditore. Dovrà compilare un modulo d'ordine con molte opzioni. Lo stesso vale per i tubi: per ottenere il tubo giusto per l'applicazione, il produttore ha bisogno di più informazioni della semplice durezza.
Come mai la durezza è diventata un sostituto riconosciuto di altre proprietà meccaniche? Probabilmente tutto è iniziato con un produttore di tubi. Poiché il test di durezza è rapido, semplice e richiede attrezzature relativamente economiche, i venditori di tubi lo utilizzano spesso per confrontare due tubi. Per eseguire un test di durezza, tutto ciò di cui hanno bisogno è un tratto di tubo liscio e un banco di prova.
La durezza del tubo è ben correlata con la resistenza alla trazione (UTS) e, come regola generale, le percentuali o gli intervalli percentuali sono utili per stimare la resistenza massima alla trazione (MYS), quindi è facile capire come la prova di durezza possa essere un valido indicatore indiretto di altre proprietà.
Inoltre, altri test sono relativamente complessi. Mentre la prova di durezza richiede solo un minuto circa su una singola macchina, le prove di MYS, UTS e allungamento richiedono la preparazione del campione e un investimento significativo in grandi attrezzature di laboratorio. Per fare un confronto, un operatore di un laminatoio per tubi impiega pochi secondi per eseguire una prova di durezza e un tecnico metallurgico professionista impiega ore per eseguire una prova di trazione. Eseguire un controllo di durezza non è difficile.
Questo non significa che i produttori di tubi non utilizzino le prove di durezza. Si può affermare con certezza che la maggior parte le esegue, ma poiché effettuano valutazioni di ripetibilità e riproducibilità su tutte le loro apparecchiature di prova, sono ben consapevoli dei limiti del test. La maggior parte utilizza la valutazione della durezza dei tubi come parte del processo produttivo, ma non la utilizza per quantificare le proprietà del tubo. Si tratta semplicemente di un test di superamento/non superamento.
Perché è importante conoscere MYS, UTS e allungamento minimo? Questi valori indicano come si comporterà il tubo durante l'assemblaggio.
MYS è la forza minima che provoca una deformazione permanente del materiale. Se si tenta di piegare leggermente un filo dritto (come quello di una gruccia) e si rilascia la pressione, possono verificarsi due situazioni: il filo tornerà alla sua forma originale (dritto) oppure rimarrà piegato. Se è ancora dritto, non si è superato il valore di MYS. Se è ancora piegato, lo si è superato.
Ora, usa delle pinze per bloccare entrambe le estremità del filo. Se riesci a spezzare il filo in due pezzi, hai superato il suo carico di rottura. Hai applicato molta tensione e hai due fili a dimostrazione del tuo sforzo sovrumano. Se la lunghezza originale del filo è di 5 pollici e le due lunghezze dopo la rottura sommate sono pari a 6 pollici, il filo si è allungato di 1 pollice, ovvero del 20%. Il test di allungamento effettivo viene misurato entro 2 pollici dal punto di rottura, ma comunque – il concetto del filo di trazione illustra il carico di rottura.
I campioni di acciaio per la microfotografia devono essere tagliati, lucidati e incisi con una soluzione leggermente acida (solitamente acido nitrico e alcol (nitroetanolo)) per rendere visibili i grani. Un ingrandimento di 100x è comunemente utilizzato per ispezionare i grani dell'acciaio e determinarne la dimensione.
La durezza è una misura di come un materiale reagisce agli urti. Immaginate di inserire un breve pezzo di tubo in una morsa con ganasce dentellate e di stringerla. Oltre ad appiattire il tubo, le ganasce della morsa lasciano anche delle impronte sulla sua superficie.
Ecco come funziona il test di durezza, ma non è poi così complicato. Questo test prevede un impatto controllato e una pressione controllata. Queste forze deformano la superficie, creando un'indentazione o una rientranza. La dimensione o la profondità dell'indentazione determina la durezza del metallo.
Per la valutazione dell'acciaio, i test di durezza più comuni sono Brinell, Vickers e Rockwell. Ognuno ha la propria scala e alcuni prevedono più metodi di prova, come Rockwell A, B e C. Per i tubi in acciaio, la specifica ASTM A513 fa riferimento al test Rockwell B (abbreviato in HRB o RB). Il test Rockwell B misura la differenza di penetrazione nell'acciaio da parte di una sfera d'acciaio di 1/16 di pollice di diametro tra un piccolo precarico e un carico primario di 100 kgf. Un risultato tipico per l'acciaio dolce standard è HRB 60.
Gli scienziati dei materiali sanno che la durezza è linearmente correlata alla resistenza a trazione (UTS). Pertanto, una data durezza può prevedere l'UTS. Allo stesso modo, i produttori di tubi sanno che la resistenza a trazione massima (MYS) e l'UTS sono correlate. Per i tubi saldati, la MYS è in genere compresa tra il 70% e l'85% dell'UTS. La quantità esatta dipende dal processo di fabbricazione del tubo. La durezza dell'HRB 60 corrisponde a un'UTS di 60.000 libbre per pollice quadrato (PSI) e a una MYS dell'80%, ovvero 48.000 PSI.
Nella produzione industriale, la specifica più comune per i tubi è la durezza massima. Oltre alle dimensioni, l'ingegnere era preoccupato di specificare un tubo saldato mediante elettrosaldatura a resistenza (ERW) entro un intervallo di funzionamento ottimale, il che potrebbe comportare una durezza massima di HRB 60 riportata sul disegno del componente. Questa sola decisione determina una gamma di proprietà meccaniche finali, inclusa la durezza stessa.
Innanzitutto, la durezza HRB 60 non ci dice molto. La lettura HRB 60 è un numero adimensionale. Il materiale valutato con HRB 59 è più morbido del materiale testato con HRB 60 e HRB 61 è più duro di HRB 60, ma di quanto? Non può essere quantificato come il volume (misurato in decibel), la coppia (misurata in libbre-piedi), la velocità (misurata in distanza relativa al tempo) o l'UTS (misurato in libbre per pollice quadrato). La lettura HRB 60 non ci dice nulla di specifico. Questa è una proprietà del materiale, ma non una proprietà fisica. In secondo luogo, la prova di durezza non è adatta alla ripetibilità o alla riproducibilità. La valutazione di due punti su un campione di prova, anche se i punti di prova sono vicini tra loro, spesso si traduce in una grande variazione nelle letture di durezza. A complicare ulteriormente questo problema è la natura della prova. Dopo che una posizione è stata misurata, non può essere misurata una seconda volta per verificarne la precisione. Risultati. La ripetibilità del test non è possibile.
Ciò non significa che la prova di durezza sia scomoda. Anzi, fornisce una buona indicazione della resistenza a trazione di un materiale ed è una prova rapida e facile da eseguire. Tuttavia, tutti coloro che sono coinvolti nella specifica, nell'acquisto e nella produzione di tubi dovrebbero essere consapevoli dei suoi limiti come parametro di prova.
Poiché la definizione di tubo "normale" non è ben definita, quando necessario, i produttori di tubi spesso restringono il campo ai due tipi di tubo in acciaio più comunemente utilizzati e definiti nella norma ASTM A513: 1008 e 1010. Anche dopo aver escluso tutti gli altri tipi di tubo, le possibilità in termini di proprietà meccaniche di questi due tipi di tubo rimangono ampie. Di fatto, questi tipi di tubo presentano la più ampia gamma di proprietà meccaniche in assoluto.
Ad esempio, un tubo viene definito morbido se il limite di snervamento (MYS) è basso e l'allungamento è alto, il che significa che ha prestazioni migliori in termini di trazione, flessione e deformazione rispetto a un tubo definito duro, che ha un MYS relativamente alto e un allungamento relativamente basso. Questo è simile alla differenza tra filo morbido e duro, come ad esempio le grucce e i trapani.
L'allungamento stesso è un altro fattore che ha un impatto significativo sulle applicazioni critiche delle tubazioni. I tubi con elevato allungamento possono resistere alle forze di trazione; i materiali con basso allungamento sono più fragili e quindi più inclini a cedimenti catastrofici di tipo fatica. Tuttavia, l'allungamento non è direttamente correlato alla resistenza a trazione (UTS), che è l'unica proprietà meccanica direttamente correlata alla durezza.
Perché le proprietà meccaniche dei tubi variano così tanto? Innanzitutto, la composizione chimica è diversa. L'acciaio è una soluzione solida di ferro, carbonio e altre leghe importanti. Per semplicità, qui ci occuperemo solo delle percentuali di carbonio. Gli atomi di carbonio sostituiscono alcuni atomi di ferro, formando la struttura cristallina dell'acciaio. La norma ASTM 1008 è una classe primaria onnicomprensiva con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0% e lo 0,10%. Lo zero è un numero molto speciale che produce proprietà uniche quando il contenuto di carbonio nell'acciaio è estremamente basso. La norma ASTM 1010 specifica un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,08% e lo 0,13%. Queste differenze non sembrano enormi, ma sono sufficienti a fare una grande differenza altrove.
In secondo luogo, il tubo d'acciaio può essere fabbricato o fabbricato e successivamente lavorato in sette diversi processi di produzione. La norma ASTM A513 relativa alla produzione di tubi ERW elenca sette tipologie:
Se la composizione chimica dell'acciaio e le fasi di fabbricazione del tubo non influiscono sulla durezza dell'acciaio, qual è il suo effetto? Rispondere a questa domanda significa analizzare i dettagli. Questa domanda ne solleva altre due: quali dettagli e con quale precisione?
La prima risposta riguarda i dettagli relativi ai grani che compongono l'acciaio. Quando l'acciaio viene prodotto in un'acciaieria primaria, non si raffredda in un unico blocco massiccio con una forma definita. Durante il raffreddamento, le molecole dell'acciaio si organizzano in strutture ripetitive (cristalli), in modo simile alla formazione dei fiocchi di neve. Dopo la formazione dei cristalli, questi si aggregano in gruppi chiamati grani. Man mano che il raffreddamento procede, i grani crescono e si distribuiscono uniformemente nella lamiera o nella piastra. La crescita dei grani si arresta quando le ultime molecole di acciaio vengono assorbite. Tutto ciò avviene a livello microscopico, poiché la dimensione media di un grano d'acciaio è di circa 64 µm, ovvero 0,0025 pollici di diametro. Sebbene ogni grano sia simile al successivo, non sono identici. Variano leggermente per dimensioni, orientamento e contenuto di carbonio. L'interfaccia tra i grani è chiamata bordo di grano. Quando l'acciaio si rompe, ad esempio a causa di cricche da fatica, tende a rompersi lungo i bordi di grano.
A che distanza bisogna guardare per distinguere i grani? Un ingrandimento di 100x, ovvero 100x la vista umana, è sufficiente. Tuttavia, osservare l'acciaio non trattato con un ingrandimento di 100x non rivela molto. Il campione viene preparato lucidandolo e incidendo la superficie con un acido (solitamente acido nitrico e alcol) chiamato agente di attacco al nitroetanolo.
Sono i grani e la loro struttura reticolare interna a determinare la resistenza all'urto, il carico di rottura (MYS), il carico di rottura (UTS) e l'allungamento che un acciaio può sopportare prima della rottura.
Le fasi di produzione dell'acciaio, come la laminazione a caldo e a freddo del nastro, applicano una sollecitazione alla struttura granulare; se questa cambia forma in modo permanente, significa che la sollecitazione deforma la struttura granulare. Altre fasi di lavorazione, come l'avvolgimento dell'acciaio in bobine, lo svolgimento e la deformazione dei grani d'acciaio attraverso un laminatoio per tubi (per formare e dimensionare il tubo), esercitano pressione sul materiale, così come le fasi di lavorazione quali la formatura delle estremità e la piegatura. Le modifiche alla struttura granulare sono chiamate dislocazioni.
I passaggi sopra descritti riducono la duttilità dell'acciaio, ovvero la sua capacità di resistere alla sollecitazione di trazione (allungamento). L'acciaio diventa fragile, il che significa che è più probabile che si rompa se si continua a lavorarlo. L'allungamento è una componente della duttilità (la comprimibilità è un'altra). È importante capire che la rottura si verifica più spesso durante la sollecitazione di trazione, non di compressione. L'acciaio è molto resistente alla sollecitazione di trazione grazie alla sua capacità di allungamento relativamente elevata. Tuttavia, l'acciaio si deforma facilmente sotto sollecitazione di compressione – è duttile – il che rappresenta un vantaggio.
Rispetto all'acciaio, il calcestruzzo ha un'elevata resistenza alla compressione ma una bassa duttilità. Queste proprietà sono opposte a quelle dell'acciaio. Per questo motivo, il calcestruzzo utilizzato per strade, edifici e marciapiedi viene spesso rinforzato con barre d'armatura. Il risultato è un prodotto che combina le caratteristiche di resistenza di due materiali: l'acciaio è resistente alla trazione, mentre il calcestruzzo resiste alla pressione.
Durante la lavorazione a freddo, mentre la duttilità dell'acciaio diminuisce, la sua durezza aumenta. In altre parole, si indurisce. A seconda della situazione, questo può essere un vantaggio; tuttavia, può anche essere uno svantaggio poiché la durezza è sinonimo di fragilità. Ovvero, man mano che l'acciaio diventa più duro, diventa meno elastico e quindi è più soggetto a rotture.
In altre parole, ogni fase del processo consuma parte della duttilità del tubo. Il materiale si indurisce man mano che il pezzo viene lavorato e, se è troppo duro, diventa praticamente inutilizzabile. La durezza è sinonimo di fragilità e un tubo fragile è destinato a rompersi durante l'utilizzo.
Il produttore ha delle alternative in questo caso? In breve, sì. Un'opzione è la ricottura, e sebbene non sia proprio magica, è quanto di più vicino alla magia si possa ottenere.
In parole semplici, la ricottura elimina tutti gli effetti dello stress fisico sul metallo. Questo processo riscalda il metallo a una temperatura di distensione o ricristallizzazione, eliminando così le dislocazioni. A seconda della temperatura e del tempo specifici utilizzati nel processo di ricottura, il processo ripristina in parte o completamente la duttilità del materiale.
La ricottura e il raffreddamento controllato favoriscono la crescita dei grani. Questo è vantaggioso se l'obiettivo è ridurre la fragilità del materiale, ma una crescita incontrollata dei grani può ammorbidire eccessivamente il metallo, rendendolo inutilizzabile per lo scopo previsto. Interrompere il processo di ricottura è un'altra operazione quasi magica. La tempra alla giusta temperatura con il giusto agente temprante al momento giusto permette di arrestare rapidamente il processo e ottenere le proprietà di recupero dell'acciaio.
Dovremmo eliminare la specifica di durezza? No. Le caratteristiche di durezza sono preziose principalmente come punto di riferimento nella specifica dei tubi in acciaio. La durezza è una misura utile, una delle diverse caratteristiche che dovrebbero essere specificate al momento dell'ordine del materiale tubolare e verificate al ricevimento (e registrate per ogni spedizione). Quando il controllo della durezza è lo standard di ispezione, dovrebbe avere valori di scala e intervalli di controllo appropriati.
Tuttavia, non si tratta di un vero e proprio test di qualificazione (accettazione o rifiuto) del materiale. Oltre alla durezza, i produttori dovrebbero periodicamente testare le spedizioni per determinare altre proprietà rilevanti, come MYS, UTS o allungamento minimo, a seconda dell'applicazione del tubo.
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.
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