さまざまな試験プロトコル（ブリネル、ロックウェル、ビッカース）には、試験対象のプロジェクトに特化した手順があります。ロックウェルT試験は、チューブを長手方向に切断し、外径ではなく内径から壁をテストすることで、軽量チューブの検査に適しています。
チューブを注文するのは、自動車販売店に行って車やトラックを注文するようなものです。今日では、多くのオプションが用意されているため、購入者はさまざまな方法で車両をカスタマイズできます。内装や外装の色、内装トリムパッケージ、外装スタイリングオプション、パワートレインの選択、そしてホームエンターテイメントシステムに匹敵するオーディオシステムなどです。これらのオプションを考えると、標準的でシンプルな車両では満足できないかもしれません。
鋼管はまさにその名の通りです。何千ものオプションや仕様があります。寸法に加えて、仕様には化学的特性や、最小降伏強度（MYS）、引張強度（UTS）、破壊前の最小伸びなどのいくつかの機械的特性が記載されています。しかし、業界の多くのエンジニア、購買担当者、製造業者は、「標準」溶接管の使用を義務付け、硬度という1つの特性のみを指定する、業界で認められた略語を使用しています。
車を「オートマチックトランスミッションの車が欲しい」という一つの特性だけで注文しようとしても、営業担当者と話が進むことはまずないでしょう。彼は多くのオプションが記載された注文書に記入しなければなりません。パイプも同様で、用途に合った適切なパイプを入手するには、パイプメーカーは硬度以上の情報を必要とします。
硬度はどのようにして他の機械的特性の代替として認められるようになったのでしょうか？おそらくパイプ製造業者から始まったのでしょう。硬度試験は迅速かつ簡単で、比較的安価な装置で済むため、パイプ販売員は2本のパイプを比較する際に硬度試験をよく利用します。硬度試験を行うために必要なのは、滑らかなパイプと試験台だけです。
管の硬度は引張強度（UTS）と高い相関関係があり、経験則として、パーセンテージまたはパーセンテージ範囲は最小引張強度（MYS）を推定するのに役立つため、硬度試験が他の特性の適切な指標となり得ることは容易に理解できる。
また、他の試験は比較的複雑です。硬度試験は単一の機械で1分程度で済みますが、MYS、UTS、伸び試験にはサンプルの準備と大型実験装置への多額の投資が必要です。比較すると、管製造工場の作業員が硬度試験を行うのにかかる時間は数秒ですが、専門の冶金技術者が引張試験を行うのにかかる時間は数時間です。硬度チェックを行うのは難しくありません。
これは、エンジニアリングパイプメーカーが硬度試験を使用していないという意味ではありません。ほとんどの人が使用していると言っても過言ではありませんが、すべての試験装置でゲージの再現性と再現性の評価を行っているため、試験の限界を十分に認識しています。ほとんどの人は、製造プロセスの一部としてチューブの硬度を評価しますが、チューブの特性を定量化するために使用しません。これは単なる合否判定試験です。
MYS、UTS、最小伸びについて知っておく必要があるのはなぜですか？それらは、チューブが組み立て時にどのように動作するかを示す指標となるからです。
MYSとは、材料に永久変形を引き起こす最小の力のことです。まっすぐなワイヤー（ハンガーなど）を少し曲げて圧力を解放すると、次の2つのうちどちらかが起こります。元の状態（まっすぐ）に戻るか、曲がったままになるかのどちらかです。まっすぐなままなら、MYSを超えていません。曲がったままなら、MYSを超えています。
次に、ペンチを使ってワイヤーの両端を挟みます。ワイヤーを2つに引き裂くことができれば、UTSを超えています。ワイヤーにかなりの張力をかけ、2本のワイヤーで超人的な努力を示したことになります。ワイヤーの元の長さが5インチで、破断後の2つの長さの合計が6インチの場合、ワイヤーは1インチ、つまり20%伸びています。実際の伸びテストは破断点から2インチ以内で測定されますが、いずれにせよ、ワイヤーを引っ張るという概念はUTSを示しています。
鋼の顕微鏡写真サンプルは、結晶粒が見えるように、切断、研磨、および弱酸性溶液（通常は硝酸とアルコール（ニトロエタノール））を用いたエッチングを行う必要があります。鋼の結晶粒を検査し、結晶粒径を決定するには、一般的に100倍の倍率が使用されます。
硬度は、材料が衝撃にどのように反応するかを測るテストです。ギザギザの顎が付いた万力に短いパイプを挟み、万力を閉じるように回すところを想像してみてください。万力の顎は、パイプを平らにするだけでなく、パイプの表面にへこみも残します。
これが硬度試験の仕組みですが、それほど過酷なものではありません。この試験では、衝撃の大きさと圧力を制御します。これらの力によって表面が変形し、くぼみや凹みができます。このくぼみの大きさや深さによって、金属の硬度が決まります。
鋼の評価には、ブリネル、ビッカース、ロックウェルの硬度試験が一般的です。それぞれに独自のスケールがあり、ロックウェルA、B、Cのように複数の試験方法があるものもあります。鋼管の場合、ASTM規格A513ではロックウェルB試験（HRBまたはRBと略記）が参照されています。ロックウェルB試験は、直径1/16インチの鋼球による鋼への貫入深さを、小さな予荷重と100kgfの主荷重で測定します。標準的な軟鋼の典型的な結果はHRB 60です。
材料科学者は、硬度が引張強度 (UTS) と線形関係にあることを知っています。したがって、特定の硬度から UTS を予測できます。同様に、チューブ製造業者は、MYS と UTS が関連していることを知っています。溶接パイプの場合、MYS は通常 UTS の 70% ～ 85% です。正確な値は、チューブの製造プロセスによって異なります。HRB 60 の硬度は、UTS が 60,000 ポンド/平方インチ (PSI)、MYS が 80%、つまり 48,000 PSI に相当します。
一般的な製造業において最も一般的なパイプの仕様は、最大硬度です。エンジニアは、サイズに加えて、良好な作業範囲内で電気抵抗溶接（ERW）パイプを指定することに関心があり、その結果、部品図面に最大硬度HRB 60が記載される可能性があります。この決定だけでも、硬度自体を含む最終的な機械的特性の範囲が決定されます。
まず、HRB 60という硬度はあまり意味を持ちません。HRB 60という値は無次元数です。HRB 59で評価された材料はHRB 60で試験された材料よりも柔らかく、HRB 61はHRB 60よりも硬いですが、その差はどれくらいでしょうか？体積（デシベルで測定）、トルク（ポンドフィートで測定）、速度（時間に対する距離で測定）、またはUTS（平方インチあたりのポンドで測定）のように定量化することはできません。HRB 60という値は具体的なことは何も教えてくれません。これは材料の特性ではありますが、物理的特性ではありません。次に、硬度試験は再現性や繰り返し性には適していません。試験片上の2つの場所を評価すると、たとえ試験場所が互いに近い場合でも、硬度測定値に大きなばらつきが生じることがよくあります。この問題をさらに複雑にしているのは、試験の性質です。ある位置を測定した後、結果を検証するために2度測定することはできません。再現性は不可能である。
これは、硬度試験が不便だという意味ではありません。実際、硬度試験は材料の引張強度（UTS）の良い指標となり、迅速かつ簡単に実施できる試験です。しかし、チューブの仕様策定、購入、製造に関わるすべての人は、試験パラメータとしての硬度試験の限界を認識しておく必要があります。
「標準」パイプの定義が明確ではないため、必要に応じて、パイプメーカーは、ASTM A513で定義されている最も一般的に使用されている2つの鋼管とパイプタイプ（1008と1010）に絞り込むことがよくあります。他のすべてのチューブタイプを除外した後でも、これら2つのチューブタイプの機械的特性に関しては、可能性は大きく広がります。実際、これらのチューブタイプは、あらゆるタイプの中で最も広い範囲の機械的特性を備えています。
例えば、MYSが低く伸びが高いチューブは「軟質」と表現されます。これは、MYSが比較的高く伸びが比較的低い「硬質」と表現されるチューブよりも、引張強度、たわみ、および変形特性が優れていることを意味します。これは、ハンガーやドリルなどの軟質ワイヤーと硬質ワイヤーの違いに似ています。
伸び率自体も、重要な配管用途に大きな影響を与える要因の一つです。伸び率の高いチューブは引張力に耐えることができますが、伸び率の低い材料は脆く、そのため壊滅的な疲労破壊を起こしやすくなります。ただし、伸び率は引張強度（UTS）とは直接関係がなく、UTSは硬度と直接関係する唯一の機械的特性です。
なぜチューブの機械的特性はこれほど大きく異なるのでしょうか?まず、化学組成が異なります。鋼は鉄と炭素およびその他の重要な合金の固溶体です。ここでは簡単にするために、炭素の割合のみを扱います。炭素原子は鉄原子の一部を置き換え、鋼の結晶構造を形成します。ASTM 1008 は、炭素含有量が 0% ～ 0.10% の包括的な一次グレードです。ゼロは非常に特別な数値で、鋼の炭素含有量が極めて低い場合に独自の特性を生み出します。ASTM 1010 は、炭素含有量を 0.08% ～ 0.13% と規定しています。これらの違いはそれほど大きくないように見えますが、他の点で大きな違いを生むほど大きいのです。
第二に、鋼管は7つの異なる製造工程で製造または製造後に加工することができます。ERWパイプの製造に関するASTM A513では、7つのタイプが挙げられています。
鋼の化学組成や管の製造工程が鋼の硬度に影響を与えないとしたら、何が影響するのでしょうか？この質問に答えるには、詳細を精査する必要があります。この質問はさらに2つの疑問を生じさせます。どのような詳細なのか、そしてどの程度まで精査すべきなのか？
鋼を構成する結晶粒の詳細が、最初の答えです。一次製鉄所で鋼が作られるとき、単一の特徴を持つ巨大なブロックに冷却されるわけではありません。鋼が冷却されるにつれて、鋼の分子は雪の結晶が形成されるのと同様に、繰り返しパターン（結晶）に組織化されます。結晶が形成されると、結晶粒と呼ばれるグループに集まります。冷却が進むにつれて、結晶粒は成長し、シートまたはプレート全体に形成されます。最後の鋼分子が結晶粒に吸収されると、結晶粒の成長は停止します。平均的な鋼の結晶粒のサイズは約 64 µ または 0.0025 インチであるため、これらすべては微視的なレベルで起こります。各結晶粒は互いに似ていますが、同じではありません。サイズ、方向、炭素含有量がわずかに異なります。結晶粒間の界面は結晶粒界と呼ばれます。鋼が疲労亀裂などによって破損する場合、結晶粒界に沿って破損する傾向があります。
識別可能な結晶粒を見るには、どのくらい遠くまで見なければなりませんか?100倍の倍率、つまり人間の視力の100倍で十分です。しかし、未処理の鋼を100倍の倍率で見るだけでは、あまり多くのことはわかりません。サンプルは、サンプルを研磨し、ニトロエタノールエッチング液と呼ばれる酸（通常は硝酸とアルコール）で表面をエッチングすることによって準備されます。
鋼材の衝撃強度、降伏強度（MYS）、引張強度（UTS）、伸び率を決定するのは、結晶粒とその内部格子構造である。
鋼材製造工程、例えば帯鋼の熱間圧延や冷間圧延では、結晶粒構造に応力が加わります。結晶粒が永久に変形する場合、これは応力によって結晶粒が変形したことを意味します。鋼材をコイル状に巻いたり、巻き戻したり、管圧延機で鋼粒を変形させたり（管を成形してサイズを合わせるため）といった他の加工工程も、材料に圧力を加えます。マンドレル上で管を冷間引抜きする工程も、端部成形や曲げ加工といった製造工程と同様に、材料に圧力を加えます。結晶粒構造の変化は転位と呼ばれます。
上記の手順により、鋼の延性、つまり引張（引っ張って開く）応力に耐える能力が低下します。鋼は脆くなり、作業を続けると壊れやすくなります。伸びは延性の構成要素の1つです（圧縮性もその1つです）。破壊は圧縮ではなく引張応力中に最も頻繁に発生することを理解することが重要です。鋼は比較的高い伸び能力のため、引張応力に対して非常に強い耐性があります。しかし、鋼は圧縮応力下では容易に変形します。つまり、延性があり、これは利点です。
コンクリートは圧縮強度は高いものの、延性は低い。これらの特性は鋼鉄とは正反対である。そのため、道路、建物、歩道などに使われるコンクリートには鉄筋がよく用いられる。その結果、2つの材料の長所を兼ね備えた製品が生まれる。つまり、引張力に対しては鋼鉄が強く、圧縮力に対してはコンクリートが強いのである。
冷間加工中、鋼の延性が低下するにつれて硬度が増します。つまり、硬化するのです。状況によってはこれは利点となる場合もありますが、硬度は脆性と同義であるため、欠点となる場合もあります。つまり、鋼が硬くなるほど弾性が低下し、破損しやすくなるのです。
つまり、各工程でパイプの延性が少しずつ失われていく。加工が進むにつれて硬くなり、硬すぎると基本的に使い物にならなくなる。硬さは脆さと同義であり、脆いパイプは使用時に破損する可能性が高い。
この場合、メーカーには何か選択肢があるのでしょうか？簡単に言うと、あります。その選択肢とは焼きなましです。魔法のような方法ではありませんが、魔法に限りなく近いと言えるでしょう。
簡単に言うと、焼きなましとは金属にかかる物理的な応力の影響をすべて取り除く処理です。この処理では金属を応力緩和温度または再結晶温度まで加熱し、転位を除去します。焼きなまし処理の温度と時間によって、金属の延性の一部または全部が回復します。
焼きなましと制御された冷却は結晶粒の成長を促進します。これは、材料の脆性を低減することが目的であれば有益ですが、制御されていない結晶粒の成長は金属を過度に軟化させ、本来の用途に使用できなくなる可能性があります。焼きなましプロセスを停止させることも、ほぼ魔法のようなことです。適切な温度で適切な焼入れ剤を用いて適切なタイミングで焼入れを行うことで、プロセスを迅速に停止させ、鋼の回復特性を得ることができます。
硬度仕様を削除すべきでしょうか？いいえ。硬度特性は、主に鋼管を指定する際の基準点として価値があります。硬度は有用な尺度であり、管状材料を注文する際に指定し、受領時に確認すべき特性の 1 つです (各出荷時に記録する必要があります)。硬度検査が検査基準である場合、適切なスケール値と管理範囲が必要です。
しかし、これは材料の適格性（合格または不合格）を判断するための真の試験ではありません。硬度に加えて、製造業者は、チューブの用途に応じて、MYS、UTS、最小伸びなどの他の関連特性を判断するために、出荷品を定期的にテストする必要があります。
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