Pelbagai protokol ujian (Brinell, Rockwell, Vickers) mempunyai prosedur khusus untuk projek yang diuji. Ujian Rockwell T sesuai untuk memeriksa tiub dinding ringan dengan memotong tiub memanjang dan menguji dinding dari diameter dalam dan bukannya diameter luar.
Memesan tiub adalah seperti pergi ke pengedar kereta dan memesan kereta atau trak. Hari ini, banyak pilihan yang tersedia membolehkan pembeli menyesuaikan kenderaan dalam pelbagai cara — warna dalaman dan luaran, pakej kemasan dalaman, pilihan penggayaan luaran, pilihan powertrain dan sistem audio yang hampir menyaingi sistem hiburan rumah. Memandangkan semua pilihan ini, anda mungkin tidak berpuas hati dengan kenderaan standard yang ringkas.
Paip keluli memang begitu. Ia mempunyai beribu-ribu pilihan atau spesifikasi. Selain dimensi, spesifikasi tersebut menyenaraikan sifat kimia dan beberapa sifat mekanikal seperti kekuatan alah minimum (MYS), kekuatan tegangan muktamad (UTS) dan pemanjangan minimum sebelum kegagalan. Walau bagaimanapun, ramai dalam industri—jurutera, ejen pembelian dan pengeluar—menggunakan istilah industri yang diterima yang memerlukan penggunaan paip kimpalan "biasa" dan hanya menyatakan satu ciri: kekerasan.
Cuba pesan kereta mengikut satu ciri (“Saya perlukan kereta dengan transmisi automatik”) dan anda tidak akan terlepas pandang dengan jurujual. Dia perlu mengisi borang pesanan dengan banyak pilihan. Paip memang begitu – untuk mendapatkan paip yang betul untuk aplikasi tersebut, pengeluar paip memerlukan lebih banyak maklumat daripada sekadar kekerasan.
Bagaimanakah kekerasan menjadi pengganti yang diiktiraf bagi sifat mekanikal lain? Ia mungkin bermula dengan pengeluar paip. Oleh kerana ujian kekerasan adalah cepat, mudah dan memerlukan peralatan yang agak murah, jurujual tiub sering menggunakan ujian kekerasan untuk membandingkan dua tiub. Untuk melakukan ujian kekerasan, mereka hanya memerlukan panjang paip yang licin dan penyangga ujian.
Kekerasan tiub berkorelasi baik dengan UTS, dan sebagai peraturan umum, peratusan atau julat peratusan membantu dalam menganggarkan MYS, jadi mudah untuk melihat bagaimana ujian kekerasan boleh menjadi proksi yang sesuai untuk sifat-sifat lain.
Selain itu, ujian-ujian lain agak rumit. Walaupun ujian kekerasan hanya mengambil masa seminit atau lebih pada satu mesin, MYS, UTS dan ujian pemanjangan memerlukan penyediaan sampel dan pelaburan yang besar dalam peralatan makmal yang besar. Sebagai perbandingan, pengendali kilang tiub mengambil masa beberapa saat untuk melakukan ujian kekerasan dan berjam-jam untuk juruteknik metalurgi profesional untuk melakukan ujian tegangan. Tidak sukar untuk melakukan pemeriksaan kekerasan.
Ini bukan bermakna pengeluar paip kejuruteraan tidak menggunakan ujian kekerasan. Boleh dikatakan kebanyakan orang melakukannya, tetapi kerana mereka melakukan penilaian kebolehulangan dan kebolehulangan tolok pada semua peralatan ujian mereka, mereka sedar tentang batasan ujian tersebut. Kebanyakannya menggunakan penilaian kekerasan tiub sebagai sebahagian daripada proses pengeluaran, tetapi mereka tidak menggunakannya untuk mengukur sifat tiub. Ini hanyalah ujian lulus/gagal.
Mengapakah anda perlu tahu tentang MYS, UTS dan pemanjangan minimum? Ia menunjukkan bagaimana tiub akan bertindak semasa pemasangan.
MYS ialah daya minimum yang menyebabkan ubah bentuk kekal bahan. Jika anda cuba membengkokkan wayar lurus (seperti penyangkut baju) sedikit dan melepaskan tekanan, salah satu daripada dua perkara akan berlaku: ia akan kembali ke keadaan asalnya (lurus) atau ia akan kekal bengkok. Jika ia masih lurus, anda belum melepasi MYS. Jika ia masih bengkok, anda telah melepasinya.
Sekarang, gunakan playar untuk mengapit kedua-dua hujung dawai. Jika anda boleh mengoyakkan dawai kepada dua bahagian, anda telah melepasi UTSnya. Anda meletakkan banyak tegangan padanya dan anda mempunyai dua dawai untuk menunjukkan usaha luar biasa anda. Jika panjang asal dawai ialah 5 inci, dan dua panjang selepas kegagalan ditambah sehingga 6 inci, dawai tersebut diregangkan sebanyak 1 inci, atau 20%. Ujian pemanjangan sebenar diukur dalam lingkungan 2 inci dari titik kegagalan, tetapi apa pun – konsep dawai tarik menggambarkan UTS.
Sampel fotomikrograf keluli perlu dipotong, digilap dan diukir menggunakan larutan yang sedikit berasid (biasanya asid nitrik dan alkohol (nitroetanol)) untuk menjadikan butiran kelihatan. Pembesaran 100x biasanya digunakan untuk memeriksa butiran keluli dan menentukan saiz butiran.
Kekerasan adalah ujian bagaimana sesuatu bahan bertindak balas terhadap hentaman. Bayangkan memasukkan sekeping paip pendek ke dalam ragum dengan rahang bergerigi dan memusingkan ragum untuk menutup. Selain meratakan tiub, rahang ragum juga meninggalkan lekukan pada permukaan tiub.
Begitulah cara ujian kekerasan berfungsi, tetapi ia tidaklah begitu kasar. Ujian ini mempunyai saiz hentaman terkawal dan tekanan terkawal. Daya-daya ini mengubah bentuk permukaan, mewujudkan lekukan atau lekukan. Saiz atau kedalaman lekukan menentukan kekerasan logam.
Untuk menilai keluli, ujian kekerasan yang biasa digunakan ialah Brinell, Vickers dan Rockwell. Setiap satu mempunyai skala tersendiri, dan ada yang mempunyai berbilang kaedah ujian, seperti Rockwell A, B dan C. Bagi paip keluli, Spesifikasi ASTM A513 merujuk kepada ujian Rockwell B (disingkatkan sebagai HRB atau RB). Ujian Rockwell B mengukur perbezaan penembusan keluli oleh bebola keluli berdiameter 1⁄16 inci antara pramuatan kecil dan beban utama 100 kgf. Keputusan tipikal untuk keluli lembut standard ialah HRB 60.
Saintis bahan tahu bahawa kekerasan berkait secara linear dengan UTS. Oleh itu, kekerasan yang diberikan boleh meramalkan UTS. Begitu juga, pengeluar tiub tahu bahawa MYS dan UTS berkait. Bagi paip yang dikimpal, MYS biasanya 70% hingga 85% daripada UTS. Jumlah yang tepat bergantung pada proses pembuatan tiub. Kekerasan HRB 60 berkorelasi dengan UTS sebanyak 60,000 paun per inci persegi (PSI) dan MYS sebanyak 80%, atau 48,000 PSI.
Spesifikasi paip yang paling biasa dalam pembuatan umum ialah kekerasan maksimum. Selain saiz, jurutera juga mengambil berat tentang menentukan paip kimpalan rintangan elektrik (ERW) yang dikimpal dalam julat kerja yang baik, yang boleh mengakibatkan kekerasan maksimum mungkin HRB 60 pada lukisan komponen. Keputusan ini sahaja membawa kepada pelbagai sifat mekanikal akhir, termasuk kekerasan itu sendiri.
Pertama, kekerasan HRB 60 tidak banyak memberitahu kita. Bacaan HRB 60 ialah nombor tanpa dimensi. Bahan yang dinilai dengan HRB 59 adalah lebih lembut daripada bahan yang diuji dengan HRB 60, dan HRB 61 adalah lebih keras daripada HRB 60, tetapi berapa banyak? Ia tidak boleh diukur seperti isipadu (diukur dalam desibel), tork (diukur dalam paun-kaki), halaju (diukur dalam jarak relatif kepada masa), atau UTS (diukur dalam paun per inci persegi). Membaca HRB 60 tidak memberitahu kita apa-apa yang khusus. Ini adalah sifat bahan, tetapi bukan sifat fizikal. Kedua, ujian kekerasan tidak sesuai untuk kebolehulangan atau kebolehulangan. Menilai dua lokasi pada spesimen ujian, walaupun lokasi ujian berdekatan antara satu sama lain, selalunya menghasilkan variasi yang besar dalam bacaan kekerasan. Menggabungkan isu ini adalah sifat ujian. Selepas kedudukan diukur, ia tidak boleh diukur buat kali kedua untuk mengesahkan keputusan. Kebolehulangan ujian tidak mungkin.
Ini tidak bermakna ujian kekerasan menyusahkan. Malah, ia menyediakan panduan yang baik untuk UTS bahan, dan ia merupakan ujian yang cepat dan mudah untuk dilakukan. Walau bagaimanapun, setiap orang yang terlibat dalam menentukan, membeli dan mengeluarkan tiub harus menyedari batasannya sebagai parameter ujian.
Oleh kerana paip "biasa" tidak ditakrifkan dengan baik, apabila diperlukan, pengeluar paip sering mengecilkannya kepada dua paip keluli dan jenis paip yang paling biasa digunakan yang ditakrifkan dalam ASTM A513: 1008 dan 1010. Walaupun selepas menghapuskan semua jenis tiub lain, kemungkinan dari segi sifat mekanikal kedua-dua jenis tiub ini masih terbuka luas. Malah, jenis tiub ini mempunyai julat sifat mekanikal yang paling luas daripada mana-mana jenis.
Contohnya, tiub digambarkan sebagai lembut jika MYS rendah dan pemanjangan tinggi, yang bermaksud ia berfungsi lebih baik dalam tegangan, pesongan dan penetapan berbanding tiub yang digambarkan sebagai keras, yang mempunyai MYS yang agak tinggi dan pemanjangan yang agak rendah. Ini serupa dengan perbezaan antara dawai lembut dan keras, seperti penyangkut kot dan gerudi.
Pemanjangan itu sendiri merupakan satu lagi faktor yang mempunyai kesan yang ketara terhadap aplikasi paip kritikal. Tiub dengan pemanjangan yang tinggi boleh menahan daya tegangan; bahan dengan pemanjangan yang rendah lebih rapuh dan oleh itu lebih terdedah kepada kegagalan jenis keletihan yang dahsyat. Walau bagaimanapun, pemanjangan tidak berkaitan secara langsung dengan UTS, yang merupakan satu-satunya sifat mekanikal yang berkaitan secara langsung dengan kekerasan.
Mengapakah sifat mekanikal tiub sangat berbeza? Pertama, komposisi kimianya berbeza. Keluli ialah larutan pepejal besi dan karbon serta aloi penting lain. Untuk memudahkan, kita hanya akan membincangkan peratusan karbon di sini. Atom karbon menggantikan sebahagian daripada atom besi, membentuk struktur kristal keluli. ASTM 1008 ialah gred primer yang merangkumi semua dengan kandungan karbon 0% hingga 0.10%. Sifar ialah nombor yang sangat istimewa yang menghasilkan sifat unik apabila kandungan karbon dalam keluli adalah ultra rendah. ASTM 1010 menetapkan kandungan karbon antara 0.08% dan 0.13%. Perbezaan ini nampaknya tidak besar, tetapi ia cukup besar untuk membuat perbezaan besar di tempat lain.
Kedua, paip keluli boleh dibuat atau dibuat dan seterusnya diproses dalam tujuh proses pembuatan yang berbeza. ASTM A513 berkaitan pengeluaran paip ERW menyenaraikan tujuh jenis:
Jika komposisi kimia keluli dan langkah pembuatan tiub tidak memberi kesan terhadap kekerasan keluli, apakah itu? Menjawab soalan ini bermakna meneliti butirannya. Soalan ini menimbulkan dua soalan lagi: Butiran apa, dan sejauh mana kedekatannya?
Butiran tentang butiran yang membentuk keluli adalah jawapan pertama. Apabila keluli dibuat di kilang keluli primer, ia tidak menyejuk menjadi blok besar dengan satu ciri. Apabila keluli menyejuk, molekul keluli tersusun dalam corak berulang (kristal), sama seperti bagaimana kepingan salji terbentuk. Selepas kristal terbentuk, ia mengagregat menjadi kumpulan yang dipanggil butiran. Apabila penyejukan berlangsung, butiran tumbuh dan terbentuk di seluruh kepingan atau plat. Butiran berhenti tumbuh apabila molekul keluli terakhir diserap oleh butiran. Semua ini berlaku pada tahap mikroskopik kerana saiz purata butiran keluli adalah kira-kira 64 µ atau 0.0025 inci lebar. Walaupun setiap butiran serupa dengan yang seterusnya, ia tidak sama. Ia sedikit berbeza dari segi saiz, orientasi dan kandungan karbon. Antara muka antara butiran dipanggil sempadan butiran. Apabila keluli gagal, contohnya disebabkan oleh retakan lesu, ia cenderung gagal di sepanjang sempadan butiran.
Sejauh manakah anda perlu melihat untuk melihat butiran yang boleh dilihat? Pembesaran 100x, atau penglihatan manusia 100x, sudah memadai. Walau bagaimanapun, hanya melihat keluli yang tidak dirawat pada kuasa 100 kali ganda tidak mendedahkan banyak. Sampel disediakan dengan menggilap sampel dan mengetsa permukaan dengan asid (biasanya asid nitrik dan alkohol) yang dipanggil pengetsa nitroetanol.
Butiran dan kekisi dalamannya yang menentukan kekuatan impak, MYS, UTS dan pemanjangan yang boleh ditahan oleh keluli sebelum kegagalan.
Langkah-langkah pembuatan keluli, seperti penggelek jalur panas dan sejuk, mengenakan tegasan ke dalam struktur ira; jika ia berubah bentuk secara kekal, ini bermakna tegasan tersebut mengubah bentuk ira. Langkah-langkah pemprosesan lain, seperti melilit keluli menjadi gegelung, membukanya, dan mengubah bentuk ira keluli melalui kilang tiub (untuk membentuk dan mensaiz tiub). Menarik tiub pada mandrel secara sejuk juga memberi tekanan pada bahan, begitu juga langkah-langkah pembuatan seperti membentuk hujung dan membengkokkan. Perubahan dalam struktur ira dipanggil kehelan.
Langkah-langkah di atas mengurangkan kemuluran keluli, iaitu keupayaannya untuk menahan tekanan tegangan (tarik-buka). Keluli menjadi rapuh, yang bermaksud ia lebih cenderung untuk pecah jika anda terus mengusahakannya. Pemanjangan adalah salah satu komponen kemuluran (kebolehmampatan adalah satu lagi). Adalah penting untuk memahami bahawa kegagalan paling kerap berlaku semasa tegasan tegangan, bukan mampatan. Keluli sangat tahan terhadap tegasan tegangan kerana kapasiti pemanjangannya yang agak tinggi. Walau bagaimanapun, keluli mudah berubah bentuk di bawah tegasan mampatan – ia mulur – yang merupakan satu kelebihan.
Konkrit mempunyai kekuatan mampatan yang tinggi tetapi kemuluran yang rendah berbanding konkrit. Sifat-sifat ini bertentangan dengan keluli. Itulah sebabnya konkrit yang digunakan untuk jalan raya, bangunan dan laluan pejalan kaki sering dipasang dengan tetulang. Hasilnya ialah produk dengan kekuatan dua bahan: di bawah tegangan, keluli adalah kuat, dan di bawah tekanan, konkrit.
Semasa kerja sejuk, apabila kemuluran keluli berkurangan, kekerasannya meningkat. Dalam erti kata lain, ia akan mengeras. Bergantung pada keadaan, ini mungkin satu manfaat; walau bagaimanapun, ia mungkin satu kelemahan kerana kekerasan disamakan dengan kerapuhan. Iaitu, apabila keluli menjadi lebih keras, ia menjadi kurang elastik; oleh itu, ia lebih cenderung untuk gagal.
Dalam erti kata lain, setiap langkah proses menggunakan sebahagian daripada kemuluran paip. Ia menjadi lebih keras apabila bahagian itu berfungsi, dan jika ia terlalu keras, ia pada asasnya tidak berguna. Kekerasan bermaksud kerapuhan, dan tiub rapuh berkemungkinan akan gagal apabila digunakan.
Adakah pengeluar mempunyai sebarang pilihan dalam kes ini? Pendek kata, ya. Pilihan itu adalah penyepuhlindapan, dan walaupun ia tidak begitu ajaib, ia sedekat mungkin dengan sihir.
Dalam istilah awam, penyepuhlindapan menghilangkan semua kesan tekanan fizikal pada logam. Proses ini memanaskan logam pada suhu pelepasan tekanan atau penghabluran semula, sekali gus menghapuskan kehelan. Bergantung pada suhu dan masa tertentu yang digunakan dalam proses penyepuhlindapan, proses tersebut mengembalikan sebahagian atau semua kemulurannya.
Penyejukan dan penyejukan terkawal menggalakkan pertumbuhan butiran. Ini bermanfaat jika matlamatnya adalah untuk mengurangkan kerapuhan bahan, tetapi pertumbuhan butiran yang tidak terkawal boleh melembutkan logam terlalu banyak, menjadikannya tidak boleh digunakan untuk kegunaan yang dimaksudkan. Menghentikan proses penyepuhlindapan adalah satu lagi perkara yang hampir ajaib. Pelindapkejutan pada suhu yang betul dengan agen pelindapkejutan yang betul pada masa yang betul menghentikan proses dengan cepat untuk mendapatkan sifat pemulihan keluli.
Patutkah kita menggugurkan spesifikasi kekerasan? Tidak. Ciri-ciri kekerasan berharga terutamanya sebagai titik rujukan apabila menentukan paip keluli. Satu ukuran yang berguna, kekerasan adalah salah satu daripada beberapa ciri yang perlu dinyatakan semasa memesan bahan tiub dan diperiksa semasa penerimaan (dan harus direkodkan dengan setiap penghantaran). Apabila pemeriksaan kekerasan adalah standard pemeriksaan, ia harus mempunyai nilai skala dan julat kawalan yang sesuai.
Walau bagaimanapun, ia bukanlah ujian sebenar untuk melayakkan (menerima atau menolak) bahan. Selain kekerasan, pengeluar harus menguji penghantaran sekali-sekala untuk menentukan sifat berkaitan lain, seperti MYS, UTS atau pemanjangan minimum, bergantung pada penggunaan tiub.
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 Journal menjadi majalah pertama yang dikhaskan untuk industri paip logam pada tahun 1990. Hari ini, ia kekal sebagai satu-satunya penerbitan di Amerika Utara yang dikhaskan untuk industri ini dan telah menjadi sumber maklumat paling dipercayai untuk profesional paip.
Kini dengan akses penuh kepada edisi digital The Fabricator, akses mudah kepada sumber industri yang berharga.
Edisi digital The Tube & Pipe Journal kini boleh diakses sepenuhnya, menyediakan akses mudah kepada sumber industri yang berharga.
Nikmati akses penuh kepada edisi digital STAMPING Journal, yang menyediakan kemajuan teknologi terkini, amalan terbaik dan berita industri untuk pasaran setem logam.
Nikmati akses penuh kepada edisi digital Laporan Aditif untuk mengetahui bagaimana pembuatan aditif boleh digunakan untuk meningkatkan kecekapan operasi dan keuntungan.
Kini dengan akses penuh kepada edisi digital The Fabricator en Español, akses mudah kepada sumber industri yang berharga.