Verschillende testprotocollen (Brinell, Rockwell, Vickers) hebben procedures die specifiek zijn voor het te testen project. De Rockwell T-test is geschikt voor het inspecteren van lichtwandbuizen door de buis in de lengte door te snijden en de wand te testen vanaf de binnendiameter in plaats van de buitendiameter.
Een voertuig bestellen is een beetje zoals naar een autodealer gaan en een auto of vrachtwagen bestellen. Tegenwoordig bieden de vele beschikbare opties kopers de mogelijkheid om het voertuig op allerlei manieren te personaliseren: interieur- en exterieurkleuren, interieurpakketten, exterieurstylingopties, aandrijflijnkeuzes en een audiosysteem dat bijna kan wedijveren met een thuisbioscoopsysteem. Gezien al deze opties bent u wellicht niet tevreden met een standaard, kale auto.
Stalen buizen zijn precies dat: ze hebben duizenden opties en specificaties. Naast de afmetingen vermelden de specificaties ook chemische en diverse mechanische eigenschappen, zoals de minimale vloeigrens (MYS), de treksterkte (UTS) en de minimale rek bij breuk. Veel mensen in de industrie – ingenieurs, inkopers en fabrikanten – gebruiken echter gangbare afkortingen die uitgaan van "normale" gelaste buizen en slechts één kenmerk specificeren: de hardheid.
Probeer maar eens een auto te bestellen op basis van één enkele eigenschap ("Ik heb een auto met een automatische versnellingsbak nodig") en je komt niet ver bij een verkoper. Hij moet een bestelformulier invullen met veel opties. Met buizen is het precies dat: om de juiste buis voor een bepaalde toepassing te krijgen, heeft de buizenfabrikant meer informatie nodig dan alleen de hardheid.
Hoe is hardheid een erkend alternatief geworden voor andere mechanische eigenschappen? Het begon waarschijnlijk bij een buizenfabrikant. Omdat hardheidstesten snel, eenvoudig en relatief goedkoop zijn, gebruiken buizenverkopers hardheidstesten vaak om twee buizen met elkaar te vergelijken. Om een ​​hardheidstest uit te voeren, hebben ze alleen een glad stuk buis en een testbank nodig.
De buishardheid correleert goed met de treksterkte (UTS), en over het algemeen zijn percentages of percentagebereiken nuttig bij het schatten van de vloeigrens (MYS). Het is dus gemakkelijk te zien hoe hardheidstesten een geschikte indicator kunnen zijn voor andere eigenschappen.
Ook andere tests zijn relatief complex. Terwijl een hardheidstest op een enkele machine slechts een minuut of zo duurt, vereisen tests voor MYS, UTS en rek de voorbereiding van het monster en een aanzienlijke investering in grote laboratoriumapparatuur. Ter vergelijking: een operator in een buizenfabriek heeft slechts enkele seconden nodig om een ​​hardheidstest uit te voeren, terwijl een professionele metallurgisch technicus uren nodig heeft om een ​​trekproef uit te voeren. Het uitvoeren van een hardheidsmeting is dus niet moeilijk.
Dit wil niet zeggen dat fabrikanten van technische buizen geen hardheidstests uitvoeren. De meeste doen dat wel, maar omdat ze de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid van al hun testapparatuur beoordelen, zijn ze zich terdege bewust van de beperkingen van de test. De meeste gebruiken het meten van de buishardheid als onderdeel van het productieproces, maar niet om buiseigenschappen te kwantificeren. Het is gewoon een test met een goed/fout-resultaat.
Waarom is het belangrijk om MYS, UTS en minimale rek te kennen? Deze waarden geven aan hoe de buis zich tijdens de montage zal gedragen.
MYS is de minimale kracht die permanente vervorming van het materiaal veroorzaakt. Als je een rechte draad (zoals een kledinghanger) een beetje buigt en de druk loslaat, gebeuren er twee dingen: de draad veert terug naar zijn oorspronkelijke (rechte) staat of blijft gebogen. Als de draad nog steeds recht is, heb je de MYS-grens nog niet bereikt. Als de draad nog steeds gebogen is, heb je de MYS-grens overschreden.
Gebruik nu een tang om beide uiteinden van de draad vast te klemmen. Als je de draad in tweeën kunt scheuren, heb je de treksterkte (UTS) overschreden. Je hebt er veel spanning op gezet en je hebt twee draden als bewijs van je bovenmenselijke inspanning. Als de oorspronkelijke lengte van de draad 5 inch is en de twee lengtes na het breken samen 6 inch zijn, is de draad met 1 inch, oftewel 20%, uitgerekt. De daadwerkelijke rekproef wordt gemeten binnen 2 inch van het breekpunt, maar hoe dan ook – het concept van de trekproef illustreert de treksterkte.
Voor fotomicroscopisch onderzoek van staal moeten monsters worden gesneden, gepolijst en geëtst met een licht zure oplossing (meestal salpeterzuur en alcohol (nitroethanol)) om de korrels zichtbaar te maken. Een vergroting van 100x wordt vaak gebruikt om de staalkorrels te inspecteren en de korrelgrootte te bepalen.
Hardheid is een test van hoe een materiaal reageert op impact. Stel je voor dat je een kort stuk pijp in een bankschroef met gekartelde bekken klemt en de bankschroef dichtdraait. Naast het platdrukken van de buis, laten de bekken van de bankschroef ook afdrukken achter op het oppervlak van de buis.
Zo werkt de hardheidstest, maar zo ruw is het niet. Bij deze test wordt de impactgrootte en de druk gecontroleerd. Deze krachten vervormen het oppervlak, waardoor een inkeping ontstaat. De grootte of diepte van de inkeping bepaalt de hardheid van het metaal.
Voor het beoordelen van staal worden vaak de Brinell-, Vickers- en Rockwell-hardheidstesten gebruikt. Elk heeft zijn eigen schaal en sommige hebben meerdere testmethoden, zoals Rockwell A, B en C. Voor stalen buizen verwijst ASTM-specificatie A513 naar de Rockwell B-test (afgekort als HRB of RB). De Rockwell B-test meet het verschil in indringing van een stalen kogel met een diameter van 1/16 inch in staal tussen een kleine voorspanning en een primaire belasting van 100 kgf. Een typisch resultaat voor standaard zacht staal is HRB 60.
Materiaalkundigen weten dat hardheid lineair gerelateerd is aan de treksterkte (UTS). Daarom kan een bepaalde hardheid de treksterkte voorspellen. Ook buizenfabrikanten weten dat de vloeigrens (MYS) en de treksterkte met elkaar samenhangen. Voor gelaste buizen is de MYS doorgaans 70% tot 85% van de treksterkte. De exacte waarde hangt af van het productieproces van de buis. De hardheid van HRB 60 komt overeen met een treksterkte van 60.000 pond per vierkante inch (PSI) en een MYS van 80%, oftewel 48.000 PSI.
De meest voorkomende pijpspecificatie in de algemene industrie is de maximale hardheid. Naast de afmetingen was de ingenieur ook geïnteresseerd in het specificeren van een gelaste, elektrisch weerstandsgelaste (ERW) pijp binnen een goed werkbereik, wat zou kunnen resulteren in een maximale hardheid van mogelijk HRB 60 op de componenttekening. Deze keuze alleen al leidt tot een reeks uiteindelijke mechanische eigenschappen, waaronder de hardheid zelf.
Ten eerste zegt de hardheid van HRB 60 ons niet veel. De waarde HRB 60 is een dimensieloos getal. Het materiaal dat met HRB 59 is beoordeeld, is zachter dan het materiaal dat met HRB 60 is getest, en HRB 61 is harder dan HRB 60, maar hoeveel harder? Het kan niet worden gekwantificeerd zoals volume (gemeten in decibel), koppel (gemeten in pond-voet), snelheid (gemeten in afstand ten opzichte van tijd) of treksterkte (gemeten in pond per vierkante inch). De waarde HRB 60 vertelt ons niets specifieks. Dit is een eigenschap van het materiaal, maar geen fysische eigenschap. Ten tweede is hardheidstesten niet geschikt voor herhaalbaarheid of reproduceerbaarheid. Het meten van twee locaties op een testmonster, zelfs als de meetlocaties dicht bij elkaar liggen, resulteert vaak in een grote variatie in hardheidsmetingen. Dit probleem wordt verergerd door de aard van de test. Nadat een positie is gemeten, kan deze niet een tweede keer worden gemeten om de resultaten te verifiëren. Herhaalbaarheid is niet mogelijk.
Dit betekent niet dat hardheidstesten onhandig zijn. Sterker nog, het geeft een goede indicatie van de treksterkte van een materiaal en het is een snelle en eenvoudige test. Iedereen die betrokken is bij het specificeren, inkopen en produceren van buizen, moet zich echter bewust zijn van de beperkingen ervan als testparameter.
Omdat "normale" buizen niet goed gedefinieerd zijn, beperken buizenfabrikanten zich, indien nodig, vaak tot de twee meest gebruikte stalen buizen en buistypen zoals gedefinieerd in ASTM A513: 1008 en 1010. Zelfs na uitsluiting van alle andere buistypen blijven de mogelijkheden qua mechanische eigenschappen van deze twee buistypen zeer breed. Sterker nog, deze buistypen hebben het breedste scala aan mechanische eigenschappen van alle typen.
Een buis wordt bijvoorbeeld als zacht beschreven als de MYS (Mean Yield Strength) laag is en de rek hoog, wat betekent dat deze beter presteert op het gebied van treksterkte, doorbuiging en vervorming dan een buis die als hard wordt beschreven, die een relatief hoge MYS en een relatief lage rek heeft. Dit is vergelijkbaar met het verschil tussen zacht en hard draad, zoals bij kledinghangers en boren.
Rekbaarheid is op zichzelf een factor die een aanzienlijke invloed heeft op kritische pijptoepassingen. Buizen met een hoge rekbaarheid kunnen trekkrachten weerstaan; materialen met een lage rekbaarheid zijn brozer en daardoor gevoeliger voor catastrofale vermoeiingsbreuken. Rekbaarheid is echter niet direct gerelateerd aan de treksterkte (UTS), de enige mechanische eigenschap die direct verband houdt met hardheid.
Waarom verschillen de mechanische eigenschappen van de buizen zo sterk? Ten eerste is de chemische samenstelling anders. Staal is een vaste oplossing van ijzer, koolstof en andere belangrijke legeringen. Voor de eenvoud zullen we hier alleen de koolstofpercentages bespreken. Koolstofatomen vervangen een deel van de ijzeratomen en vormen zo de kristalstructuur van staal. ASTM 1008 is een algemene basiskwaliteit met een koolstofgehalte van 0% tot 0,10%. Nul is een heel bijzonder getal dat unieke eigenschappen oplevert wanneer het koolstofgehalte in staal extreem laag is. ASTM 1010 specificeert een koolstofgehalte tussen 0,08% en 0,13%. Deze verschillen lijken misschien niet enorm, maar ze zijn groot genoeg om elders een aanzienlijk verschil te maken.
Ten tweede kan de stalen buis worden gefabriceerd of bewerkt en vervolgens verwerkt via zeven verschillende fabricageprocessen. ASTM A513 met betrekking tot de productie van ERW-buizen noemt zeven typen:
Als de chemische samenstelling van het staal en de productiestappen van de buis geen invloed hebben op de hardheid van het staal, wat dan wel? Het beantwoorden van deze vraag vereist een nauwkeurige bestudering van de details. Deze vraag roept twee nieuwe vragen op: Welke details, en hoe nauwkeurig?
Details over de korrels waaruit staal is opgebouwd, vormen het eerste antwoord. Wanneer staal in een primaire staalfabriek wordt geproduceerd, koelt het niet af tot een enorm blok met één enkele structuur. Tijdens het afkoelen organiseren de moleculen van het staal zich in herhalende patronen (kristallen), vergelijkbaar met de vorming van sneeuwvlokken. Nadat de kristallen zijn gevormd, aggregeren ze tot groepen die korrels worden genoemd. Naarmate het afkoelen vordert, groeien de korrels en vormen ze zich door de hele plaat. De korrels stoppen met groeien wanneer de laatste staalmoleculen door de korrels worden geabsorbeerd. Dit alles gebeurt op microscopisch niveau, omdat de gemiddelde staalkorrel ongeveer 64 µm of 0,0025 inch breed is. Hoewel elke korrel op de volgende lijkt, zijn ze niet identiek. Ze verschillen enigszins in grootte, oriëntatie en koolstofgehalte. De grens tussen korrels wordt een korrelgrens genoemd. Wanneer staal bezwijkt, bijvoorbeeld door vermoeiingsscheuren, bezwijkt het meestal langs de korrelgrenzen.
Hoe ver moet je kijken om zichtbare korrels te zien? Een vergroting van 100x, oftewel 100x het menselijk gezichtsvermogen, is voldoende. Echter, als je onbehandeld staal onder een vergroting van 100x bekijkt, zie je niet veel. Het monster wordt voorbereid door het te polijsten en het oppervlak te etsen met een zuur (meestal salpeterzuur en alcohol), een zogenaamd nitroethanol-etsmiddel.
De korrels en hun interne rooster bepalen de slagvastheid, de vloeigrens (MYS), de treksterkte (UTS) en de rek die een staal kan weerstaan ​​voordat het bezwijkt.
Bij de staalproductie, zoals het warm en koud walsen van staalband, wordt spanning in de korrelstructuur uitgeoefend. Als de korrels permanent van vorm veranderen, betekent dit dat de spanning de korrels vervormt. Andere verwerkingsstappen, zoals het oprollen van het staal tot rollen, het afrollen ervan en het vervormen van de staalkorrels in een buizenwalserij (om de buis te vormen en op maat te maken), en het koudtrekken van de buis op een doorn, oefenen ook druk uit op het materiaal, evenals productiestappen zoals het vormen en buigen van de uiteinden. Veranderingen in de korrelstructuur worden dislocaties genoemd.
De bovenstaande stappen verminderen de ductiliteit van het staal, oftewel het vermogen om trekspanning (opentrekken) te weerstaan. Staal wordt bros, wat betekent dat het eerder breekt als je er herhaaldelijk aan werkt. Rek is een onderdeel van ductiliteit (samendrukbaarheid is een ander). Het is belangrijk te begrijpen dat breuk meestal optreedt bij trekspanning, niet bij drukspanning. Staal is zeer bestand tegen trekspanning vanwege zijn relatief hoge rekvermogen. Staal vervormt echter gemakkelijk onder drukspanning – het is ductiel – wat een voordeel is.
Beton heeft een hoge druksterkte maar een lage ductiliteit in vergelijking met staal. Deze eigenschappen zijn het tegenovergestelde van die van staal. Daarom wordt beton dat gebruikt wordt voor wegen, gebouwen en trottoirs vaak voorzien van wapeningsstaal. Het resultaat is een product met de sterke punten van twee materialen: onder trekspanning is staal sterk, en onder drukspanning is beton sterk.
Tijdens koudvervorming neemt de ductiliteit van het staal af en de hardheid toe. Met andere woorden, het staal wordt harder. Afhankelijk van de situatie kan dit een voordeel zijn; het kan echter ook een nadeel zijn, aangezien hardheid gelijkstaat aan brosheid. Dat wil zeggen, naarmate staal harder wordt, wordt het minder elastisch en is de kans op breuk groter.
Met andere woorden, elke processtap verbruikt een deel van de buigzaamheid van de buis. De buis wordt harder naarmate het onderdeel gebruikt wordt, en als hij te hard is, is hij in principe nutteloos. Hardheid is broosheid, en een broze buis zal waarschijnlijk bezwijken tijdens gebruik.
Heeft de fabrikant in dit geval nog andere opties? Kort gezegd: ja. Die optie is gloeien, en hoewel het niet helemaal magisch is, komt het er wel heel dicht bij in de buurt.
Simpel gezegd verwijdert gloeien alle effecten van fysieke spanning op het metaal. Bij dit proces wordt het metaal verhit tot een temperatuur waarbij spanningen verdwijnen of herkristallisatie optreedt, waardoor dislocaties worden geëlimineerd. Afhankelijk van de specifieke temperatuur en de tijdsduur van het gloeiproces, herstelt het metaal daardoor (een deel van) zijn ductiliteit.
Gloeien en gecontroleerd afkoelen bevorderen korrelgroei. Dit is gunstig als het doel is om de brosheid van het materiaal te verminderen, maar ongecontroleerde korrelgroei kan het metaal te veel verzachten, waardoor het onbruikbaar wordt voor het beoogde gebruik. Het stoppen van het gloeiproces is ook een bijna magische handeling. Afschrikken op de juiste temperatuur met het juiste afschrikmiddel op het juiste moment brengt het proces snel tot stilstand, waardoor het staal zijn herstelvermogen terugkrijgt.
Moeten we de hardheidsspecificatie laten vallen? Nee. Hardheidskenmerken zijn vooral waardevol als referentiepunt bij het specificeren van stalen buizen. Hardheid is een nuttige maatstaf en een van de kenmerken die bij de bestelling van buismateriaal moeten worden gespecificeerd en bij ontvangst moeten worden gecontroleerd (en bij elke zending moeten worden vastgelegd). Wanneer hardheidsinspectie de inspectienorm is, moeten er passende schaalwaarden en controlebereiken worden gehanteerd.
Het is echter geen echte test voor het kwalificeren (accepteren of afwijzen) van materiaal. Naast hardheid moeten fabrikanten zendingen af ​​en toe testen om andere relevante eigenschappen te bepalen, zoals MYS, UTS of minimale rek, afhankelijk van de toepassing van de buis.
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 was in 1990 het eerste tijdschrift dat volledig was gewijd aan de metaalbuizenindustrie. Het is tot op de dag van vandaag de enige publicatie in Noord-Amerika die zich op deze sector richt en is uitgegroeid tot de meest betrouwbare informatiebron voor professionals in de buizenbranche.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, heeft u eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt gemakkelijke toegang tot waardevolle branchebronnen.
Geniet van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, met de nieuwste technologische ontwikkelingen, beste praktijken en branchenieuws voor de metaalstempelmarkt.
Krijg volledige toegang tot de digitale editie van The Additive Report en ontdek hoe additive manufacturing kan worden ingezet om de operationele efficiëntie te verbeteren en de winst te verhogen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.