Ulike testprotokoller (Brinell, Rockwell, Vickers) har prosedyrer som er spesifikke for prosjektet som testes. Rockwell T-testen er egnet for inspeksjon av lettveggede rør ved å kutte røret på langs og teste veggen fra den indre diameteren i stedet for den ytre diameteren.
Å bestille en slange er litt som å gå til en bilforhandler og bestille en bil eller lastebil. I dag lar de mange tilgjengelige alternativene kjøpere tilpasse kjøretøyet på en rekke måter – interiør- og eksteriørfarger, interiørpakker, utvendige stylingalternativer, drivlinjevalg og et lydsystem som nesten kan konkurrere med et hjemmekinoanlegg. Gitt alle disse alternativene, er du kanskje ikke fornøyd med et standard, enkelt kjøretøy.
Stålrør er nettopp det. Det har tusenvis av alternativer eller spesifikasjoner. I tillegg til dimensjoner viser spesifikasjonen kjemiske og flere mekaniske egenskaper som minimum flytegrense (MYS), ultimat strekkfasthet (UTS) og minimum forlengelse før brudd. Imidlertid bruker mange i bransjen – ingeniører, innkjøpsagenter og produsenter – aksepterte bransjeforkortelser som krever bruk av "normalt" sveiset rør og spesifiserer bare én egenskap: hardhet.
Prøv å bestille en bil basert på én enkelt egenskap («Jeg trenger en bil med automatgir»), så kommer du ikke langt med en selger. Han må fylle ut et bestillingsskjema med mange alternativer. Rør er nettopp det – for å få riktig rør til bruksområdet trenger rørprodusenten mer informasjon enn bare hardhet.
Hvordan blir hardhet en anerkjent erstatning for andre mekaniske egenskaper? Det startet sannsynligvis med en rørprodusent. Fordi hardhetstesting er raskt, enkelt og krever relativt billig utstyr, bruker rørselgere ofte hardhetstesting for å sammenligne to rør. For å utføre en hardhetstest trenger de bare en jevn rørlengde og et teststativ.
Rørhardhet korrelerer godt med UTS, og som en tommelfingerregel er prosenter eller prosentintervaller nyttige for å estimere MYS, så det er lett å se hvordan hardhetstesting kan være en passende representant for andre egenskaper.
Andre tester er også relativt komplekse. Mens hardhetstesting bare tar omtrent ett minutt på en enkelt maskin, krever MYS-, UTS- og forlengelsestesting prøveforberedelse og betydelige investeringer i stort laboratorieutstyr. Til sammenligning tar det sekunder for en rørmølleoperatør å utføre en hardhetstest og timer for en profesjonell metallurgisk tekniker å utføre en strekkprøve. Det er ikke vanskelig å utføre en hardhetskontroll.
Dette betyr ikke at produsenter av konstruerte rør ikke bruker hardhetstesting. Det er trygt å si at folk flest gjør det, men fordi de utfører repeterbarhets- og reproduserbarhetsvurderinger av måleinstrumenter på alt testutstyret sitt, er de godt klar over testens begrensninger. De fleste bruker vurdering av rørhardhet som en del av produksjonsprosessen, men de bruker det ikke til å kvantifisere røregenskaper. Dette er bare en bestått/ikke bestått-test.
Hvorfor trenger du å vite om MYS, UTS og minimumsforlengelse? De indikerer hvordan røret vil oppføre seg under montering.
MYS er den minste kraften som forårsaker permanent deformasjon av materialet. Hvis du prøver å bøye en rett tråd (som en kleshenger) litt og slippe trykket, vil én av to ting skje: den vil sprette tilbake til sin opprinnelige tilstand (rett), eller den vil forbli bøyd. Hvis den fortsatt er rett, har du ikke kommet forbi MYS. Hvis den fortsatt er bøyd, har du bøyd den for langt.
Bruk nå en tang til å klemme fast begge ender av ledningen. Hvis du kan rive ledningen i to deler, er du over UTS. Du legger mye spenning på den, og du har to ledninger som viser din overmenneskelige innsats. Hvis den opprinnelige lengden på ledningen er 5 tommer, og de to lengdene etter brudd summerer seg til 6 tommer, er ledningen strukket med 1 tomme, eller 20 %. Den faktiske forlengelsestesten måles innenfor 2 tommer fra bruddpunktet, men uansett – trekktrådkonseptet illustrerer UTS.
Stålmikroskopiprøver må kuttes, poleres og etses med en mildt sur løsning (vanligvis salpetersyre og alkohol (nitroetanol)) for å gjøre kornene synlige. 100x forstørrelse brukes ofte til å inspisere stålkorn og bestemme kornstørrelse.
Hardhet er en test på hvordan et materiale reagerer på støt. Tenk deg å sette et kort rørstykke inn i en skrustikke med taggete kjever og vri skrustikken for å lukke den. I tillegg til å flate ut røret, etterlater skrustikkens kjever også fordypninger på overflaten av røret.
Slik fungerer hardhetstesten, men den er ikke så grov. Denne testen har en kontrollert slagstørrelse og kontrollert trykk. Disse kreftene deformerer overflaten og skaper en fordypning eller innrykk. Størrelsen eller dybden på fordypningen bestemmer metallets hardhet.
For evaluering av stål er vanlige hardhetstester Brinell, Vickers og Rockwell. Hver har sin egen skala, og noen har flere testmetoder, for eksempel Rockwell A, B og C. For stålrør refererer ASTM-spesifikasjon A513 til Rockwell B-testen (forkortet HRB eller RB). Rockwell B-testen måler forskjellen i penetrasjon av stål av en stålkule med en diameter på 1⁄16 tommer mellom en liten forbelastning og en primærbelastning på 100 kgf. Et typisk resultat for standard mildt stål er HRB 60.
Materialforskere vet at hardhet er lineært relatert til UTS. Derfor kan en gitt hardhet forutsi UTS. På samme måte vet rørprodusenter at MYS og UTS er relaterte. For sveisede rør er MYS vanligvis 70 % til 85 % av UTS. Den nøyaktige mengden avhenger av prosessen med å lage røret. Hardheten til HRB 60 korrelerer med en UTS på 60 000 pund per kvadrattomme (PSI) og en MYS på 80 %, eller 48 000 PSI.
Den vanligste rørspesifikasjonen i generell produksjon er maksimal hardhet. I tillegg til størrelse var ingeniøren opptatt av å spesifisere et sveiset elektrisk motstandssveiset (ERW) rør innenfor et godt arbeidsområde, noe som kunne resultere i en maksimal hardhet på muligens HRB 60 som fant veien på komponenttegningen. Denne avgjørelsen alene fører til en rekke endelige mekaniske egenskaper, inkludert selve hardheten.
For det første forteller ikke hardheten til HRB 60 oss så mye. Avlesningen HRB 60 er et dimensjonsløst tall. Materialet som ble evaluert med HRB 59 er mykere enn materialet som ble testet med HRB 60, og HRB 61 er hardere enn HRB 60, men med hvor mye? Det kan ikke kvantifiseres som volum (målt i desibel), dreiemoment (målt i pund-fot), hastighet (målt i avstand i forhold til tid) eller UTS (målt i pund per kvadrattomme). Avlesning av HRB 60 forteller oss ikke noe spesifikt. Dette er en egenskap ved materialet, men ikke en fysisk egenskap. For det andre er hardhetstesting ikke egnet for repeterbarhet eller reproduserbarhet. Evaluering av to steder på en testprøve, selv om teststedene er nær hverandre, resulterer ofte i en stor variasjon i hardhetsavlesningene. Dette problemet forverres av testens natur. Etter at en posisjon er målt, kan den ikke måles en gang til for å bekrefte resultatene. Testens repeterbarhet er ikke mulig.
Dette betyr ikke at hardhetstesting er upraktisk. Faktisk gir det en god veiledning for et materiales UTS, og det er en rask og enkel test å utføre. Imidlertid bør alle som er involvert i spesifisering, kjøp og produksjon av rør være klar over begrensningene som testparameter.
Fordi «vanlige» rør ikke er godt definert, snevrer rørprodusenter det ofte inn til de to mest brukte stålrørene og rørtypene som er definert i ASTM A513: 1008 og 1010 når det er nødvendig. Selv etter å ha eliminert alle andre rørtyper, er mulighetene når det gjelder mekaniske egenskaper for disse to rørtypene vidåpne. Faktisk har disse rørtypene det bredeste spekteret av mekaniske egenskaper av alle typer.
For eksempel beskrives et rør som mykt hvis MYS er lav og forlengelsen er høy, noe som betyr at det yter bedre i strekkfasthet, nedbøyning og herding enn et rør beskrevet som hardt, som har en relativt høy MYS og relativt lav forlengelse. Dette ligner på forskjellen mellom myk og hard tråd, for eksempel kleshengere og driller.
Forlengelse i seg selv er en annen faktor som har en betydelig innvirkning på kritiske rørapplikasjoner. Rør med høy forlengelse tåler strekkrefter; materialer med lav forlengelse er mer sprø og derfor mer utsatt for katastrofale utmattingsfeil. Forlengelse er imidlertid ikke direkte relatert til UTS, som er den eneste mekaniske egenskapen som er direkte relatert til hardhet.
Hvorfor varierer rørenes mekaniske egenskaper så mye? For det første er den kjemiske sammensetningen forskjellig. Stål er en fast løsning av jern og karbon og andre viktige legeringer. For enkelhets skyld vil vi bare behandle karbonprosenter her. Karbonatomer erstatter noen av jernatomene og danner krystallstrukturen til stål. ASTM 1008 er en altomfattende primærkvalitet med et karboninnhold på 0 % til 0,10 %. Null er et veldig spesielt tall som gir unike egenskaper når karboninnholdet i stål er ultralavt. ASTM 1010 spesifiserer et karboninnhold mellom 0,08 % og 0,13 %. Disse forskjellene virker ikke enorme, men de er store nok til å utgjøre en stor forskjell andre steder.
For det andre kan stålrøret fremstilles eller fremstilles og deretter bearbeides i syv forskjellige produksjonsprosesser. ASTM A513 relatert til ERW-rørproduksjon lister opp syv typer:
Hvis stålets kjemiske sammensetning og rørproduksjonstrinnene ikke har noen effekt på stålets hardhet, hva har det? Å svare på dette spørsmålet betyr å se nærmere på detaljene. Dette spørsmålet reiser to spørsmål til: Hvilke detaljer, og hvor nære?
Detaljer om kornene som utgjør stålet er det første svaret. Når stål lages på et primært stålverk, avkjøles det ikke til en enorm blokk med én enkelt egenskap. Når stålet avkjøles, organiserer stålmolekylene seg i repeterende mønstre (krystaller), på samme måte som snøflak dannes. Etter at krystaller er dannet, aggregerer de seg i grupper som kalles korn. Etter hvert som avkjølingen skrider frem, vokser kornene og dannes gjennom hele arket eller platen. Kornene slutter å vokse når de siste stålmolekylene absorberes av kornene. Alt dette skjer på mikroskopisk nivå fordi den gjennomsnittlige stålkornstørrelsen er omtrent 64 µ eller 0,0025 tommer bred. Selv om hvert korn ligner på det neste, er de ikke like. De varierer litt i størrelse, orientering og karboninnhold. Grensesnittet mellom kornene kalles korngrense. Når stål svikter, for eksempel på grunn av utmattingssprekker, har det en tendens til å svikte langs korngrensene.
Hvor langt må du se for å se merkbare korn? 100x forstørrelse, eller 100x menneskelig syn, er nok. Men å bare se på ubehandlet stål med 100 ganger forstørrelsen avslører ikke mye. Prøven fremstilles ved å polere prøven og etse overflaten med en syre (vanligvis salpetersyre og alkohol) kalt et nitroetanol-etsemiddel.
Det er kornene og deres indre gitter som bestemmer slagfastheten, MYS, UTS og forlengelsen et stål kan tåle før brudd.
Stålproduksjonstrinn, som varm- og kaldvalsing av bånd, legger spenning i kornstrukturen. Hvis de permanent endrer form, betyr dette at spenningen deformerer kornet. Andre prosesseringstrinn, som å kveile stålet til spoler, avkveile det og deformere stålkornene gjennom en rørmølle (for å forme og dimensjonere røret). Kaldtrekking av røret på doren legger også press på materialet, i likhet med produksjonstrinn som endeforming og bøying. Endringer i kornstrukturen kalles dislokasjoner.
Trinnene ovenfor reduserer stålets duktilitet, som er dets evne til å motstå strekkspenning (åpne spenning). Stål blir sprøtt, noe som betyr at det er mer sannsynlig at det brekker hvis du fortsetter å jobbe med det. Forlengelse er én komponent av duktilitet (kompressibilitet er en annen). Det er viktig å forstå at brudd oftest oppstår under strekkspenning, ikke kompresjon. Stål er svært motstandsdyktig mot strekkspenning på grunn av sin relativt høye forlengelseskapasitet. Stål deformeres imidlertid lett under trykkspenning – det er duktilt – noe som er en fordel.
Betong har høy trykkfasthet, men lav duktilitet sammenlignet med betong. Disse egenskapene er motsatte av ståls. Derfor er betong som brukes til veier, bygninger og fortau ofte utstyrt med armeringsjern. Resultatet er et produkt med styrkene til to materialer: under spenning er stål sterkt, og under trykk er betong sterkt.
Under kaldbearbeiding, når stålets duktilitet avtar, øker hardheten. Med andre ord vil det herde. Avhengig av situasjonen kan dette være en fordel; det kan imidlertid være en ulempe siden hardhet likestilles med sprøhet. Det vil si at når stål blir hardere, blir det mindre elastisk; derfor er det mer sannsynlig at det svikter.
Med andre ord, hvert prosesstrinn forbruker noe av rørets duktilitet. Det blir hardere etter hvert som delen arbeider, og hvis det er for hardt, er det i utgangspunktet ubrukelig. Hardhet er sprøhet, og et sprøtt rør vil sannsynligvis svikte når det brukes.
Har produsenten noen alternativer i dette tilfellet? Kort sagt, ja. Det alternativet er gløding, og selv om det ikke er helt magisk, er det så nært magi som du kan komme.
Enkelt forklart fjerner gløding alle effekter av fysisk stress på metallet. Denne prosessen varmer opp metallet til en spenningsavlastnings- eller omkrystalliseringstemperatur, og eliminerer dermed forskyvninger. Avhengig av den spesifikke temperaturen og tiden som brukes i glødeprosessen, gjenoppretter prosessen dermed noe av eller all dens duktilitet.
Gløding og kontrollert avkjøling fremmer kornvekst. Dette er gunstig hvis målet er å redusere materialets sprøhet, men ukontrollert kornvekst kan myke opp metallet for mye, noe som gjør det ubrukelig til det tiltenkte formålet. Å stoppe glødeprosessen er en annen nesten magisk ting. Bråkjøling ved riktig temperatur med riktig bråkjølingsmiddel til riktig tid bringer prosessen til en rask stopp for å få stålets gjenvinningsegenskaper.
Bør vi droppe hardhetsspesifikasjonen? Nei. Hardhetsegenskaper er først og fremst verdifulle som referansepunkt når man spesifiserer stålrør. Hardhet er et nyttig mål, og er en av flere egenskaper som bør spesifiseres ved bestilling av rørformet materiale og kontrolleres ved mottak (og bør registreres ved hver forsendelse). Når hardhetsinspeksjon er inspeksjonsstandarden, bør den ha passende skalaverdier og kontrollområder.
Det er imidlertid ikke en sann test for å kvalifisere (akseptere eller avvise) materiale. I tillegg til hardhet bør produsenter av og til teste forsendelser for å bestemme andre relevante egenskaper, som MYS, UTS eller minimum forlengelse, avhengig av rørets bruksområde.
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 ble det første magasinet dedikert til metallrørindustrien i 1990. I dag er det fortsatt den eneste publikasjonen i Nord-Amerika dedikert til industrien, og har blitt den mest pålitelige informasjonskilden for rørfagfolk.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The FABRICATOR, enkel tilgang til verdifulle bransjeressurser.
Den digitale utgaven av The Tube & Pipe Journal er nå fullt tilgjengelig, og gir enkel tilgang til verdifulle ressurser i bransjen.
Få full tilgang til den digitale utgaven av STAMPING Journal, som gir deg de nyeste teknologiske fremskrittene, beste praksis og bransjenyheter for metallstemplingsmarkedet.
Få full tilgang til den digitale utgaven av The Additive Report for å lære hvordan additiv produksjon kan brukes til å forbedre driftseffektiviteten og øke fortjenesten.
Nå med full tilgang til den digitale utgaven av The Fabricator på spansk, enkel tilgang til verdifulle bransjeressurser.