Różne protokoły testowe (Brinell, Rockwell, Vickers) mają procedury specyficzne dla testowanego projektu. Test T Rockwella nadaje się do sprawdzania rur o cienkich ściankach poprzez przecięcie rury wzdłuż i zbadanie ścianki od średnicy wewnętrznej, a nie zewnętrznej.
Zamówienie rur przypomina trochę wizytę w salonie samochodowym i zamówienie samochodu osobowego lub ciężarowego. Obecnie dostępnych jest wiele opcji, które pozwalają kupującym na personalizację pojazdu na wiele sposobów — kolory wnętrza i nadwozia, pakiety wykończenia wnętrza, opcje stylizacji nadwozia, wybór układu napędowego oraz system audio, który niemal dorównuje domowemu systemowi rozrywki. Biorąc pod uwagę wszystkie te opcje, możesz nie być zadowolony ze standardowego pojazdu bez zbędnych dodatków.
Rury stalowe to właśnie to. Oferują tysiące opcji i specyfikacji. Oprócz wymiarów, specyfikacja wymienia właściwości chemiczne i szereg właściwości mechanicznych, takich jak minimalna granica plastyczności (MYS), granica wytrzymałości na rozciąganie (UTS) i minimalne wydłużenie przed pęknięciem. Jednak wielu przedstawicieli branży — inżynierowie, agenci ds. zakupów i producenci — posługuje się przyjętymi w branży skrótami, które wymagają stosowania „zwykłych” rur spawanych i określają tylko jedną cechę: twardość.
Spróbuj zamówić samochód, kierując się tylko jedną cechą („potrzebuję samochodu z automatyczną skrzynią biegów”), a nie uda ci się dojść daleko ze sprzedawcą. Musi on wypełnić formularz zamówienia z wieloma opcjami. Rura jest właśnie tym, czym jest — aby uzyskać odpowiednią rurę do danego zastosowania, producent rury potrzebuje więcej informacji niż tylko jej twardość.
W jaki sposób twardość stała się uznanym substytutem innych właściwości mechanicznych? Prawdopodobnie zaczęło się to od producenta rur. Ponieważ badanie twardości jest szybkie, łatwe i wymaga stosunkowo niedrogiego sprzętu, sprzedawcy rur często wykorzystują je do porównywania dwóch rur. Aby wykonać badanie twardości, potrzebują jedynie gładkiego kawałka rury i stanowiska badawczego.
Twardość rury dobrze koreluje z UTS, a z reguły procenty lub zakresy procentowe są pomocne w szacowaniu MYS, dzięki czemu łatwo zrozumieć, w jaki sposób badanie twardości może być odpowiednim wskaźnikiem innych właściwości.
Ponadto inne testy są stosunkowo skomplikowane. Podczas gdy badanie twardości zajmuje tylko około minuty na jednej maszynie, badanie MYS, UTS i wydłużenia wymaga przygotowania próbki i znacznych inwestycji w duży sprzęt laboratoryjny. Dla porównania, operatorowi walcowni rur wykonanie testu twardości zajmuje kilka sekund, a profesjonalnemu technikowi metalurgii kilka godzin, aby wykonać próbę rozciągania. Przeprowadzenie pomiaru twardości nie jest trudne.
Nie oznacza to, że producenci rur technicznych nie stosują testów twardości. Można śmiało powiedzieć, że większość osób to robi, ale ponieważ przeprowadzają oceny powtarzalności i odtwarzalności pomiarów na wszystkich swoich urządzeniach testowych, są dobrze świadomi ograniczeń tego testu. Większość producentów stosuje ocenę twardości rur w ramach procesu produkcyjnego, ale nie używa jej do ilościowego określania właściwości rur. Jest to po prostu test typu „zaliczony/niezaliczony”.
Dlaczego warto znać parametry MYS, UTS i minimalne wydłużenie? Wskazują one, jak rura będzie zachowywać się podczas montażu.
MYS to minimalna siła powodująca trwałą deformację materiału. Jeśli spróbujesz lekko zgiąć prosty drut (np. wieszak na ubrania) i zwolnisz nacisk, wydarzy się jedna z dwóch rzeczy: powróci on do pierwotnego stanu (prostego) lub pozostanie wygięty. Jeśli drut nadal będzie prosty, nie przekroczyłeś MYS. Jeśli drut nadal będzie wygięty, przekroczyłeś go.
Teraz użyj szczypiec, aby zacisnąć oba końce drutu. Jeśli możesz rozerwać drut na dwie części, przekroczyłeś jego UTS. Wywierasz na niego duże napięcie i masz dwa druty, aby pokazać swój nadludzki wysiłek. Jeśli pierwotna długość drutu wynosiła 5 cali, a dwie długości po zerwaniu sumują się do 6 cali, drut rozciąga się o 1 cal, czyli 20%. Rzeczywisty test wydłużenia mierzony jest w odległości 2 cali od punktu zerwania, ale nieważne – koncepcja drutu rozciągającego ilustruje UTS.
Próbki fotomikrografii stali muszą być cięte, polerowane i trawione za pomocą lekko kwaśnego roztworu (zwykle kwasu azotowego i alkoholu (nitroetanolu)), aby ziarna stały się widoczne. Do badania ziaren stali i określania ich wielkości powszechnie stosuje się powiększenie 100x.
Twardość to parametr określający reakcję materiału na uderzenia. Wyobraź sobie, że wkładasz krótki kawałek rury do imadła z ząbkowanymi szczękami i zamykasz je. Szczęki imadła nie tylko spłaszczają rurę, ale również pozostawiają wgniecenia na jej powierzchni.
Tak właśnie działa test twardości, jednak nie jest on aż tak brutalny. W tym teście kontrolowana jest wielkość uderzenia i ciśnienie. Siły te odkształcają powierzchnię, tworząc wgłębienie lub wgnieceń. Rozmiar lub głębokość wgłębienia decyduje o twardości metalu.
Do oceny twardości stali powszechnie stosuje się testy Brinella, Vickersa i Rockwella. Każdy z nich ma własną skalę, a niektóre wykorzystują wiele metod badawczych, takich jak Rockwell A, B i C. W przypadku rur stalowych norma ASTM A513 odwołuje się do testu Rockwella B (w skrócie HRB lub RB). Test Rockwella B mierzy różnicę w penetracji stali przez stalową kulkę o średnicy 1⁄16 cala między niewielkim obciążeniem wstępnym a obciążeniem pierwotnym 100 kgf. Typowy wynik dla standardowej stali miękkiej to HRB 60.
Naukowcy zajmujący się materiałami wiedzą, że twardość jest liniowo związana z UTS. Dlatego na podstawie danej twardości można przewidzieć UTS. Podobnie producenci rur wiedzą, że MYS i UTS są ze sobą powiązane. W przypadku rur spawanych MYS wynosi zazwyczaj od 70% do 85% UTS. Dokładna wartość zależy od procesu wytwarzania rury. Twardość HRB 60 odpowiada UTS wynoszącemu 60 000 funtów na cal kwadratowy (PSI) i MYS wynoszącemu 80%, czyli 48 000 PSI.
Najczęściej spotykanym parametrem rur w ogólnej produkcji jest maksymalna twardość. Oprócz rozmiaru inżynierowi zależało na określeniu parametrów rury spawanej metodą oporową (ERW) w dobrym zakresie roboczym, co mogłoby skutkować maksymalną twardością na poziomie HRB 60, która byłaby podana na rysunku elementu. Ta decyzja sama w sobie ma wpływ na zakres końcowych właściwości mechanicznych, w tym na samą twardość.
Po pierwsze, twardość HRB 60 niewiele nam mówi. Odczyt HRB 60 jest liczbą bezwymiarową. Materiał oceniany za pomocą HRB 59 jest bardziej miękki niż materiał testowany za pomocą HRB 60, a HRB 61 jest twardszy niż HRB 60, ale o ile? Nie można tego określić ilościowo, tak jak objętości (mierzonej w decybelach), momentu obrotowego (mierzonego w funtach na stopę), prędkości (mierzonej jako odległość względem czasu) lub UTS (mierzonej w funtach na cal kwadratowy). Odczyt HRB 60 nie mówi nam niczego konkretnego. Jest to właściwość materiału, a nie właściwość fizyczna. Po drugie, badanie twardości nie nadaje się do powtarzalności lub odtwarzalności. Ocena dwóch lokalizacji na próbce testowej, nawet jeśli lokalizacje testowe są blisko siebie, często skutkuje dużą zmiennością odczytów twardości. Problem ten pogłębia natura testu. Po zmierzeniu pozycji nie można jej zmierzyć ponownie czas na weryfikację wyników. Powtarzalność testu nie jest możliwa.
Nie oznacza to, że badanie twardości jest niewygodne. Wręcz przeciwnie, stanowi dobry wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie (UTS) materiału i jest szybkim i łatwym badaniem do wykonania. Jednak wszystkie osoby zaangażowane w specyfikację, zakup i produkcję rur powinny być świadome ograniczeń tego parametru jako parametru badania.
Ponieważ „normalna” rura nie jest dobrze zdefiniowana, producenci rur, gdy zachodzi taka potrzeba, często zawężają ją do dwóch najczęściej stosowanych rur stalowych i typów rur zdefiniowanych w normie ASTM A513: 1008 i 1010. Nawet po wyeliminowaniu wszystkich innych typów rur, możliwości w zakresie właściwości mechanicznych tych dwóch typów rur są bardzo szerokie. W rzeczywistości te typy rur mają najszerszy zakres właściwości mechanicznych spośród wszystkich typów.
Na przykład rurę określa się jako miękką, jeśli MYS jest niski, a wydłużenie duże, co oznacza, że ​​lepiej sprawdza się ona pod względem rozciągania, ugięcia i odkształcenia niż rura określana jako twarda, która ma stosunkowo wysoki MYS i stosunkowo niskie wydłużenie. Jest to podobne do różnicy między miękkim i twardym drutem, takim jak wieszaki na ubrania i wiertarki.
Samo wydłużenie jest kolejnym czynnikiem, który ma znaczący wpływ na krytyczne zastosowania rur. Rury o dużym wydłużeniu mogą wytrzymać siły rozciągające; materiały o małym wydłużeniu są bardziej kruche i dlatego bardziej podatne na katastrofalne uszkodzenia zmęczeniowe. Jednakże wydłużenie nie jest bezpośrednio związane z UTS, która jest jedyną właściwością mechaniczną bezpośrednio powiązaną z twardością.
Dlaczego właściwości mechaniczne rur są tak zróżnicowane? Po pierwsze, różnią się składem chemicznym. Stal to stały roztwór żelaza, węgla i innych ważnych stopów. Dla uproszczenia skupimy się tutaj tylko na zawartości węgla. Atomy węgla zastępują część atomów żelaza, tworząc strukturę krystaliczną stali. Norma ASTM 1008 to uniwersalny gatunek stali o zawartości węgla od 0% do 0,10%. Zero to bardzo szczególna wartość, która zapewnia unikalne właściwości, gdy zawartość węgla w stali jest bardzo niska. Norma ASTM 1010 określa zawartość węgla na poziomie od 0,08% do 0,13%. Różnice te nie wydają się duże, ale są na tyle duże, że mogą mieć duże znaczenie w innych obszarach.
Po drugie, rury stalowe mogą być wytwarzane lub wytwarzane, a następnie przetwarzane w siedmiu różnych procesach produkcyjnych. Norma ASTM A513 dotycząca produkcji rur ERW wymienia siedem typów:
Jeśli skład chemiczny stali i etapy produkcji rur nie mają wpływu na jej twardość, to jaki jest wpływ? Odpowiedź na to pytanie wymaga dokładnego przeanalizowania szczegółów. To pytanie rodzi dwa kolejne pytania: jakie szczegóły i jak bardzo są one zbliżone?
Pierwszą odpowiedzią są szczegóły dotyczące ziaren, z których składa się stal. Kiedy stal jest wytwarzana w hucie stali pierwotnej, nie chłodzi się w ogromny blok o pojedynczej cechie. W miarę stygnięcia cząsteczki stali organizują się w powtarzające się wzory (kryształy), podobnie jak płatki śniegu. Po uformowaniu kryształy łączą się w grupy zwane ziarnami. W miarę postępu chłodzenia ziarna rosną i tworzą się w całym arkuszu lub płycie. Ziarna przestają rosnąć, gdy ostatnie cząsteczki stali zostają przez nie wchłonięte. Wszystko to dzieje się na poziomie mikroskopowym, ponieważ średni rozmiar ziarna stali wynosi około 64 µ lub 0,0025 cala szerokości. Chociaż każde ziarno jest podobne do następnego, nie są one takie same. Różnią się one nieznacznie rozmiarem, orientacją i zawartością węgla. Interfejs między ziarnami nazywa się granicą ziarna. Kiedy stal ulega uszkodzeniu, na przykład z powodu pęknięć zmęczeniowych, ma tendencję do uszkodzenia wzdłuż granic ziarna.
Jak daleko trzeba patrzeć, żeby dostrzec wyraźne ziarna? Wystarczy 100-krotne powiększenie, czyli 100-krotność ludzkiego wzroku. Jednak samo patrzenie na nieobrobioną stal przy 100-krotnym powiększeniu niewiele pokaże. Próbkę przygotowuje się, polerując ją i trawiąc powierzchnię kwasem (zazwyczaj kwasem azotowym i alkoholem) zwanym środkiem trawiącym nitroetanolem.
To ziarna i ich wewnętrzna sieć krystaliczna decydują o wytrzymałości na uderzenia, MYS, UTS i wydłużeniu, jakie stal może wytrzymać przed pęknięciem.
Procesy produkcji stali, takie jak walcowanie taśm na zimno i na gorąco, wywierają naprężenia na strukturę ziaren; jeśli zmienią one trwale kształt, oznacza to, że ziarno ulega odkształceniu pod wpływem naprężeń. Inne procesy obróbki to zwijanie stali w cewki, rozwijanie jej i odkształcanie ziaren stali w walcowni rur (w celu nadania rurze odpowiedniego kształtu i rozmiaru). Ciągnienie rury na zimno na trzpieniu również wywiera nacisk na materiał, podobnie jak procesy produkcyjne, takie jak formowanie końców i gięcie. Zmiany w strukturze ziaren nazywane są dyslokacjami.
Powyższe kroki zmniejszają ciągliwość stali, czyli jej zdolność do wytrzymywania naprężeń rozciągających (rozciągania i otwierania). Stal staje się krucha, co oznacza, że ​​jest bardziej podatna na pękanie, jeśli jest poddawana dalszej obróbce. Wydłużenie jest jednym ze składników ciągliwości (drugim jest ściśliwość). Ważne jest, aby zrozumieć, że awaria najczęściej występuje podczas rozciągania, a nie ściskania. Stal jest bardzo odporna na rozciąganie ze względu na swoją stosunkowo dużą zdolność do wydłużania. Jednak stal łatwo odkształca się pod wpływem naprężeń ściskających – jest ciągliwa – co jest zaletą.
Beton w porównaniu z betonem charakteryzuje się dużą wytrzymałością na ściskanie, ale niską ciągliwością. Właściwości te są odwrotne do właściwości stali. Dlatego beton używany do budowy dróg, budynków i chodników jest często zbrojony. W rezultacie powstaje produkt łączący w sobie wytrzymałość dwóch materiałów: pod wpływem rozciągania stal jest wytrzymała, a pod wpływem ciśnienia – beton.
Podczas obróbki plastycznej na zimno, wraz ze spadkiem ciągliwości stali, wzrasta jej twardość. Innymi słowy, stal się utwardza. W zależności od sytuacji może to być zaletą; jednak może być też wadą, ponieważ twardość jest utożsamiana z kruchością. Oznacza to, że im stal twardnieje, tym mniej jest elastyczna; w związku z tym jest bardziej podatna na uszkodzenia.
Innymi słowy, każdy etap procesu zużywa część ciągliwości rury. W miarę obróbki staje się ona twardsza, a jeśli jest zbyt twarda, jest w zasadzie bezużyteczna. Twardość to kruchość, a krucha rura najprawdopodobniej ulegnie uszkodzeniu podczas użytkowania.
Czy producent ma w tym przypadku jakieś opcje?Krótko mówiąc, tak. Tą opcją jest wyżarzanie, i choć nie jest to coś magicznego, to jest to najbliższe magii, co można osiągnąć.
Prościej rzecz ujmując, wyżarzanie usuwa wszystkie skutki naprężeń fizycznych w metalu. Proces ten polega na nagrzaniu metalu do temperatury odprężenia lub rekrystalizacji, eliminując w ten sposób dyslokacje. W zależności od konkretnej temperatury i czasu stosowanych w procesie wyżarzania, przywraca on część lub całość ciągliwości materiału.
Wyżarzanie i kontrolowane chłodzenie wspomagają wzrost ziarna. Jest to korzystne, jeśli celem jest zmniejszenie kruchości materiału, ale niekontrolowany wzrost ziarna może nadmiernie zmiękczyć metal, czyniąc go niezdatnym do użytku zgodnie z przeznaczeniem. Zatrzymanie procesu wyżarzania to kolejna niemal magiczna rzecz. Hartowanie w odpowiedniej temperaturze, przy użyciu odpowiedniego środka hartującego i we właściwym czasie pozwala na szybkie zatrzymanie procesu, co pozwala stali odzyskać właściwości.
Czy powinniśmy zrezygnować ze specyfikacji twardości? Nie. Parametry twardości są cenne przede wszystkim jako punkt odniesienia przy określaniu specyfikacji rur stalowych. Twardość, będąca użyteczną miarą, to jedna z kilku cech, które należy określić przy zamawianiu materiałów rurowych i sprawdzić przy ich odbiorze (i które należy rejestrować przy każdej dostawie). Gdy kontrola twardości jest standardem kontroli, powinna mieć odpowiednie wartości skali i zakresy kontrolne.
Nie jest to jednak prawdziwy test kwalifikujący (akceptujący lub odrzucający) materiał. Oprócz twardości producenci powinni od czasu do czasu testować przesyłki, aby określić inne istotne właściwości, takie jak MYS, UTS lub minimalne wydłużenie, w zależności od zastosowania rury.
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.
W 1990 roku czasopismo Tube & Pipe Journal zostało pierwszym magazynem poświęconym branży rur metalowych. Do dziś pozostaje ono jedyną publikacją w Ameryce Północnej poświęconą tej branży i stało się najbardziej wiarygodnym źródłem informacji dla specjalistów zajmujących się rurami.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The FABRICATOR, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Cyfrowe wydanie czasopisma The Tube & Pipe Journal jest już w pełni dostępne, dzięki czemu można łatwo zapoznać się z cennymi zasobami branżowymi.
Uzyskaj pełny dostęp do wydania cyfrowego czasopisma STAMPING Journal, w którym znajdziesz najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i wiadomości branżowe dla rynku tłoczenia metali.
Uzyskaj pełny dostęp do wydania cyfrowego The Additive Report i dowiedz się, w jaki sposób produkcja addytywna może służyć poprawie efektywności operacyjnej i zwiększeniu zysków.
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego The Fabricator w języku hiszpańskim, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.