Различные протоколы испытаний (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу) содержат процедуры, специфичные для тестируемого проекта. Испытание по Роквеллу T подходит для проверки тонкостенных труб путем разрезания трубы по длине и проверки стенки по внутреннему диаметру, а не по внешнему.
Заказ трубки немного похож на поход в автосалон и заказ автомобиля или грузовика. Сегодня множество доступных опций позволяют покупателям персонализировать транспортное средство различными способами — цвета салона и экстерьера, пакеты отделки салона, варианты внешнего стиля, выбор трансмиссии и аудиосистема, которая почти конкурирует с домашней развлекательной системой. Учитывая все эти опции, вы можете быть не удовлетворены стандартным автомобилем без излишеств.
Стальные трубы — это именно то, что нужно. У них есть тысячи опций или спецификаций. Помимо размеров, спецификация перечисляет химические и несколько механических свойств, таких как минимальный предел текучести (MYS), предел прочности на разрыв (UTS) и минимальное удлинение до разрушения. Однако многие в отрасли — инженеры, агенты по закупкам и производители — используют общепринятые отраслевые сокращения, которые требуют использования «нормальных» сварных труб и указывают только одну характеристику: твердость.
Попробуйте заказать автомобиль по одной характеристике («Мне нужна машина с автоматической коробкой передач»), и вы не уйдете далеко от продавца. Ему придется заполнить форму заказа со множеством опций. Труба — это именно то, что нужно: чтобы получить правильную трубу для конкретного применения, производителю труб нужна дополнительная информация, а не только твердость.
Как твердость становится признанной заменой другим механическим свойствам? Вероятно, все началось с производителя труб. Поскольку испытание на твердость — это быстрый, простой и требующий относительно недорогого оборудования процесс, продавцы труб часто используют испытание на твердость для сравнения двух труб. Для проведения испытания на твердость им нужны лишь гладкий отрезок трубы и испытательный стенд.
Твердость трубки хорошо коррелирует с UTS, и, как правило, проценты или процентные диапазоны полезны при оценке MYS, поэтому легко увидеть, как испытание на твердость может быть подходящим показателем для других свойств.
Кроме того, другие испытания относительно сложны. В то время как испытание на твердость занимает всего минуту или около того на одной машине, испытания на MYS, UTS и удлинение требуют подготовки образцов и значительных инвестиций в крупногабаритное лабораторное оборудование. Для сравнения, оператору трубопрокатного стана требуется несколько секунд для проведения испытания на твердость, а профессиональному техническому специалисту-металлургу — несколько часов для проведения испытания на растяжение. Провести проверку твердости несложно.
Это не означает, что производители труб не проводят испытания на твердость. Можно с уверенностью сказать, что большинство из них это делают, но поскольку они проводят оценку повторяемости и воспроизводимости измерений на всем своем испытательном оборудовании, они хорошо знают об ограничениях испытаний. Большинство используют оценку твердости труб как часть производственного процесса, но они не используют ее для количественной оценки свойств труб. Это всего лишь испытание по принципу «прошел/не прошел».
Зачем вам нужно знать о MYS, UTS и минимальном удлинении? Они показывают, как труба будет вести себя при сборке.
MYS — это минимальная сила, которая вызывает постоянную деформацию материала. Если вы попытаетесь слегка согнуть прямую проволоку (например, вешалку для одежды) и ослабить давление, произойдет одно из двух: она вернется в исходное состояние (прямая) или останется изогнутой. Если она все еще прямая, вы не преодолели MYS. Если она все еще изогнутая, вы ее перегнули.
Теперь используйте плоскогубцы, чтобы зажать оба конца проволоки. Если вы можете разорвать проволоку на две части, вы превысили ее предел прочности. Вы сильно натягиваете ее, и у вас есть две проволоки, чтобы продемонстрировать ваши сверхчеловеческие усилия. Если изначальная длина проволоки составляет 5 дюймов, а две длины после разрыва составляют в сумме 6 дюймов, проволока растягивается на 1 дюйм, или 20%. Фактическое испытание на удлинение измеряется в пределах 2 дюймов от точки разрыва, но как бы то ни было — концепция натяжения проволоки иллюстрирует предел прочности.
Образцы микрофотографий стали необходимо разрезать, отполировать и протравить с использованием слабокислого раствора (обычно азотной кислоты и спирта (нитроэтанола)), чтобы сделать зерна видимыми. Для проверки зерен стали и определения их размера обычно используют 100-кратное увеличение.
Твердость — это испытание на то, как материал реагирует на удар. Представьте себе, что вы помещаете короткий кусок трубы в тиски с зубчатыми губками и поворачиваете тиски, чтобы закрыть их. Помимо того, что губки тисков сплющивают трубку, они также оставляют вмятины на ее поверхности.
Вот как работает испытание на твердость, но это не так грубо. Это испытание имеет контролируемую величину удара и контролируемое давление. Эти силы деформируют поверхность, создавая углубление или вмятину. Размер или глубина углубления определяют твердость металла.
Для оценки стали общепринятыми методами определения твердости являются методы Бринелля, Виккерса и Роквелла. Каждый из них имеет свою собственную шкалу, а некоторые имеют несколько методов испытаний, например, Роквелла A, B и C. Для стальных труб спецификация ASTM A513 ссылается на тест Роквелла B (сокращенно HRB или RB). Тест Роквелла B измеряет разницу в проникновении в сталь стального шарика диаметром 1⁄16 дюйма между небольшой предварительной нагрузкой и первичной нагрузкой 100 кгс. Типичный результат для стандартной мягкой стали — HRB 60.
Материаловеды знают, что твердость линейно связана с UTS. Поэтому заданная твердость может предсказать UTS. Аналогично, производители труб знают, что MYS и UTS связаны. Для сварных труб MYS обычно составляет от 70% до 85% от UTS. Точное значение зависит от процесса изготовления трубы. Твердость HRB 60 коррелирует с UTS 60 000 фунтов на квадратный дюйм (PSI) и MYS 80%, или 48 000 PSI.
Наиболее распространенной спецификацией труб в общем производстве является максимальная твердость. Помимо размера, инженер был озабочен спецификацией сварной электросварной трубы (ERW) в пределах хорошего рабочего диапазона, что могло бы привести к максимальной твердости, возможно, HRB 60, указанной на чертеже компонента. Это решение само по себе приводит к ряду конечных механических свойств, включая саму твердость.
Во-первых, твердость HRB 60 не говорит нам многого. Показание HRB ​​60 — это безразмерное число. Материал, оцененный с помощью HRB 59, мягче, чем материал, испытанный с помощью HRB 60, а HRB 61 тверже, чем HRB 60, но насколько? Его нельзя количественно определить, как объем (измеряется в децибелах), крутящий момент (измеряется в фунт-футах), скорость (измеряется как расстояние относительно времени) или UTS (измеряется в фунтах на квадратный дюйм). Показание HRB ​​60 не говорит нам ничего конкретного. Это свойство материала, но не физическое свойство. Во-вторых, испытание на твердость не подходит для повторяемости или воспроизводимости. Оценка двух мест на образце для испытаний, даже если места испытаний расположены близко друг к другу, часто приводит к большому разбросу показаний твердости. Эту проблему усугубляет характер испытания. После того, как положение было измерено, его нельзя измерить повторно время для проверки результатов. Повторяемость теста невозможна.
Это не означает, что испытание на твердость неудобно. На самом деле, оно дает хорошее представление о пределе прочности материала, и это быстрый и простой в выполнении тест. Однако все, кто участвует в спецификации, закупке и производстве труб, должны знать об ограничениях этого параметра как теста.
Поскольку «обычная» труба не имеет четкого определения, при необходимости производители труб часто сужают ее до двух наиболее часто используемых стальных труб и типов труб, определенных в ASTM A513: 1008 и 1010. Даже после исключения всех других типов труб возможности с точки зрения механических свойств этих двух типов труб остаются широко открытыми. Фактически, эти типы труб имеют самый широкий диапазон механических свойств среди всех типов.
Например, трубка считается мягкой, если MYS низкая, а удлинение высокое. Это означает, что она лучше проявляет себя при растяжении, прогибе и усадке, чем трубка, описываемая как жесткая, которая имеет относительно высокую MYS и относительно низкое удлинение. Это похоже на разницу между мягкой и твердой проволокой, например, вешалками для одежды и дрелями.
Удлинение само по себе является еще одним фактором, который оказывает существенное влияние на критически важные области применения труб. Трубы с высоким удлинением могут выдерживать растягивающие усилия; материалы с низким удлинением более хрупкие и, следовательно, более подвержены катастрофическим отказам усталостного типа. Однако удлинение не связано напрямую с пределом прочности при растяжении (UTS), который является единственным механическим свойством, напрямую связанным с твердостью.
Почему механические свойства труб так сильно различаются? Во-первых, химический состав отличается. Сталь представляет собой твердый раствор железа и углерода и других важных сплавов. Для простоты мы будем иметь дело только с процентным содержанием углерода. Атомы углерода заменяют некоторые атомы железа, образуя кристаллическую структуру стали. ASTM 1008 — это всеобъемлющая первичная марка с содержанием углерода от 0% до 0,10%. Ноль — это особое число, которое обеспечивает уникальные свойства, когда содержание углерода в стали сверхнизкое. ASTM 1010 определяет содержание углерода от 0,08% до 0,13%. Эти различия не кажутся огромными, но они достаточно велики, чтобы иметь большое значение в другом месте.
Во-вторых, стальная труба может быть изготовлена ​​или изготовлена ​​и впоследствии обработана с использованием семи различных производственных процессов. В стандарте ASTM A513, касающемся производства труб ERW, перечислены семь типов:
Если химический состав стали и этапы производства труб не влияют на твердость стали, то что же тогда влияет? Чтобы ответить на этот вопрос, придется вникнуть в детали. Этот вопрос порождает еще два вопроса: какие детали и насколько близко?
Подробности о зернах, из которых состоит сталь, являются первым ответом. Когда сталь производится на первичном сталелитейном заводе, она не охлаждается в огромный блок с одной особенностью. По мере охлаждения стали молекулы стали организуются в повторяющиеся узоры (кристаллы), подобно тому, как образуются снежинки. После того, как кристаллы сформированы, они объединяются в группы, называемые зернами. По мере охлаждения зерна растут и формируются по всему листу или пластине. Зерна прекращают расти, поскольку последние молекулы стали поглощаются зернами. Все это происходит на микроскопическом уровне, поскольку средний размер зерна стали составляет около 64 мкм или 0,0025 дюйма в ширину. Хотя каждое зерно похоже на следующее, они не одинаковы. Они немного различаются по размеру, ориентации и содержанию углерода. Интерфейс между зернами называется границей зерна. Когда сталь разрушается, например, из-за усталостных трещин, она имеет тенденцию разрушаться по границам зерен.
Насколько далеко нужно смотреть, чтобы увидеть различимые зерна? 100-кратного увеличения или 100-кратного человеческого зрения достаточно. Однако простое рассмотрение необработанной стали при 100-кратном увеличении не даст многого. Образец подготавливается путем полировки образца и травления поверхности кислотой (обычно азотной кислотой и спиртом), называемой нитроэтанольным травителем.
Именно зерна и их внутренняя решетка определяют ударную вязкость, предел прочности при растяжении (MYS), предел прочности при растяжении (UTS) и удлинение, которые сталь может выдержать до разрушения.
Такие этапы производства стали, как горячая и холодная прокатка полосы, оказывают давление на структуру зерна; если они постоянно меняют форму, это означает, что напряжение деформирует зерно. Другие этапы обработки, такие как смотка стали в рулоны, ее размотка и деформация зерен стали через трубопрокатный стан (для формирования и калибровки трубы). Холодное волочение трубы на оправке также оказывает давление на материал, как и такие этапы производства, как формовка концов и гибка. Изменения в структуре зерна называются дислокациями.
Вышеуказанные шаги снижают пластичность стали, то есть ее способность выдерживать растягивающее (разрывное) напряжение. Сталь становится хрупкой, что означает, что она с большей вероятностью сломается, если вы продолжите с ней работать. Удлинение является одним из компонентов пластичности (сжимаемость — другим). Важно понимать, что разрушение чаще всего происходит при растягивающем напряжении, а не при сжатии. Сталь очень устойчива к растягивающему напряжению из-за своей относительно высокой способности к удлинению. Однако сталь легко деформируется под сжимающим напряжением — она пластична, что является преимуществом.
Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но низкой пластичностью по сравнению с бетоном. Эти свойства противоположны свойствам стали. Вот почему бетон, используемый для дорог, зданий и тротуаров, часто оснащается арматурой. В результате получается продукт, обладающий прочностью двух материалов: при растяжении сталь прочна, а при давлении — бетон.
Во время холодной обработки, по мере снижения пластичности стали, ее твердость увеличивается. Другими словами, она закаляется. В зависимости от ситуации это может быть преимуществом; однако это может быть и недостатком, поскольку твердость приравнивается к хрупкости. То есть, по мере того как сталь становится тверже, она становится менее эластичной; следовательно, она более склонна к разрушению.
Другими словами, каждый этап процесса снижает пластичность трубы. Она становится тверже по мере эксплуатации детали, и если она слишком твердая, то она фактически бесполезна. Твердость — это хрупкость, и хрупкая труба, скорее всего, выйдет из строя при использовании.
Есть ли у производителя какие-либо варианты в этом случае? Если коротко, то да. Этот вариант — отжиг, и хотя это не совсем волшебство, оно максимально приближено к магии.
Проще говоря, отжиг устраняет все последствия физического напряжения в металле. Этот процесс нагревает металл до температуры снятия напряжений или рекристаллизации, тем самым устраняя дислокации. В зависимости от конкретной температуры и времени, используемых в процессе отжига, процесс восстанавливает часть или всю его пластичность.
Отжиг и контролируемое охлаждение способствуют росту зерен. Это полезно, если целью является снижение хрупкости материала, но неконтролируемый рост зерен может слишком сильно размягчить металл, сделав его непригодным для использования по назначению. Остановка процесса отжига — еще одно почти волшебное действие. Закалка при правильной температуре с правильным закалочным агентом в правильное время быстро останавливает процесс, обеспечивая восстановление свойств стали.
Следует ли нам отказаться от спецификации твердости? Нет. Характеристики твердости ценны в первую очередь как точка отсчета при указании стальных труб. Твердость, являющаяся полезной мерой, является одной из нескольких характеристик, которые следует указывать при заказе трубного материала и проверять при получении (и регистрировать при каждой поставке). Если проверка твердости является стандартом проверки, она должна иметь соответствующие значения шкалы и диапазоны контроля.
Однако это не настоящий тест для квалификации (принятия или отклонения) материала. Помимо твердости производители должны время от времени испытывать партии для определения других важных свойств, таких как MYS, UTS или минимальное удлинение, в зависимости от области применения трубы.
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 стал первым журналом, посвященным отрасли металлических труб, в 1990 году. Сегодня он остается единственным изданием в Северной Америке, посвященным этой отрасли, и стал самым надежным источником информации для профессионалов в области труб.
Теперь с полным доступом к цифровой версии The FABRICATOR вы можете легко получить доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Электронная версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Воспользуйтесь полным доступом к цифровому изданию журнала STAMPING, в котором представлены новейшие технологические достижения, передовой опыт и отраслевые новости для рынка штамповки металлов.
Воспользуйтесь полным доступом к цифровой версии The Additive Report, чтобы узнать, как аддитивное производство может быть использовано для повышения эффективности работы и увеличения прибыли.
Теперь с полным доступом к цифровой версии The Fabricator на испанском языке вы получите легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.