Различные протоколы испытаний (Бринелля, Роквелла, Виккерса) имеют процедуры, специфичные для проверяемого проекта. Испытание по методу Роквелла (Т) подходит для проверки тонкостенных труб путем разрезания трубы вдоль и проверки стенки по внутреннему диаметру, а не по внешнему.
Заказ комплектации автомобиля чем-то похож на поход в автосалон за покупкой легкового или грузового автомобиля. Сегодня множество доступных опций позволяют покупателям персонализировать транспортное средство различными способами — цвета салона и кузова, пакеты отделки салона, варианты внешнего оформления, выбор силового агрегата и аудиосистема, которая почти не уступает домашней развлекательной системе. Учитывая все эти возможности, вас может не устроить стандартный, простой автомобиль.
Стальные трубы — это именно то, что подразумевает их название. Существует множество вариантов и спецификаций. Помимо размеров, в спецификации указываются химические и некоторые механические свойства, такие как минимальный предел текучести (MYS), предел прочности при растяжении (UTS) и минимальное удлинение до разрушения. Однако многие в отрасли — инженеры, агенты по закупкам и производители — используют общепринятые отраслевые обозначения, требующие использования «обычных» сварных труб и указывающие только одну характеристику: твердость.
Попробуйте заказать автомобиль, ориентируясь только на одну характеристику («Мне нужен автомобиль с автоматической коробкой передач»), и вы вряд ли добьетесь успеха у продавца. Ему придется заполнить бланк заказа со множеством опций. С трубами дело обстоит именно так – чтобы подобрать подходящую трубу для конкретного применения, производителю труб требуется больше информации, чем просто твердость.
Как твердость стала признанным заменителем других механических свойств? Вероятно, все началось с производителя труб. Поскольку измерение твердости — это быстрый, простой процесс, требующий относительно недорогого оборудования, продавцы труб часто используют его для сравнения двух образцов. Для проведения измерения твердости им достаточно гладкого отрезка трубы и испытательного стенда.
Твердость труб хорошо коррелирует с пределом прочности на разрыв, и, как правило, проценты или диапазоны процентов помогают оценить предел текучести, поэтому легко понять, как измерение твердости может быть подходящим показателем для других свойств.
Кроме того, другие испытания относительно сложны. В то время как измерение твердости занимает всего около минуты на одном приборе, определение предела текучести, предела прочности и удлинения требует подготовки образцов и значительных инвестиций в крупное лабораторное оборудование. Для сравнения, оператору трубопрокатного стана требуется несколько секунд, чтобы провести измерение твердости, а профессиональному металлургическому технику — несколько часов, чтобы провести испытание на растяжение. Провести проверку твердости несложно.
Это не означает, что производители труб не используют измерение твердости. Можно с уверенностью сказать, что большинство используют, но поскольку они проводят оценку повторяемости и воспроизводимости результатов на всем своем испытательном оборудовании, они хорошо осведомлены об ограничениях этого метода. Большинство используют измерение твердости труб в рамках производственного процесса, но не для количественной оценки свойств труб. Это всего лишь тест на соответствие/несоответствие требованиям.
Зачем нужно знать о пределе текучести (MYS), пределе прочности на разрыв (UTS) и минимальном удлинении? Они показывают, как труба будет вести себя при сборке.
MYS — это минимальная сила, вызывающая необратимую деформацию материала. Если вы попытаетесь слегка согнуть прямую проволоку (например, вешалку для одежды) и ослабите давление, произойдет одно из двух: она вернется в исходное (прямое) состояние или останется согнутой. Если она останется прямой, значит, вы не преодолели MYS. Если она останется согнутой, значит, вы переборщили.
Теперь с помощью плоскогубцев зажмите оба конца проволоки. Если вы можете разорвать проволоку на две части, значит, вы превысили предел прочности на разрыв. Вы приложили к ней большое натяжение, и у вас есть две проволоки, демонстрирующие ваши сверхчеловеческие усилия. Если первоначальная длина проволоки составляет 5 дюймов, а сумма двух длин после разрыва составляет 6 дюймов, то проволока растянута на 1 дюйм, или на 20%. Фактическое испытание на удлинение проводится в пределах 2 дюймов от точки разрыва, но это неважно – концепция разрыва проволоки иллюстрирует предел прочности на разрыв.
Для получения микрофотографических образцов стали необходимо вырезать, отполировать и протравить их слабокислым раствором (обычно азотной кислотой и спиртом (нитроэтанолом)), чтобы сделать зерна видимыми. Для исследования зерен стали и определения их размера обычно используется 100-кратное увеличение.
Твердость — это показатель того, как материал реагирует на удар. Представьте, что вы засунули короткий отрезок трубы в тиски с зубчатыми губками и повернули их, чтобы закрыть. Помимо того, что губки тисков сплющили трубу, они также оставили на ее поверхности вмятины.
Вот как работает тест на твердость, но он не такой уж и грубый. Этот тест имеет контролируемый размер удара и контролируемое давление. Эти силы деформируют поверхность, создавая вмятину или углубление. Размер или глубина вмятины определяет твердость металла.
Для оценки твердости стали обычно используются шкалы Бринелля, Виккерса и Роквелла. Каждая из них имеет свою собственную шкалу, а некоторые имеют несколько методов испытания, например, Роквелл A, B и C. Для стальных труб спецификация ASTM A513 ссылается на испытание Роквелла B (сокращенно HRB или RB). Испытание Роквелла B измеряет разницу в глубине проникновения стального шарика диаметром 1/16 дюйма между небольшой предварительной нагрузкой и основной нагрузкой 100 кгс. Типичный результат для стандартной низкоуглеродистой стали — HRB 60.
Материаловеды знают, что твердость линейно связана с пределом прочности на разрыв (UTS). Следовательно, заданная твердость может предсказать UTS. Аналогично, производители труб знают, что предел текучести (MYS) и UTS взаимосвязаны. Для сварных труб MYS обычно составляет от 70% до 85% от UTS. Точное значение зависит от процесса изготовления трубы. Твердость HRB 60 соответствует пределу прочности на разрыв 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, инженера волновало, чтобы сварная труба, изготовленная методом электросопротивления (ЭСС), находилась в пределах допустимого рабочего диапазона, что могло привести к тому, что на чертеже детали будет указана максимальная твердость, возможно, HRB 60. Одно только это решение влияет на ряд конечных механических свойств, включая саму твердость.
Во-первых, твердость по шкале HRB ​​60 мало что нам говорит. Показатель HRB 60 — это безразмерное число. Материал, оцененный по шкале HRB ​​59, мягче, чем материал, испытанный по шкале HRB ​​60, а HRB 61 тверже, чем HRB 60, но насколько? Это нельзя количественно измерить, как объем (измеряется в децибелах), крутящий момент (измеряется в фунто-футах), скорость (измеряется расстоянием относительно времени) или предел прочности на разрыв (измеряется в фунтах на квадратный дюйм). Показатель HRB 60 не дает нам никакой конкретной информации. Это свойство материала, но не физическое свойство. Во-вторых, измерение твердости не подходит для проверки повторяемости или воспроизводимости результатов. Оценка двух точек на образце, даже если эти точки находятся близко друг к другу, часто приводит к большим колебаниям показаний твердости. Ситуацию усугубляет сама природа теста. После измерения в определенной точке ее нельзя измерить повторно для проверки. Результаты. Повторяемость теста невозможна.
Это не означает, что измерение твердости неудобно. На самом деле, оно является хорошим показателем предела прочности материала на разрыв и представляет собой быстрый и простой в выполнении тест. Однако все, кто занимается выбором, закупкой и производством труб, должны знать об ограничениях этого метода измерения.
Поскольку понятие «обычная» труба не имеет четкого определения, производители труб часто сужают выбор до двух наиболее распространенных типов стальных труб, определенных в стандарте ASTM A513: 1008 и 1010. Даже после исключения всех других типов труб, возможности в плане механических свойств этих двух типов труб остаются весьма широкими. Фактически, эти типы труб обладают самым широким диапазоном механических свойств среди всех типов.
Например, труба считается мягкой, если предел текучести (MYS) низок, а удлинение высокое, что означает, что она демонстрирует лучшие характеристики по прочности на растяжение, прогибу и деформации, чем труба, считающаяся твердой, которая имеет относительно высокий предел текучести и относительно низкое удлинение. Это похоже на разницу между мягкой и твердой проволокой, например, вешалками для одежды и дрелями.
Само по себе удлинение является еще одним фактором, оказывающим 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 склонны к катастрофическим усталостным разрушениям. Однако удлинение не связано напрямую с пределом прочности на разрыв (UTS), который является единственным механическим свойством, напрямую связанным с твердостью.
Почему механические свойства труб так сильно различаются? Во-первых, различен химический состав. Сталь представляет собой твердый раствор железа, углерода и других важных сплавов. Для простоты мы будем рассматривать здесь только процентное содержание углерода. Атомы углерода замещают часть атомов железа, образуя кристаллическую структуру стали. ASTM 1008 — это всеобъемлющий основной стандарт с содержанием углерода от 0% до 0,10%. Ноль — это очень особое число, определяющее уникальные свойства стали при сверхнизком содержании углерода. ASTM 1010 устанавливает содержание углерода от 0,08% до 0,13%. Эти различия кажутся незначительными, но они достаточно велики, чтобы существенно повлиять на другие характеристики.
Во-вторых, стальная труба может быть изготовлена ​​или изготовлена ​​с последующей обработкой в ​​семи различных производственных процессах. В стандарте ASTM A513, касающемся производства электросварных труб, перечислены семь типов:
Если химический состав стали и этапы производства труб не влияют на твердость стали, то что же влияет? Ответ на этот вопрос требует детального изучения. Этот вопрос порождает еще два вопроса: какие именно детали и насколько детально?
Первый ответ кроется в деталях структуры зерна, из которого состоит сталь. Когда сталь производится на первичном сталелитейном заводе, она не охлаждается в виде огромного блока с одной единственной структурой. По мере охлаждения молекулы стали организуются в повторяющиеся узоры (кристаллы), подобно тому, как образуются снежинки. После образования кристаллов они объединяются в группы, называемые зернами. По мере охлаждения зерна растут и формируются по всей толщине листа или пластины. Рост зерен прекращается, когда последние молекулы стали поглощаются зернами. Все это происходит на микроскопическом уровне, поскольку средний размер стального зерна 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. Граница раздела между зернами называется границей зерна. Когда сталь разрушается, например, из-за усталостных трещин, она, как правило, разрушается вдоль границ зерен.
Насколько далеко нужно смотреть, чтобы увидеть различимые зерна? 100-кратного увеличения, или 100-кратного увеличения человеческого зрения, достаточно. Однако, просто взглянув на необработанную сталь при 100-кратном увеличении, мало что можно обнаружить. Образец подготавливается путем полировки и травления поверхности кислотой (обычно азотной кислотой и спиртом), называемой нитроэтанольным травителем.
Именно зерна и их внутренняя кристаллическая решетка определяют ударную вязкость, предел текучести, предел прочности на разрыв и относительное удлинение, которые сталь может выдержать до разрушения.
Этапы производства стали, такие как горячая и холодная прокатка полосы, создают напряжение в зернистой структуре; если они необратимо меняют свою форму, это означает, что напряжение деформирует зерна. Другие этапы обработки, такие как намотка стали в рулоны, размотка и деформация стальных зерен в трубопрокатном стане (для придания трубе нужной формы и размера), также создают давление на материал. Холодная вытяжка трубы на оправке также создает давление на материал, как и такие этапы производства, как формовка концов и гибка. Изменения в зернистой структуре называются дислокациями.
Описанные выше этапы снижают пластичность стали, то есть ее способность выдерживать растягивающее (разрывное) напряжение. Сталь становится хрупкой, а это значит, что она с большей вероятностью сломается, если продолжать с ней работать. Удлинение — один из компонентов пластичности (сжимаемость — другой). Важно понимать, что разрушение чаще всего происходит при растягивающем напряжении, а не при сжатии. Сталь очень устойчива к растягивающему напряжению благодаря своей относительно высокой способности к удлинению. Однако сталь легко деформируется под действием сжимающего напряжения — она пластична — что является преимуществом.
Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но низкой пластичностью по сравнению с обычным бетоном. Эти свойства противоположны свойствам стали. Именно поэтому бетон, используемый для дорог, зданий и тротуаров, часто снабжается арматурой. В результате получается изделие, обладающее прочностью двух материалов: под растяжением сталь прочна, а под давлением — бетон.
В процессе холодной обработки, по мере уменьшения пластичности стали, её твёрдость увеличивается. Другими словами, она упрочняется. В зависимости от ситуации это может быть преимуществом; однако это может быть и недостатком, поскольку твёрдость приравнивается к хрупкости. То есть, по мере упрочнения стали она становится менее упругой; следовательно, вероятность её разрушения возрастает.
Другими словами, каждый этап процесса снижает пластичность трубы. Она становится тверже по мере обработки детали, и если она слишком твердая, то практически бесполезна. Твердость — это хрупкость, а хрупкая труба, скорее всего, выйдет из строя при использовании.
Есть ли у производителя какие-либо варианты в этом случае? Вкратце, да. Один из вариантов — это отжиг, и хотя это не совсем волшебство, это максимально близко к волшебству, насколько это возможно.
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 цель состоит в снижении хрупкости материала, но неконтролируемый рост зерен может слишком сильно размягчить металл, сделав его непригодным для предполагаемого использования. Остановка процесса отжига — еще один почти волшебный процесс. Закалка при правильной температуре с использованием правильного закалочного агента в нужное время позволяет быстро остановить процесс и восстановить восстановительные свойства стали.
Следует ли отказаться от указания твердости? Нет. Характеристики твердости ценны прежде всего как ориентир при выборе стальных труб. Твердость — полезная мера, одна из нескольких характеристик, которые следует указывать при заказе трубного материала и проверять при получении (и фиксировать при каждой отгрузке). Если контроль твердости является стандартом контроля, он должен иметь соответствующие значения шкалы и контрольные диапазоны.
Однако это не является истинным критерием для отбора (принятия или отклонения) материала. Помимо твердости, производители должны периодически проверять партии продукции для определения других важных свойств, таких как предел текучести (MYS), предел прочности на разрыв (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.
Журнал Tube & Pipe Journal стал первым изданием, посвященным индустрии металлических труб, в 1990 году. Сегодня он остается единственным изданием в Северной Америке, посвященным этой отрасли, и стал самым надежным источником информации для специалистов в области трубопроводов.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The FABRICATOR, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровая версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный доступ к цифровой версии журнала STAMPING Journal, в котором представлены последние технологические достижения, лучшие практики и новости отрасли для рынка штамповки металла.
Получите полный доступ к цифровой версии The Additive Report, чтобы узнать, как аддитивное производство может повысить эффективность производства и увеличить прибыль.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The Fabricator en Español, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.