Olika testprotokoll (Brinell, Rockwell, Vickers) har procedurer specifika för det projekt som testas. Rockwell T-testet är lämpligt för att inspektera lättväggiga rör genom att kapa röret på längden och testa väggen från innerdiametern snarare än ytterdiametern.
Att beställa en slang är lite som att gå till en bilhandlare och beställa en bil eller lastbil. Idag finns det många alternativ som gör det möjligt för köpare att anpassa fordonet på en mängd olika sätt – interiör- och exteriörfärger, inredningsdetaljer, stylingalternativ, drivlina och ett ljudsystem som nästan kan mäta sig med ett hemmabiosystem. Med tanke på alla dessa alternativ kanske du inte är nöjd med ett vanligt, enkelt fordon.
Stålrör är just det. Det finns tusentals alternativ eller specifikationer. Förutom dimensioner listar specifikationen kemiska och flera mekaniska egenskaper såsom minsta sträckgräns (MYS), draghållfasthet (UTS) och minsta förlängning före brott. Många inom branschen – ingenjörer, inköpsagenter och tillverkare – använder dock accepterade branschförkortningar som kräver användning av "normala" svetsat rör och specificerar endast en egenskap: hårdhet.
Försök att beställa en bil med en enda egenskap ("Jag behöver en bil med automatlåda") så kommer du inte långt med en säljare. Han måste fylla i ett beställningsformulär med många alternativ. Rör är just det – för att få rätt rör för applikationen behöver rörtillverkaren mer information än bara hårdhet.
Hur blir hårdhet en erkänd ersättning för andra mekaniska egenskaper? Det började förmodligen med en rörtillverkare. Eftersom hårdhetstestning är snabb, enkel och kräver relativt billig utrustning använder rörförsäljare ofta hårdhetstestning för att jämföra två rör. För att utföra ett hårdhetstest behöver de bara en slät rörlängd och ett testställ.
Rörhårdhet korrelerar väl med UTS, och som en tumregel är procenttal eller procentintervall användbara för att uppskatta MYS, så det är lätt att se hur hårdhetstestning kan vara ett lämpligt mått på andra egenskaper.
Andra tester är också relativt komplexa. Medan hårdhetstestning bara tar ungefär en minut på en enda maskin, kräver MYS-, UTS- och töjningstestning provberedning och betydande investeringar i stor laboratorieutrustning. Som jämförelse tar det sekunder för en rörverksoperatör att utföra ett hårdhetstest och timmar för en professionell metallurgisk tekniker att utföra ett dragprov. Det är inte svårt att utföra en hårdhetskontroll.
Detta betyder inte att tillverkare av konstruerade rör inte använder hårdhetsprovning. Man kan lugnt säga att de flesta gör det, men eftersom de utför repeterbarhets- och reproducerbarhetsbedömningar med hjälp av mätinstrument på all sin testutrustning är de väl medvetna om testets begränsningar. De flesta använder bedömning av rörhårdhet som en del av produktionsprocessen, men de använder det inte för att kvantifiera röregenskaper. Detta är bara ett godkänt/icke godkänt-test.
Varför behöver du veta om MYS, UTS och minsta förlängning? De indikerar hur röret kommer att bete sig vid montering.
MYS är den minsta kraft som orsakar permanent deformation av materialet. Om du försöker böja en rak tråd (som en klädgalge) något och släppa trycket, kommer en av två saker att hända: den kommer att fjädra tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd (rak) eller så kommer den att förbli böjd. Om den fortfarande är rak har du inte kommit förbi MYS. Om den fortfarande är böjd har du böjt den för långt.
Använd nu en tång för att klämma fast båda ändarna av tråden. Om du kan riva tråden i två bitar har du passerat dess UTS. Du spänner den hårt och har två trådar som visar din övermänskliga ansträngning. Om trådens ursprungliga längd är 12 cm, och de två längderna efter brottet summerar till 15 cm, är tråden sträckt med 2,5 cm, eller 20 %. Det faktiska förlängningstestet mäts inom 5 cm från brottpunkten, men oavsett – dragtrådskonceptet illustrerar UTS.
Stålmikroskopiska prover måste skäras, poleras och etsas med en milt sur lösning (vanligtvis salpetersyra och alkohol (nitroetanol)) för att göra kornen synliga. 100x förstoring används vanligtvis för att inspektera stålkorn och bestämma kornstorlek.
Hårdhet är ett test på hur ett material reagerar på stötar. Tänk dig att du sätter en kort rörbit i ett skruvstäd med tandade käftar och vrider skruvstädet för att stänga. Förutom att platta till röret lämnar skruvstädets käftar också fördjupningar på rörets yta.
Så fungerar hårdhetstestet, men det är inte så grovt. Detta test har en kontrollerad slagstorlek och kontrollerat tryck. Dessa krafter deformerar ytan och skapar en fördjupning eller inbuktning. Storleken eller djupet på fördjupningen avgör metallens hårdhet.
För att utvärdera stål är vanliga hårdhetstester Brinell, Vickers och Rockwell. Var och en har sin egen skala, och vissa har flera testmetoder, såsom Rockwell A, B och C. För stålrör hänvisar ASTM-specifikation A513 till Rockwell B-testet (förkortat HRB eller RB). Rockwell B-testet mäter skillnaden i penetration av stål med en stålkula med en diameter på 1⁄16 tum mellan en liten förspänning och en primärbelastning på 100 kgf. Ett typiskt resultat för standardstål är HRB 60.
Materialforskare vet att hårdhet är linjärt relaterad till UTS. Därför kan en given hårdhet förutsäga UTS. På samma sätt vet rörtillverkare att MYS och UTS är relaterade. För svetsade rör är MYS vanligtvis 70 % till 85 % av UTS. Den exakta mängden beror på tillverkningsprocessen för röret. Hårdheten hos HRB 60 korrelerar med en UTS på 60 000 pund per kvadrattum (PSI) och en MYS på 80 %, eller 48 000 PSI.
Den vanligaste rörspecifikationen vid allmän tillverkning är maximal hårdhet. Förutom storleken var ingenjören intresserad av att specificera ett svetsat elektriskt motståndssvetsat (ERW) rör inom ett bra arbetsområde, vilket skulle kunna resultera i en maximal hårdhet på möjligen HRB 60 som skulle hitta sin väg på komponentritningen. Detta beslut ensamt leder till en rad slutliga mekaniska egenskaper, inklusive hårdheten i sig.
För det första säger inte hårdheten hos HRB 60 oss mycket. Avläsningen HRB 60 är ett dimensionslöst tal. Materialet som utvärderats med HRB 59 är mjukare än materialet som testats med HRB 60, och HRB 61 är hårdare än HRB 60, men med hur mycket? Det kan inte kvantifieras som volym (mätt i decibel), vridmoment (mätt i pund-fot), hastighet (mätt i avstånd i förhållande till tid) eller UTS (mätt i pund per kvadrattum). Avläsning av HRB 60 säger oss inget specifikt. Detta är en egenskap hos materialet, men inte en fysisk egenskap. För det andra är hårdhetstestning inte lämplig för repeterbarhet eller reproducerbarhet. Att utvärdera två platser på ett testprov, även om testplatserna är nära varandra, resulterar ofta i en stor variation i hårdhetsavläsningarna. Att förvärra denna fråga är testets natur. Efter att en position har mätts kan den inte mätas en andra gång för att verifiera resultaten. Testets repeterbarhet är inte möjlig.
Detta betyder inte att hårdhetstestning är obekvämt. Faktum är att det ger en bra guide för ett materials hårdhetstest, och det är ett snabbt och enkelt test att utföra. Alla som är involverade i att specificera, köpa in och tillverka rör bör dock vara medvetna om dess begränsningar som testparameter.
Eftersom "normala" rör inte är väldefinierade, begränsar rörtillverkare ofta det till de två vanligaste stålrören och rörtyperna som definieras i ASTM A513: 1008 och 1010 när det behövs. Även efter att ha eliminerat alla andra rörtyper är möjligheterna vad gäller mekaniska egenskaper hos dessa två rörtyper vidöppna. Faktum är att dessa rörtyper har det bredaste utbudet av mekaniska egenskaper av alla typer.
Till exempel beskrivs ett rör som mjukt om MYS är lågt och töjningen är hög, vilket innebär att det presterar bättre i draghållfasthet, nedböjning och sättning än ett rör som beskrivs som hårt, vilket har en relativt hög MYS och relativt låg töjning. Detta liknar skillnaden mellan mjuk och hård tråd, såsom galgar och borrar.
Själva förlängningen är en annan faktor som har en betydande inverkan på kritiska rörapplikationer. Rör med hög förlängning kan motstå dragkrafter; material med låg förlängning är mer spröda och därför mer benägna att drabbas av katastrofala utmattningsbrott. Förlängningen är dock inte direkt relaterad till draghållfasthet, vilket är den enda mekaniska egenskapen som är direkt relaterad till hårdhet.
Varför varierar rörens mekaniska egenskaper så mycket? För det första är den kemiska sammansättningen olika. Stål är en fast lösning av järn och kol och andra viktiga legeringar. För enkelhetens skull kommer vi bara att behandla kolhalter här. Kolatomer ersätter några av järnatomerna och bildar stålets kristallstruktur. ASTM 1008 är en allomfattande primärkvalitet med en kolhalt på 0 % till 0,10 %. Noll är ett mycket speciellt tal som ger unika egenskaper när kolhalten i stål är ultralåg. ASTM 1010 specificerar en kolhalt mellan 0,08 % och 0,13 %. Dessa skillnader verkar inte enorma, men de är tillräckligt stora för att göra en stor skillnad på andra ställen.
För det andra kan stålröret tillverkas eller tillverkas och därefter bearbetas i sju olika tillverkningsprocesser. ASTM A513 relaterad till ERW-rörproduktion listar sju typer:
Om stålets kemiska sammansättning och rörtillverkningsstegen inte har någon effekt på stålets hårdhet, vad är det då? Att besvara denna fråga innebär att man granskar detaljerna. Denna fråga väcker ytterligare två frågor: Vilka detaljer, och hur nära?
Detaljer om kornen som stålet består av är det första svaret. När stål tillverkas i ett primärt stålverk kyls det inte ner till ett enormt block med en enda funktion. När stålet kyls ner organiseras stålets molekyler i upprepade mönster (kristaller), liknande hur snöflingor bildas. Efter att kristaller har bildats aggregeras de i grupper som kallas korn. Allt eftersom kylningen fortskrider växer kornen och bildas i hela plåten. Kornen slutar växa när de sista stålmolekylerna absorberas av kornen. Allt detta händer på mikroskopisk nivå eftersom stålkornens genomsnittliga storlek är cirka 64 µ eller 0,0025 tum breda. Även om varje korn liknar nästa är de inte desamma. De varierar något i storlek, orientering och kolhalt. Gränssnittet mellan kornen kallas korngräns. När stål brister, till exempel på grund av utmattningssprickor, tenderar det att briste längs korngränserna.
Hur långt måste man titta för att se urskiljbara korn? 100x förstoring, eller 100x mänsklig syn, räcker. Men att bara titta på obehandlat stål med 100 gånger förstoringen avslöjar inte mycket. Provet framställs genom att polera provet och etsa ytan med en syra (vanligtvis salpetersyra och alkohol) som kallas nitroetanoletsmedel.
Det är kornen och deras inre gitter som avgör slagseghet, MYS, UTS och töjning som ett stål kan motstå innan brott.
Ståltillverkningssteg, såsom varm- och kallvalsning av band, applicerar spänningar i kornstrukturen; om de permanent ändrar form innebär det att spänningen deformerar kornstrukturen. Andra bearbetningssteg, såsom att linda stålet till rullar, avlinda det och deformera stålkornen genom en rörkvarn (för att forma och dimensionera röret). Kalldragning av röret på dornen sätter också tryck på materialet, liksom tillverkningssteg som ändformning och böjning. Förändringar i kornstrukturen kallas dislokationer.
Ovanstående steg minskar stålets duktilitet, vilket är dess förmåga att motstå dragspänning (pull-open). Stål blir sprött, vilket innebär att det är mer sannolikt att det går sönder om du fortsätter att arbeta med det. Förlängning är en komponent av duktilitet (kompressibilitet är en annan). Det är viktigt att förstå att brott oftast uppstår under dragspänning, inte kompression. Stål är mycket motståndskraftigt mot dragspänning på grund av sin relativt höga förlängningskapacitet. Stål deformeras dock lätt under tryckspänning – det är duktilt – vilket är en fördel.
Betong har hög tryckhållfasthet men låg duktilitet jämfört med betong. Dessa egenskaper är motsatta av ståls. Det är därför betong som används till vägar, byggnader och trottoarer ofta förses med armeringsjärn. Resultatet är en produkt med styrkorna hos två material: under spänning är stål starkt och under tryck betong.
Under kallbearbetning, allt eftersom stålets duktilitet minskar, ökar dess hårdhet. Med andra ord, det kommer att härda. Beroende på situationen kan detta vara en fördel; det kan dock vara en nackdel eftersom hårdhet likställs med sprödhet. Det vill säga, när stål blir hårdare blir det mindre elastiskt; därför är det mer sannolikt att det går sönder.
Med andra ord förbrukar varje processteg en del av rörets duktilitet. Det blir hårdare allt eftersom delen bearbetas, och om det är för hårt är det i princip värdelöst. Hårdhet är sprödhet, och ett sprött rör kommer sannolikt att gå sönder när det används.
Har tillverkaren några alternativ i det här fallet? Kort sagt, ja. Det alternativet är glödgning, och även om det inte är helt magiskt, är det så nära magi som man kan komma.
Enkelt uttryckt tar glödgning bort alla effekter av fysisk stress på metallen. Denna process värmer metallen till en spänningsavlastnings- eller omkristallisationstemperatur, vilket eliminerar dislokationer. Beroende på den specifika temperaturen och tiden som används i glödgningsprocessen återställer processen således en del av eller all dess duktilitet.
Glödgning och kontrollerad kylning främjar korntillväxt. Detta är fördelaktigt om målet är att minska materialets sprödhet, men okontrollerad korntillväxt kan mjuka upp metallen för mycket, vilket gör den oanvändbar för dess avsedda användning. Att stoppa glödgningsprocessen är en annan nästan magisk sak. Att kyla vid rätt temperatur med rätt kylmedel vid rätt tidpunkt stoppar processen snabbt för att få stålets återhämtningsegenskaper.
Ska vi slopa hårdhetsspecifikationen? Nej. Hårdhetsegenskaper är främst värdefulla som referenspunkt vid specificering av stålrör. Hårdhet är ett användbart mått och är en av flera egenskaper som bör specificeras vid beställning av rörformigt material och kontrolleras vid mottagandet (och bör registreras vid varje leverans). När hårdhetsinspektion är inspektionsstandard bör den ha lämpliga skalvärden och kontrollintervall.
Det är dock inte ett sant test för att kvalificera (acceptera eller avvisa) material. Förutom hårdhet bör tillverkare ibland testa leveranser för att fastställa andra relevanta egenskaper, såsom MYS, UTS eller minsta förlängning, beroende på rörets tillämpning.
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 blev den första tidskriften som ägnades åt metallrörsindustrin år 1990. Idag är den fortfarande den enda publikationen i Nordamerika som är inriktad på branschen och har blivit den mest betrodda informationskällan för rörproffs.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The FABRICATOR, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu helt tillgänglig och ger enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Få fullständig tillgång till den digitala utgåvan av STAMPING Journal, som ger de senaste tekniska framstegen, bästa praxis och branschnyheter för metallstämplingsmarknaden.
Få fullständig tillgång till den digitala utgåvan av The Additive Report för att lära dig hur additiv tillverkning kan användas för att förbättra driftseffektiviteten och öka vinsten.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The Fabricator på spanska, enkel åtkomst till värdefulla branschresurser.