Các quy trình thử nghiệm khác nhau (Brinell, Rockwell, Vickers) có các thủ tục cụ thể cho từng dự án cần thử nghiệm. Thử nghiệm Rockwell T thích hợp để kiểm tra các ống thành mỏng bằng cách cắt ống theo chiều dọc và kiểm tra thành ống từ đường kính trong thay vì đường kính ngoài.
Đặt mua một chiếc xe cũng giống như đến đại lý ô tô và đặt mua một chiếc xe hơi hoặc xe tải. Ngày nay, nhiều tùy chọn có sẵn cho phép người mua tùy chỉnh chiếc xe theo nhiều cách khác nhau — màu sắc nội thất và ngoại thất, gói trang trí nội thất, tùy chọn kiểu dáng ngoại thất, lựa chọn hệ thống truyền động và hệ thống âm thanh gần như sánh ngang với hệ thống giải trí tại nhà. Với tất cả những tùy chọn này, bạn có thể không hài lòng với một chiếc xe tiêu chuẩn, không có nhiều tính năng bổ sung.
Ống thép chỉ đơn giản là như vậy. Nó có hàng ngàn lựa chọn hoặc thông số kỹ thuật khác nhau. Ngoài kích thước, thông số kỹ thuật còn liệt kê các đặc tính hóa học và một số đặc tính cơ học như giới hạn chảy tối thiểu (MYS), giới hạn bền kéo tối đa (UTS) và độ giãn dài tối thiểu trước khi đứt. Tuy nhiên, nhiều người trong ngành—kỹ sư, người mua hàng và nhà sản xuất—sử dụng các thuật ngữ viết tắt được chấp nhận trong ngành, yêu cầu sử dụng ống hàn “thông thường” và chỉ định một đặc tính duy nhất: độ cứng.
Hãy thử đặt mua một chiếc xe chỉ dựa trên một đặc điểm duy nhất (“Tôi cần một chiếc xe số tự động”) và bạn sẽ không thể thuyết phục được nhân viên bán hàng. Họ phải điền vào một đơn đặt hàng với rất nhiều tùy chọn. Ống cũng vậy – để có được loại ống phù hợp với ứng dụng, nhà sản xuất ống cần nhiều thông tin hơn là chỉ độ cứng.
Độ cứng trở thành một tiêu chuẩn thay thế được công nhận cho các tính chất cơ học khác như thế nào? Có lẽ nó bắt đầu từ một nhà sản xuất ống. Vì thử nghiệm độ cứng nhanh chóng, dễ dàng và yêu cầu thiết bị tương đối rẻ tiền, nên người bán ống thường sử dụng thử nghiệm độ cứng để so sánh hai ống. Để thực hiện thử nghiệm độ cứng, tất cả những gì họ cần là một đoạn ống nhẵn và một giá đỡ thử nghiệm.
Độ cứng của ống có mối tương quan tốt với độ bền kéo tối đa (UTS), và theo nguyên tắc chung, tỷ lệ phần trăm hoặc phạm vi phần trăm rất hữu ích trong việc ước tính MYS, vì vậy dễ dàng nhận thấy rằng việc kiểm tra độ cứng có thể là một chỉ số thay thế phù hợp cho các đặc tính khác.
Ngoài ra, các thử nghiệm khác tương đối phức tạp. Trong khi thử nghiệm độ cứng chỉ mất khoảng một phút trên một máy đơn giản, thì thử nghiệm MYS, UTS và độ giãn dài lại yêu cầu chuẩn bị mẫu và đầu tư đáng kể vào thiết bị phòng thí nghiệm lớn. Để so sánh, một người vận hành máy cán ống chỉ mất vài giây để thực hiện thử nghiệm độ cứng, trong khi một kỹ thuật viên luyện kim chuyên nghiệp mất hàng giờ để thực hiện thử nghiệm độ bền kéo. Việc kiểm tra độ cứng không khó.
Điều này không có nghĩa là các nhà sản xuất ống thép không sử dụng phương pháp kiểm tra độ cứng. Có thể nói rằng hầu hết mọi người đều sử dụng, nhưng vì họ thực hiện đánh giá độ lặp lại và độ chính xác của thiết bị đo trên tất cả các thiết bị thử nghiệm của mình, nên họ nhận thức rõ những hạn chế của phương pháp kiểm tra này. Hầu hết đều sử dụng việc đánh giá độ cứng của ống như một phần của quy trình sản xuất, nhưng họ không sử dụng nó để định lượng các đặc tính của ống. Đây chỉ là một bài kiểm tra đạt/không đạt.
Tại sao bạn cần biết về MYS, UTS và độ giãn dài tối thiểu? Chúng cho biết ống sẽ hoạt động như thế nào trong quá trình lắp ráp.
MYS là lực tối thiểu gây ra biến dạng vĩnh viễn của vật liệu. Nếu bạn thử uốn nhẹ một sợi dây thẳng (như móc áo) và thả lỏng, một trong hai điều sẽ xảy ra: nó sẽ bật trở lại trạng thái ban đầu (thẳng) hoặc nó sẽ vẫn bị cong. Nếu nó vẫn thẳng, bạn chưa vượt qua MYS. Nếu nó vẫn bị cong, bạn đã vượt quá MYS.
Bây giờ, hãy dùng kìm kẹp chặt cả hai đầu dây. Nếu bạn có thể xé dây thành hai mảnh, nghĩa là bạn đã vượt quá giới hạn bền kéo (UTS) của nó. Bạn đã tạo ra lực căng rất lớn lên dây và kết quả là bạn có hai sợi dây để chứng minh nỗ lực phi thường của mình. Nếu chiều dài ban đầu của dây là 5 inch, và hai đoạn dây sau khi đứt cộng lại thành 6 inch, thì dây bị giãn thêm 1 inch, tương đương 20%. Thử nghiệm độ giãn thực tế được đo trong phạm vi 2 inch tính từ điểm đứt, nhưng dù sao thì khái niệm kéo dây cũng minh họa cho giới hạn bền kéo (UTS).
Các mẫu thép chụp hiển vi cần được cắt, đánh bóng và khắc bằng dung dịch axit nhẹ (thường là axit nitric và cồn (nitroethanol)) để làm cho các hạt tinh thể hiển thị rõ. Độ phóng đại 100x thường được sử dụng để kiểm tra các hạt thép và xác định kích thước hạt.
Độ cứng là một phép thử để đánh giá khả năng phản ứng của vật liệu với tác động. Hãy tưởng tượng bạn đặt một đoạn ống ngắn vào một cái kẹp có hàm răng cưa và xoay kẹp để đóng lại. Ngoài việc làm bẹp ống, các hàm của kẹp còn để lại các vết lõm trên bề mặt ống.
Đó là cách thức hoạt động của phép thử độ cứng, nhưng nó không thô sơ như vậy. Phép thử này có kích thước và áp suất tác động được kiểm soát. Các lực này làm biến dạng bề mặt, tạo ra vết lõm. Kích thước hoặc độ sâu của vết lõm quyết định độ cứng của kim loại.
Để đánh giá thép, các phép thử độ cứng thông thường là Brinell, Vickers và Rockwell. Mỗi phép thử có thang đo riêng, và một số có nhiều phương pháp thử nghiệm, chẳng hạn như Rockwell A, B và C. Đối với ống thép, tiêu chuẩn ASTM A513 đề cập đến phép thử Rockwell B (viết tắt là HRB hoặc RB). Phép thử Rockwell B đo sự khác biệt về độ xuyên thấu của một viên bi thép đường kính 1/16 inch vào thép giữa tải trọng sơ bộ nhỏ và tải trọng chính 100 kgf. Kết quả điển hình cho thép mềm tiêu chuẩn là HRB 60.
Các nhà khoa học vật liệu biết rằng độ cứng có mối quan hệ tuyến tính với độ bền kéo tối đa (UTS). Do đó, một độ cứng nhất định có thể dự đoán được UTS. Tương tự, các nhà sản xuất ống biết rằng độ bền kéo tối thiểu (MYS) và UTS có mối liên hệ với nhau. Đối với ống hàn, MYS thường bằng 70% đến 85% của UTS. Con số chính xác phụ thuộc vào quy trình sản xuất ống. Độ cứng HRB 60 tương ứng với UTS là 60.000 pound trên inch vuông (PSI) và MYS là 80%, hay 48.000 PSI.
Thông số kỹ thuật ống phổ biến nhất trong sản xuất nói chung là độ cứng tối đa. Bên cạnh kích thước, kỹ sư còn quan tâm đến việc xác định ống hàn điện trở (ERW) nằm trong phạm vi hoạt động tốt, điều này có thể dẫn đến độ cứng tối đa có thể là HRB 60 được ghi trên bản vẽ chi tiết. Chỉ riêng quyết định này đã dẫn đến một loạt các tính chất cơ học cuối cùng, bao gồm cả độ cứng.
Thứ nhất, độ cứng HRB 60 không cho chúng ta biết nhiều điều. Chỉ số HRB 60 là một con số không có đơn vị. Vật liệu được đánh giá bằng HRB 59 mềm hơn vật liệu được thử nghiệm với HRB 60, và HRB 61 cứng hơn HRB 60, nhưng cứng hơn bao nhiêu? Nó không thể được định lượng như thể tích (đo bằng decibel), mô-men xoắn (đo bằng pound-feet), vận tốc (đo bằng khoảng cách tương đối so với thời gian) hoặc UTS (đo bằng pound trên inch vuông). Chỉ số HRB 60 không cho chúng ta biết bất cứ điều gì cụ thể. Đây là một đặc tính của vật liệu, nhưng không phải là một đặc tính vật lý. Thứ hai, thử nghiệm độ cứng không phù hợp cho việc lặp lại hoặc tái tạo. Việc đánh giá hai vị trí trên một mẫu thử, ngay cả khi các vị trí thử nghiệm gần nhau, thường dẫn đến sự khác biệt lớn trong các chỉ số độ cứng. Vấn đề này càng trở nên trầm trọng hơn do bản chất của thử nghiệm. Sau khi một vị trí đã được đo, nó không thể được đo lần thứ hai để xác minh kết quả. Khả năng lặp lại của thử nghiệm là không thể.
Điều này không có nghĩa là việc kiểm tra độ cứng là bất tiện. Trên thực tế, nó cung cấp một chỉ dẫn tốt về độ bền kéo tối đa (UTS) của vật liệu, và đây là một thử nghiệm nhanh chóng và dễ thực hiện. Tuy nhiên, tất cả những người tham gia vào việc xác định thông số kỹ thuật, mua sắm và sản xuất ống cần phải nhận thức được những hạn chế của nó như một thông số thử nghiệm.
Vì định nghĩa về "ống thông thường" không rõ ràng, nên khi cần, các nhà sản xuất ống thường thu hẹp phạm vi xuống còn hai loại ống thép thông dụng nhất được định nghĩa trong tiêu chuẩn ASTM A513: 1008 và 1010. Ngay cả sau khi loại bỏ tất cả các loại ống khác, khả năng về tính chất cơ học của hai loại ống này vẫn rất rộng. Trên thực tế, hai loại ống này có phạm vi tính chất cơ học rộng nhất so với bất kỳ loại ống nào khác.
Ví dụ, một ống được mô tả là mềm nếu MYS thấp và độ giãn dài cao, điều đó có nghĩa là nó hoạt động tốt hơn về độ bền kéo, độ uốn và độ biến dạng so với một ống được mô tả là cứng, có MYS tương đối cao và độ giãn dài tương đối thấp. Điều này tương tự như sự khác biệt giữa dây mềm và dây cứng, chẳng hạn như móc treo quần áo và mũi khoan.
Độ giãn dài tự nó là một yếu tố khác có tác động đáng kể đến các ứng dụng đường ống quan trọng. Ống có độ giãn dài cao có thể chịu được lực kéo; vật liệu có độ giãn dài thấp giòn hơn và do đó dễ bị hỏng hóc do mỏi nghiêm trọng. Tuy nhiên, độ giãn dài không liên quan trực tiếp đến độ bền kéo tối đa (UTS), vốn là tính chất cơ học duy nhất liên quan trực tiếp đến độ cứng.
Tại sao các tính chất cơ học của các ống lại khác nhau nhiều như vậy? Thứ nhất, thành phần hóa học khác nhau. Thép là một dung dịch rắn của sắt, cacbon và các hợp kim quan trọng khác. Để đơn giản, ở đây chúng ta chỉ xét đến tỷ lệ phần trăm cacbon. Các nguyên tử cacbon thay thế một số nguyên tử sắt, tạo thành cấu trúc tinh thể của thép. ASTM 1008 là một loại thép cơ bản bao quát với hàm lượng cacbon từ 0% đến 0,10%. Số 0 là một con số rất đặc biệt, tạo ra các đặc tính độc đáo khi hàm lượng cacbon trong thép cực thấp. ASTM 1010 quy định hàm lượng cacbon từ 0,08% đến 0,13%. Những khác biệt này có vẻ không lớn, nhưng chúng đủ lớn để tạo ra sự khác biệt đáng kể ở những khía cạnh khác.
Thứ hai, ống thép có thể được chế tạo hoặc chế tạo xong rồi gia công tiếp theo bằng bảy quy trình sản xuất khác nhau. Tiêu chuẩn ASTM A513 liên quan đến sản xuất ống ERW liệt kê bảy loại:
Nếu thành phần hóa học của thép và các bước sản xuất ống không ảnh hưởng đến độ cứng của thép, vậy yếu tố nào ảnh hưởng? Trả lời câu hỏi này đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng từng chi tiết. Câu hỏi này lại đặt ra thêm hai câu hỏi nữa: Những chi tiết nào, và độ chính xác đến mức nào?
Câu trả lời đầu tiên là thông tin chi tiết về các hạt cấu tạo nên thép. Khi thép được sản xuất tại một nhà máy thép sơ cấp, nó không nguội thành một khối lớn với một đặc điểm duy nhất. Khi thép nguội, các phân tử thép sắp xếp theo các mô hình lặp lại (tinh thể), tương tự như cách hình thành bông tuyết. Sau khi các tinh thể được hình thành, chúng tập hợp lại thành các nhóm gọi là hạt. Khi quá trình làm nguội tiếp diễn, các hạt phát triển và hình thành khắp tấm thép. Các hạt ngừng phát triển khi các phân tử thép cuối cùng được hấp thụ bởi các hạt. Tất cả điều này xảy ra ở cấp độ vi mô vì kích thước trung bình của một hạt thép là khoảng 64 µm hoặc 0,0025 inch. Mặc dù mỗi hạt tương tự nhau, nhưng chúng không hoàn toàn giống nhau. Chúng khác nhau một chút về kích thước, hướng và hàm lượng carbon. Giao diện giữa các hạt được gọi là ranh giới hạt. Khi thép bị hỏng, ví dụ do nứt mỏi, nó có xu hướng bị hỏng dọc theo ranh giới hạt.
Bạn phải nhìn xa đến mức nào mới thấy được các hạt có thể phân biệt được? Độ phóng đại 100x, hay 100x thị giác của con người, là đủ. Tuy nhiên, chỉ nhìn vào thép chưa qua xử lý ở độ phóng đại 100 lần thì không thấy được nhiều. Mẫu được chuẩn bị bằng cách đánh bóng mẫu và khắc bề mặt bằng một loại axit (thường là axit nitric và cồn) được gọi là chất khắc nitroethanol.
Chính cấu trúc hạt và mạng tinh thể bên trong của chúng quyết định độ bền va đập, độ bền kéo tối đa (MYS), độ bền kéo tối đa (UTS) và độ giãn dài mà thép có thể chịu được trước khi bị hỏng.
Các bước trong quá trình sản xuất thép, chẳng hạn như cán nóng và cán nguội dải thép, tạo ra ứng suất trong cấu trúc hạt; nếu chúng thay đổi hình dạng vĩnh viễn, điều này có nghĩa là ứng suất làm biến dạng hạt. Các bước xử lý khác, chẳng hạn như cuộn thép thành cuộn, tháo cuộn và làm biến dạng các hạt thép thông qua máy cán ống (để tạo hình và định cỡ ống). Kéo nguội ống trên trục gá cũng tạo áp lực lên vật liệu, cũng như các bước sản xuất như tạo hình đầu và uốn cong. Sự thay đổi trong cấu trúc hạt được gọi là sai lệch cấu trúc (dislocation).
Các bước trên làm giảm độ dẻo của thép, tức là khả năng chịu được ứng suất kéo (kéo giãn). Thép trở nên giòn, có nghĩa là nó dễ bị gãy hơn nếu tiếp tục gia công. Độ giãn dài là một thành phần của độ dẻo (khả năng nén là một thành phần khác). Điều quan trọng cần hiểu là sự hỏng hóc thường xảy ra trong điều kiện ứng suất kéo, chứ không phải ứng suất nén. Thép rất chịu được ứng suất kéo do khả năng giãn dài tương đối cao. Tuy nhiên, thép dễ bị biến dạng dưới ứng suất nén – nó có tính dẻo – đây là một lợi thế.
Bê tông có cường độ nén cao nhưng độ dẻo thấp hơn so với thép. Những đặc tính này trái ngược với thép. Đó là lý do tại sao bê tông dùng cho đường sá, nhà cửa và vỉa hè thường được gia cố bằng cốt thép. Kết quả là một sản phẩm có ưu điểm của hai vật liệu: chịu kéo thì thép chắc chắn, còn chịu nén thì bê tông chắc chắn.
Trong quá trình gia công nguội, khi độ dẻo của thép giảm, độ cứng của nó tăng lên. Nói cách khác, nó sẽ cứng lại. Tùy thuộc vào tình huống, điều này có thể là một lợi ích; tuy nhiên, nó cũng có thể là một bất lợi vì độ cứng đồng nghĩa với độ giòn. Tức là, khi thép trở nên cứng hơn, nó trở nên kém đàn hồi hơn; do đó, nó dễ bị hỏng hơn.
Nói cách khác, mỗi bước trong quy trình đều làm giảm độ dẻo của ống. Ống sẽ cứng lại khi hoạt động, và nếu quá cứng thì về cơ bản là vô dụng. Độ cứng đồng nghĩa với độ giòn, và một ống giòn dễ bị hỏng khi sử dụng.
Nhà sản xuất có lựa chọn nào khác trong trường hợp này không? Nói ngắn gọn là có. Lựa chọn đó là ủ nhiệt, và mặc dù nó không hoàn toàn kỳ diệu, nhưng nó gần giống kỳ diệu nhất có thể.
Nói một cách đơn giản, quá trình ủ loại bỏ tất cả các tác động của ứng suất vật lý lên kim loại. Quá trình này nung nóng kim loại đến nhiệt độ giảm ứng suất hoặc tái kết tinh, do đó loại bỏ các sai lệch cấu trúc. Tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian cụ thể được sử dụng trong quá trình ủ, quá trình này sẽ khôi phục một phần hoặc toàn bộ độ dẻo của kim loại.
Ủ nhiệt và làm nguội có kiểm soát thúc đẩy sự phát triển hạt. Điều này có lợi nếu mục tiêu là giảm độ giòn của vật liệu, nhưng sự phát triển hạt không kiểm soát có thể làm mềm kim loại quá mức, khiến nó không thể sử dụng được cho mục đích ban đầu. Việc dừng quá trình ủ nhiệt lại là một điều gần như kỳ diệu. Làm nguội nhanh ở nhiệt độ thích hợp với chất làm nguội thích hợp vào đúng thời điểm sẽ giúp dừng quá trình nhanh chóng để khôi phục lại các đặc tính phục hồi của thép.
Liệu chúng ta có nên bỏ thông số độ cứng không? Không. Đặc tính độ cứng chủ yếu có giá trị như một điểm tham chiếu khi lựa chọn ống thép. Là một thước đo hữu ích, độ cứng là một trong số các đặc tính cần được chỉ định khi đặt hàng vật liệu ống và được kiểm tra khi nhận hàng (và cần được ghi lại với mỗi lô hàng). Khi kiểm tra độ cứng là tiêu chuẩn kiểm tra, nó cần có các giá trị thang đo và phạm vi kiểm soát phù hợp.
Tuy nhiên, đây không phải là một phép thử thực sự để đánh giá chất lượng (chấp nhận hoặc từ chối) vật liệu. Ngoài độ cứng, các nhà sản xuất đôi khi nên kiểm tra các lô hàng để xác định các đặc tính liên quan khác, chẳng hạn như MYS, UTS hoặc độ giãn dài tối thiểu, tùy thuộc vào ứng dụng của ống.
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.
Tạp chí Tube & Pipe Journal ra đời năm 1990, trở thành tạp chí đầu tiên chuyên phục vụ ngành công nghiệp ống kim loại. Ngày nay, nó vẫn là ấn phẩm duy nhất ở Bắc Mỹ chuyên về ngành này và đã trở thành nguồn thông tin đáng tin cậy nhất cho các chuyên gia trong ngành ống.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, bạn có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên quý giá trong ngành.
Phiên bản điện tử của Tạp chí Tube & Pipe Journal hiện đã hoàn toàn có thể truy cập được, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá trong ngành.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của tạp chí STAMPING Journal, nơi cung cấp những tiến bộ công nghệ mới nhất, các phương pháp thực hành tốt nhất và tin tức ngành cho thị trường dập kim loại.
Tận hưởng quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Additive Report để tìm hiểu cách thức sản xuất bồi đắp có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả hoạt động và tăng lợi nhuận.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The Fabricator en Español, bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá trong ngành.