Każdy protokół badania (Brinell, Rockwell, Vickers) zawiera procedury specyficzne dla badanego obiektu.Test t Rockwella jest przydatny do badania cienkościennych rur poprzez przecięcie rury wzdłuż i sprawdzenie ścianki rury na podstawie średnicy wewnętrznej, a nie zewnętrznej.
Zamawianie fajek przypomina trochę wizytę w salonie samochodowym i zamówienie samochodu osobowego lub ciężarowego.Obecnie dostępnych jest mnóstwo opcji, które pozwalają kupującym dostosować samochód na różne sposoby – kolory wnętrza i nadwozia, pakiety wyposażenia, opcje stylizacji nadwozia, wybór układu napędowego i system audio prawie tak dobry jak system domowej rozrywki.Biorąc pod uwagę wszystkie te opcje, prawdopodobnie nie będziesz zadowolony ze standardowego samochodu bez dodatków.
Dotyczy to rur stalowych.Ma tysiące opcji i specyfikacji.Oprócz wymiarów specyfikacja wymienia właściwości chemiczne i kilka właściwości mechanicznych, takich jak minimalna granica plastyczności (MYS), wytrzymałość na rozciąganie (UTS) i minimalne wydłużenie do zniszczenia.Jednakże wielu przedstawicieli branży – inżynierów, agentów zaopatrzenia i producentów – używa skrótu branżowego i wzywa do stosowania „prostych” rur spawanych, podając tylko jedną cechę: twardość.
Spróbuj zamówić samochód według jednej cechy („Potrzebuję samochodu z automatyczną skrzynią biegów”), a ze sprzedawcą nie zajdziesz daleko.Musi wypełnić formularz z wieloma opcjami.Tak jest w przypadku rur stalowych: aby otrzymać rurę odpowiednią do danego zastosowania, producent rur potrzebuje znacznie więcej informacji niż tylko twardość.
W jaki sposób twardość stała się akceptowanym substytutem innych właściwości mechanicznych?Prawdopodobnie zaczęło się od producentów rur.Ponieważ badanie twardości jest szybkie, łatwe i wymaga stosunkowo niedrogiego sprzętu, sprzedawcy rur często korzystają z testów twardości w celu porównania dwóch typów rur.Do przeprowadzenia testu twardości wystarczy gładki kawałek rury i urządzenie badawcze.
Twardość rury jest ściśle powiązana z UTS, a do oszacowania MYS przydatna jest praktyczna zasada (procent lub zakres procentowy), łatwo więc zobaczyć, w jaki sposób badanie twardości może być odpowiednim wskaźnikiem zastępczym dla innych właściwości.
Ponadto inne testy są stosunkowo trudne.Podczas gdy badanie twardości na jednej maszynie zajmuje tylko około minuty, badania MYS, UTS i wydłużenia wymagają przygotowania próbki i znacznych inwestycji w duży sprzęt laboratoryjny.Dla porównania, operator walcowni rur wykonuje test twardości w ciągu kilku sekund, podczas gdy specjalista-metalurg wykonuje próbę rozciągania w ciągu kilku godzin.Wykonanie testu twardości nie jest trudne.
Nie oznacza to, że producenci rur konstrukcyjnych nie stosują testów twardości.Można śmiało powiedzieć, że większość tak robi, ale ponieważ oceniają powtarzalność i odtwarzalność instrumentu na wszystkich urządzeniach testowych, doskonale zdają sobie sprawę z ograniczeń testu.Większość z nich używa go do oceny twardości rury w procesie produkcyjnym, ale nie używa go do ilościowego określenia właściwości rury.To tylko test pozytywny/negatywny.
Dlaczego muszę znać MYS, UTS i minimalne wydłużenie?Wskazują wydajność zespołu rurowego.
MYS to minimalna siła powodująca trwałe odkształcenie materiału.Jeśli spróbujesz lekko zgiąć prosty kawałek drutu (np. wieszak) i zwolnić nacisk, wydarzy się jedna z dwóch rzeczy: powróci on do swojego pierwotnego stanu (prosty) lub pozostanie wygięty.Jeśli nadal jest prosto, oznacza to, że jeszcze nie pokonałeś MYS.Jeśli nadal jest wygięty, spudłowałeś.
Teraz chwyć oba końce drutu szczypcami.Jeśli potrafisz przełamać drut na pół, udało ci się przekroczyć UTS.Pociągnij mocno i masz dwa kawałki drutu, aby pokazać swoje nadludzkie wysiłki.Jeśli pierwotna długość drutu wynosiła 5 cali, a dwie długości po uszkodzeniu sumują się do 6 cali, drut rozciągnie się o 1 cal, czyli 20%.Rzeczywiste próby rozciągania są mierzone w odległości 2 cali od punktu zerwania, ale bez względu na wszystko – koncepcja napięcia linii ilustruje UTS.
Próbki mikroskopowe stali należy wyciąć, wypolerować i wytrawić słabo kwaśnym roztworem (zwykle kwasem azotowym i alkoholem), aby ziarna były widoczne.Do kontroli ziaren stali i określania ich wielkości powszechnie stosuje się powiększenie 100x.
Twardość jest testem reakcji materiału na uderzenie.Wyobraź sobie, że krótki odcinek rurki umieszcza się w imadle z ząbkowanymi szczękami i potrząsa, aby zamknąć imadło.Oprócz wyrównywania rury, szczęki imadła pozostawiają ślad na powierzchni rury.
Tak działa test twardości, ale nie jest on tak szorstki.Test ma kontrolowaną wielkość uderzenia i kontrolowane ciśnienie.Siły te odkształcają powierzchnię, tworząc wgłębienia lub wcięcia.Rozmiar lub głębokość wgniecenia określa twardość metalu.
Do oceny stali powszechnie stosuje się testy twardości Brinella, Vickersa i Rockwella.Każda z nich ma własną skalę, a niektóre mają wiele metod badawczych, takich jak Rockwell A, B, C itp. W przypadku rur stalowych specyfikacja ASTM A513 odnosi się do testu Rockwella B (w skrócie HRB lub RB).Test Rockwella B mierzy różnicę w sile penetracji stalowej kuli o średnicy 1/16 cala w stal pomiędzy lekkim napięciem wstępnym a obciążeniem podstawowym wynoszącym 100 kgf.Typowym wynikiem dla standardowej stali miękkiej jest HRB 60.
Naukowcy zajmujący się materiałami wiedzą, że twardość ma liniową zależność od UTS.Dlatego podana twardość przewiduje UTS.Podobnie producent rur wie, że MYS i UTS są ze sobą powiązane.W przypadku rur spawanych MYS wynosi zazwyczaj od 70% do 85% UTS.Dokładna ilość zależy od procesu produkcji tuby.Twardość HRB 60 odpowiada UTS 60 000 funtów na cal kwadratowy (PSI) i około 80% MYS, czyli 48 000 PSI.
Najpopularniejszą specyfikacją rur do produkcji ogólnej jest maksymalna twardość.Oprócz rozmiaru inżynierowie są również zainteresowani określeniem rur zgrzewanych oporowo (ERW) w dobrym zakresie roboczym, co może skutkować rysunkami części o możliwej maksymalnej twardości HRB 60. Już sama ta decyzja skutkuje szeregiem końcowych właściwości mechanicznych, łącznie z samą twardością.
Po pierwsze, twardość HRB 60 niewiele nam mówi.Odczyt HRB 60 jest liczbą bezwymiarową.Materiały ocenione na HRB 59 są bardziej miękkie niż te testowane na HRB 60, a HRB 61 są twardsze niż HRB 60, ale o ile?Nie można go określić ilościowo, podobnie jak objętość (mierzona w decybelach), moment obrotowy (mierzony w funtach-stopach), prędkość (mierzona jako odległość w funkcji czasu) lub UTS (mierzony w funtach na cal kwadratowy).Odczyt HRB 60 nie mówi nam nic konkretnego.Jest to własność materialna, a nie fizyczna.Po drugie, samo oznaczenie twardości nie jest dobrze dostosowane do zapewnienia powtarzalności lub odtwarzalności.Ocena dwóch miejsc na próbce, nawet jeśli miejsca badania znajdują się blisko siebie, często skutkuje bardzo różnymi odczytami twardości.Charakter testów pogłębia ten problem.Po jednym pomiarze pozycji nie można wykonać drugiego pomiaru w celu sprawdzenia wyniku.Powtarzalność testu nie jest możliwa.
Nie oznacza to jednak, że pomiar twardości jest niewygodny.Właściwie jest to dobry przewodnik po zagadnieniach UTS, a także szybki i łatwy test.Jednakże każda osoba zaangażowana w definiowanie, zamawianie i produkcję rur powinna być świadoma ich ograniczeń jako parametru testowego.
Ponieważ „zwykła” rura nie jest jasno zdefiniowana, producenci rur zazwyczaj zawężają ją do dwóch najczęściej stosowanych typów stali i rur, zgodnie z definicją w normach ASTM A513:1008 i 1010, jeśli ma to zastosowanie.Nawet po wykluczeniu wszystkich innych typów rur możliwości dotyczące właściwości mechanicznych tych dwóch typów rur pozostają otwarte.W rzeczywistości tego typu rury mają najszerszy zakres właściwości mechanicznych ze wszystkich typów rur.
Na przykład rurę uważa się za miękką, jeśli MYS jest niski, a wydłużenie duże, co oznacza, że radzi sobie lepiej pod względem rozciągania, odkształcenia i trwałego odkształcenia niż rura opisana jako sztywna, która ma stosunkowo wysoki MYS i stosunkowo małe wydłużenie ..Przypomina to różnicę między miękkim i twardym drutem, takim jak wieszaki na ubrania i wiertła.
Samo wydłużenie jest kolejnym czynnikiem mającym znaczący wpływ na krytyczne zastosowania rur.Rury o dużym wydłużeniu wytrzymują rozciąganie;materiały o niskim wydłużeniu są bardziej kruche i dlatego bardziej podatne na katastrofalne uszkodzenia zmęczeniowe.Jednakże wydłużenie nie jest bezpośrednio związane z UTS, który jest jedyną właściwością mechaniczną bezpośrednio związaną z twardością.
Dlaczego rury tak bardzo różnią się właściwościami mechanicznymi?Po pierwsze, skład chemiczny jest inny.Stal to stały roztwór żelaza i węgla, a także innych ważnych stopów.Dla uproszczenia zajmiemy się jedynie procentową zawartością węgla.Atomy węgla zastępują część atomów żelaza, tworząc krystaliczną strukturę stali.ASTM 1008 to kompleksowy gatunek pierwotny o zawartości węgla od 0% do 0,10%.Zero to specjalna liczba, która zapewnia unikalne właściwości przy bardzo niskiej zawartości węgla w stali.ASTM 1010 definiuje zawartość węgla od 0,08% do 0,13%.Różnice te nie wydają się ogromne, ale wystarczą, aby zrobić dużą różnicę gdzie indziej.
Po drugie, rury stalowe można wytwarzać lub wytwarzać, a następnie przetwarzać w siedmiu różnych procesach produkcyjnych.ASTM A513 dotycząca produkcji rur ERW wymienia siedem typów:
Jeśli skład chemiczny stali i etapy produkcji rur nie wpływają na twardość stali, to co?Odpowiedź na to pytanie oznacza dokładne przestudiowanie szczegółów.To pytanie prowadzi do dwóch innych pytań: jakie szczegóły i jak blisko?
Pierwszą odpowiedzią są szczegółowe informacje na temat ziaren tworzących stal.Kiedy stal jest produkowana w walcowni wstępnej, nie schładza się do ogromnej masy o jednej właściwości.Gdy stal stygnie, jej cząsteczki tworzą powtarzające się wzory (kryształy), podobne do formowania się płatków śniegu.Po utworzeniu kryształów łączą się one w grupy zwane ziarnami.Gdy ziarna ochładzają się, rosną, tworząc cały arkusz lub płytę.Wzrost ziarna zatrzymuje się, gdy ostatnia cząsteczka stali zostanie wchłonięta przez ziarno.Wszystko to dzieje się na poziomie mikroskopowym, gdzie średniej wielkości ziarno stali ma średnicę około 64 mikronów lub 0,0025 cala.Chociaż każde ziarno jest podobne do następnego, nie są one takie same.Różnią się nieznacznie od siebie rozmiarem, orientacją i zawartością węgla.Granice między ziarnami nazywane są granicami ziaren.Kiedy stal ulega zniszczeniu, na przykład z powodu pęknięć zmęczeniowych, ma tendencję do niszczenia na granicach ziaren.
Jak blisko trzeba się przyjrzeć, aby zobaczyć różne cząstki?Wystarczające jest powiększenie 100-krotne lub 100-krotne w stosunku do ostrości wzroku ludzkiego oka.Jednak samo patrzenie na surową stal do potęgi setnej niewiele daje.Próbki przygotowuje się poprzez polerowanie próbki i trawienie powierzchni kwasem, zwykle kwasem azotowym i alkoholem, co nazywa się trawieniem kwasem azotowym.
To ziarna i ich wewnętrzna siatka decydują o udarności, MYS, UTS i wydłużeniu, jakie stal może wytrzymać przed zniszczeniem.
Etapy wytwarzania stali, takie jak walcowanie taśm na gorąco i na zimno, przenoszą naprężenia na strukturę ziaren;jeśli stale zmieniają kształt, oznacza to, że naprężenie zdeformowało ziarna.Inne etapy przetwarzania, takie jak zwijanie stali w zwoje, rozwijanie i przepuszczanie przez młyn rurowy (w celu uformowania rury i rozmiaru) deformują ziarna stali.Ciągnienie rury na trzpieniu na zimno również powoduje naprężenie materiału, podobnie jak etapy produkcyjne, takie jak formowanie końcówek i gięcie.Zmiany w strukturze ziaren nazywane są dyslokacjami.
Powyższe etapy zmniejszają ciągliwość stali, jej zdolność do wytrzymywania naprężeń rozciągających (rozdzierających).Stal staje się krucha, co oznacza, że jest bardziej podatna na pękanie, jeśli będziesz kontynuować pracę ze stalą.Wydłużenie jest jednym ze składników plastyczności (ściśliwość to drugi).Ważne jest, aby zrozumieć, że awaria najczęściej występuje przy rozciąganiu, a nie ściskaniu.Stal jest dość odporna na naprężenia rozciągające ze względu na stosunkowo duże wydłużenie.Jednakże stal łatwo odkształca się pod wpływem naprężenia ściskającego – jest plastyczna – co jest zaletą.
Porównaj to z betonem, który ma bardzo wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale niską ciągliwość.Te właściwości są odwrotne do stali.Z tego powodu beton używany do budowy dróg, budynków i chodników jest często zbrojony.Rezultatem jest produkt, który łączy w sobie zalety obu materiałów: stal jest wytrzymała na rozciąganie, a beton na ściskanie.
Podczas hartowania plastyczność stali maleje, a jej twardość wzrasta.Inaczej mówiąc, utwardza się.W zależności od sytuacji może to być zaletą, ale może być również wadą, ponieważ twardość jest równoznaczna z kruchością.Oznacza to, że im twardsza jest stal, tym jest mniej elastyczna i dlatego istnieje większe prawdopodobieństwo uszkodzenia.
Innymi słowy, każdy etap procesu wymaga pewnej ciągliwości rury.W miarę obróbki część staje się cięższa, a jeśli jest zbyt ciężka, w zasadzie jest bezużyteczna.Twardość to kruchość, a kruche rurki są podatne na uszkodzenia podczas użytkowania.
Czy producent ma w tym przypadku jakieś opcje?Krótko mówiąc, tak.Ta opcja to wyżarzanie i chociaż nie jest to do końca magiczne, jest tak magiczne, jak to tylko możliwe.
Krótko mówiąc, wyżarzanie usuwa wszelkie skutki fizycznego oddziaływania na metale.W procesie tym metal nagrzewa się do temperatury odprężania lub rekrystalizacji, co powoduje usunięcie dyslokacji.Zatem proces częściowo lub całkowicie przywraca plastyczność, w zależności od konkretnej temperatury i czasu zastosowanego w procesie wyżarzania.
Wyżarzanie i kontrolowane chłodzenie sprzyjają wzrostowi ziaren.Jest to korzystne, jeśli celem jest zmniejszenie kruchości materiału, ale niekontrolowany wzrost ziaren może zbytnio zmiękczyć metal, czyniąc go niezdatnym do użytku zgodnie z jego przeznaczeniem.Zatrzymanie procesu wyżarzania to kolejna niemal magiczna rzecz.Hartowanie w odpowiedniej temperaturze z użyciem odpowiedniego utwardzacza w odpowiednim czasie szybko zatrzymuje proces i przywraca właściwości stali.
Czy powinniśmy porzucić specyfikacje twardości?NIE.Właściwości twardości są cenne przede wszystkim jako wytyczna przy określaniu właściwości rur stalowych.Twardość jest użytecznym pomiarem i jedną z kilku właściwości, które należy określić przy zamawianiu materiału rurowego i sprawdzić przy odbiorze (udokumentowanym przy każdej dostawie).Gdy jako wzorzec testowy stosuje się próbę twardości, musi ona mieć odpowiednie wartości skali i granice kontrolne.
Nie jest to jednak prawdziwy sprawdzian zaliczenia (akceptacji lub odrzucenia) materiału.Oprócz twardości producenci powinni od czasu do czasu sprawdzać dostawy, 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.
Tube & Pipe Journal powstał w 1990 roku jako pierwszy magazyn poświęcony branży rur metalowych.Dziś pozostaje jedyną publikacją branżową w Ameryce Północnej i stała się najbardziej zaufanym źródłem informacji dla profesjonalistów zajmujących się rurami.
Dostępny jest teraz pełny cyfrowy dostęp do FABRICATOR, zapewniający łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Dostępny jest teraz pełny cyfrowy dostęp do The Tube & Pipe Journal, zapewniający łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Ciesz się pełnym cyfrowym dostępem do STAMPING Journal, czasopisma poświęconego rynkowi tłoczenia metali, zawierającego najnowsze osiągnięcia technologiczne, najlepsze praktyki i nowości branżowe.
Dostępny jest teraz pełny dostęp do cyfrowej edycji The Fabricator en Español, zapewniającej łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
W drugiej części naszego dwuczęściowego pokazu z Adamem Heffnerem, właścicielem i założycielem sklepu w Nashville…
Czas publikacji: 27 stycznia 2023 r