Кожен протокол тестування (Брінелла, Роквелла, Віккерса) має процедури, специфічні для об’єкта, що тестується.Т-тест Роквелла корисний для випробування тонкостінних труб, розрізаючи трубу вздовж і перевіряючи стінку труби за внутрішнім діаметром, а не за зовнішнім.
Замовлення труб схоже на те, що піти в автосалон і замовити автомобіль або вантажівку.Зараз доступна велика кількість опцій, які дозволяють покупцям налаштувати автомобіль різноманітними способами – кольори салону та екстер’єру, пакети оздоблення, варіанти зовнішнього стилю, варіанти трансмісії та аудіосистему, яка майже така ж хороша, як домашня розважальна система.З усіма цими параметрами ви, ймовірно, не будете задоволені стандартним легким автомобілем.
Це стосується сталевих труб.Він має тисячі опцій або специфікацій.Окрім розмірів, у специфікації згадуються хімічні властивості та кілька механічних властивостей, таких як мінімальна межа текучості (MYS), межа міцності на розрив (UTS) і мінімальне подовження до руйнування.Проте багато хто в галузі — інженери, агенти із закупівель і виробники — використовують галузеві скорочення та називають «прості» зварні труби та вказують лише одну характеристику: твердість.
Спробуйте замовити автомобіль за однією ознакою («Потрібна машина з АКПП»), і з продавцем далеко не заїдете.Він має заповнити форму з великою кількістю варіантів.Це стосується сталевих труб: щоб отримати трубу, придатну для застосування, виробник труб потребує набагато більше інформації, ніж твердість.
Як твердість стала прийнятною заміною інших механічних властивостей?Ймовірно, це почалося з виробників труб.Оскільки випробування на твердість є швидким, простим і вимагає відносно недорогого обладнання, продавці труб часто використовують випробування на твердість для порівняння двох типів труб.Усе, що їм потрібно для проведення випробування на твердість, — це гладкий шматок труби та випробувальний стенд.
Твердість труби тісно пов’язана з UTS, і емпіричне правило (відсоток або відсотковий діапазон) є корисним для оцінки MYS, тому легко зрозуміти, як випробування твердості може бути відповідним проксі для інших властивостей.
Крім того, інші тести є відносно складними.У той час як випробування на твердість займає лише близько хвилини на одній машині, MYS, UTS і випробування на подовження вимагають підготовки зразка та значних інвестицій у велике лабораторне обладнання.Для порівняння, оператор трубопрокатного заводу виконує випробування на твердість за лічені секунди, тоді як спеціаліст-металург проводить випробування на розтягування за кілька годин.Провести тест на твердість не складно.
Це не означає, що виробники інженерних труб не використовують тести на твердість.Можна з упевненістю сказати, що більшість робить це, але оскільки вони оцінюють повторюваність приладу та відтворюваність на всьому тестовому обладнанні, вони добре знають про обмеження тесту.Більшість із них використовують його для оцінки твердості трубки як частини виробничого процесу, але не використовують для кількісної оцінки властивостей трубки.Це просто тест «пройшов/не пройшов».
Чому мені потрібно знати MYS, UTS і мінімальне видовження?Вони вказують на продуктивність трубного вузла.
MYS - це мінімальна сила, яка викликає остаточну деформацію матеріалу.Якщо ви спробуєте трохи зігнути прямий шматок дроту (наприклад, вішалку) і послабити тиск, станеться одне з двох: він повернеться у вихідний стан (прямий) або залишиться зігнутим.Якщо він все ще прямий, то ви ще не подолали MYS.Якщо він все ще зігнутий, ви промахнулися.
Тепер візьміть обидва кінці дроту плоскогубцями.Якщо ви можете зламати дріт навпіл, ви пройшли UTS.Ви сильно тягнете його, і у вас є два шматки дроту, щоб продемонструвати ваші надлюдські зусилля.Якщо початкова довжина дроту була 5 дюймів, а дві довжини після поломки додадуть 6 дюймів, дріт розтягнеться на 1 дюйм, або 20%.Фактичні випробування на розтяг вимірюються в межах 2 дюймів від точки розриву, але незалежно від того, концепція натягу лінії ілюструє UTS.
Сталеві мікрофотограми необхідно вирізати, відполірувати та протравити слабокислим розчином (зазвичай азотною кислотою та спиртом), щоб зробити видимими зерна.100-кратне збільшення зазвичай використовується для перевірки сталевих зерен і визначення їх розміру.
Твердість - це перевірка того, як матеріал реагує на удар.Уявіть, що невеликий відрізок трубки поміщають у лещата із зубчастими губками та струшують, щоб закрити лещата.Окрім вирівнювання труби, губки лещат залишають відбиток на поверхні труби.
Ось як працює тест на твердість, але він не такий грубий.Тест має контрольований розмір удару та контрольований тиск.Ці сили деформують поверхню, утворюючи вм'ятини або вм'ятини.Розмір або глибина вм'ятини визначає твердість металу.
При оцінці сталі зазвичай використовують тести на твердість за Брінеллем, Віккерсом і Роквеллом.Кожна з них має власну шкалу, а деякі з них мають кілька методів випробування, наприклад Rockwell A, B, C тощо. Для сталевих труб специфікація ASTM A513 відноситься до випробування Rockwell B (скорочено HRB або RB).Тест Роквелла B вимірює різницю в силі проникнення сталевої кульки діаметром 1⁄16 дюйма в сталь між легким попереднім натягом і основним навантаженням 100 кгс.Типовий результат для стандартної м’якої сталі – HRB 60.
Матеріалознавці знають, що твердість має лінійну залежність від UTS.Таким чином, дана твердість прогнозує UTS.Так само виробник труб знає, що MYS і UTS пов’язані.Для зварних труб MYS зазвичай становить від 70% до 85% UTS.Точна кількість залежить від процесу виготовлення трубки.Твердість HRB 60 відповідає UTS 60 000 фунтів на квадратний дюйм (PSI) і приблизно 80% MYS, що становить 48 000 PSI.
Найпоширенішою специфікацією труб для загального виробництва є максимальна твердість.На додаток до розміру, інженери також зацікавлені в специфікації зварених контактним зварюванням (ERW) труб у хорошому робочому діапазоні, що може призвести до креслень деталей з можливою максимальною твердістю HRB 60. Це рішення саме по собі призводить до ряду механічних кінцевих властивостей, включаючи саму твердість.
По-перше, твердість HRB 60 не говорить нам багато.Показання HRB 60 є безрозмірним числом.Матеріали з рейтингом HRB 59 є м’якшими, ніж ті, що випробувані на HRB 60, а HRB 61 твердіші за HRB 60, але на скільки?Його не можна визначити кількісно, як об’єм (вимірюється в децибелах), крутний момент (вимірюється у фунтах-футах), швидкість (вимірюється як відстань до часу) або UTS (вимірюється у фунтах на квадратний дюйм).Читання HRB 60 не говорить нам нічого конкретного.Це матеріальна, а не фізична властивість.По-друге, визначення твердості саме по собі не дуже підходить для забезпечення повторюваності або відтворюваності.Оцінка двох ділянок на зразку, навіть якщо тестові ділянки розташовані близько одна до одної, часто призводить до дуже різних показників твердості.Природа тестів посилює цю проблему.Після одного вимірювання положення не можна проводити друге вимірювання для перевірки результату.Повторюваність тесту неможлива.
Це не означає, що вимірювання твердості незручне.Насправді, це хороший посібник з UTS, і це швидкий і легкий тест.Проте кожен, хто бере участь у визначенні, закупівлі та виробництві трубок, повинен знати про їх обмеження як тестового параметра.
Оскільки «звичайна» труба не має чіткого визначення, виробники труб зазвичай звужують його до двох найбільш часто використовуваних типів сталі та труб, як визначено в ASTM A513:1008 і 1010, коли це доречно.Навіть після виключення всіх інших типів труб, можливості щодо механічних властивостей цих двох типів труб залишаються відкритими.Насправді ці типи труб мають найширший діапазон механічних властивостей з усіх типів труб.
Наприклад, трубка вважається м’якою, якщо MYS низька, а відносне подовження високе, що означає, що вона працює краще з точки зору розтягування, деформації та постійної деформації, ніж трубка, описана як жорстка, яка має відносно високий MYS і відносно низьке подовження. ..Це схоже на різницю між м’яким дротом і жорстким дротом, таким як вішалки для одягу та дрилі.
Подовження саме по собі є ще одним фактором, який має значний вплив на критичні застосування труб.Труби високого подовження витримують розтягування;матеріали з низьким подовженням є більш крихкими і, отже, більш схильні до катастрофічного руйнування від втоми.Однак подовження не пов’язане безпосередньо з UTS, яке є єдиною механічною властивістю, безпосередньо пов’язаною з твердістю.
Чому труби так сильно відрізняються за своїми механічними властивостями?По-перше, різний хімічний склад.Сталь - це твердий розчин заліза та вуглецю, а також інших важливих сплавів.Для простоти ми будемо мати справу тільки з процентним вмістом вуглецю.Атоми вуглецю замінюють деякі атоми заліза, створюючи кристалічну структуру сталі.ASTM 1008 — це комплексний первинний сорт із вмістом вуглецю від 0% до 0,10%.Нуль — це спеціальне число, яке забезпечує унікальні властивості при наднизькому вмісті вуглецю в сталі.ASTM 1010 визначає вміст вуглецю від 0,08% до 0,13%.Ці відмінності не здаються величезними, але їх достатньо, щоб зробити суттєві зміни деінде.
По-друге, сталеві труби можна виготовляти або виготовляти та згодом обробляти семи різними виробничими процесами.ASTM A513 щодо виробництва труб ERW перелічує сім типів:
Якщо хімічний склад сталі та етапи виготовлення труб не впливають на твердість сталі, то що?Відповідь на це питання означає ретельне вивчення деталей.Це запитання веде до двох інших питань: які деталі та наскільки близько?
Детальна інформація про зерна, з яких складається сталь, є першою відповіддю.Коли сталь виробляється на первинному стані, вона не охолоджується до величезної маси з однією властивістю.Коли сталь охолоджується, її молекули утворюють повторювані візерунки (кристали), подібні до того, як утворюються сніжинки.Після утворення кристалів вони об'єднуються в групи, які називаються зернами.Коли зерна охолоджуються, вони ростуть, утворюючи весь лист або пластину.Ріст зерна припиняється, коли зерно поглинає останню молекулу сталі.Все це відбувається на мікроскопічному рівні, коли розмір сталевого зерна середнього розміру становить приблизно 64 мікрони або 0,0025 дюйма.Хоча кожне зерно схоже на наступне, вони не однакові.Вони дещо відрізняються один від одного розміром, орієнтацією та вмістом вуглецю.Межі розділу між зернами називаються межами зерен.Коли сталь руйнується, наприклад, через втомні тріщини, вона, як правило, руйнується на межах зерен.
Як близько потрібно дивитися, щоб побачити чіткі частинки?Збільшення в 100 або 100 разів перевищує гостроту зору людського ока.Однак просто дивитися на необроблену сталь у 100-му ступені мало що дає.Зразки готують шляхом полірування зразка та травлення поверхні кислотою, зазвичай азотною кислотою та спиртом, що називається травленням азотною кислотою.
Саме зерна та їхня внутрішня решітка визначають ударну міцність, MYS, UTS та відносне подовження, яке сталь може витримати до руйнування.
Етапи виробництва сталі, такі як гаряча та холодна прокатка смуги, передають напругу на зернисту структуру;якщо вони постійно змінюють форму, це означає, що напруга деформувала зерна.Інші етапи обробки, такі як намотування сталі в рулони, розмотування та проходження через трубний млин (для формування труби та розміру), деформують сталеві зерна.Холодне витягування труби на оправці також створює навантаження на матеріал, як і етапи виробництва, такі як формування кінців і згинання.Зміни в структурі зерна називаються дислокаціями.
Вищевказані кроки знижують пластичність сталі, її здатність протистояти напрузі розтягування (розриву).Сталь стає крихкою, а це означає, що вона зламається, якщо ви продовжите працювати зі сталлю.Подовження є одним із компонентів пластичності (стисливість – іншим).Тут важливо розуміти, що поломка найчастіше відбувається при розтягуванні, а не при стисненні.Сталь досить стійка до розтягуючих напруг завдяки відносно високому видовженню.Однак сталь легко деформується під напругою стиску — вона пластична, що є перевагою.
Порівняйте це з бетоном, який має дуже високу міцність на стиск, але низьку пластичність.Ці властивості протилежні сталі.Ось чому бетон, який використовується для доріг, будівель і тротуарів, часто армується.У результаті виходить продукт, який має міцність обох матеріалів: сталь міцна на розтяг, а бетон міцний на стиск.
Під час гартування пластичність сталі знижується, а її твердість підвищується.Іншими словами, загартовується.Залежно від ситуації це може бути перевагою, але також може бути недоліком, оскільки твердість дорівнює крихкості.Тобто, чим твердіша сталь, тим вона менш еластична і, отже, тим більша ймовірність її руйнування.
Іншими словами, кожен етап процесу вимагає певної пластичності труби.У міру обробки деталь стає важче, а якщо занадто важка, то в принципі марна.Твердість - це крихкість, а крихкі трубки схильні до руйнування під час використання.
Чи є у виробника варіанти в цьому випадку?Якщо коротко, то так.Цей варіант є відпалом, і хоча він не зовсім чарівний, він настільки магічний, наскільки це можливо.
Простіше кажучи, відпал усуває всі наслідки фізичного впливу на метали.При цьому метал нагрівається до температури зняття напруги або рекристалізації, що призводить до видалення дислокацій.Таким чином, процес частково або повністю відновлює пластичність, залежно від конкретної температури та часу, які використовуються в процесі відпалу.
Відпал і контрольоване охолодження сприяють росту зерна.Це корисно, якщо метою є зменшення крихкості матеріалу, але неконтрольований ріст зерна може надто розм’якшити метал, зробивши його непридатним для використання за призначенням.Зупинка процесу відпалу – ще одна майже магічна річ.Загартування при правильній температурі за допомогою правильного зміцнювача в потрібний час швидко зупиняє процес і відновлює властивості сталі.
Чи варто відмовитися від специфікацій твердості?немає.Властивості твердості цінні, перш за все, як орієнтир при визначенні характеристик сталевих труб.Твердість є корисним вимірюванням і однією з кількох властивостей, які слід вказати під час замовлення трубного матеріалу та перевірити після отримання (задокументовано для кожного відправлення).Коли тест на твердість використовується як стандарт тесту, він повинен мати відповідні значення шкали та контрольні межі.
Однак це не справжній тест на проходження (прийняття або відхилення) матеріалу.Крім твердості, виробники повинні час від часу перевіряти поставки, щоб визначити інші відповідні властивості, такі як MYS, UTS або мінімальне подовження, залежно від застосування труби.
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 був запущений у 1990 році як перший журнал, присвячений промисловості металевих труб.Сьогодні це єдине галузеве видання в Північній Америці та стало найбільш надійним джерелом інформації для професіоналів з труб.
Тепер доступний повний цифровий доступ до FABRICATOR, що забезпечує легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Тепер доступний повний цифровий доступ до The Tube & Pipe Journal, що забезпечує легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
Насолоджуйтеся повним цифровим доступом до STAMPING Journal, журналу ринку металевого штампування з останніми технологічними досягненнями, найкращими практиками та новинами галузі.
Тепер доступний повний доступ до цифрової версії The Fabricator en Español, що забезпечує легкий доступ до цінних галузевих ресурсів.
У другій частині нашого двосерійного шоу з Адамом Хеффнером, власником магазину в Нашвіллі та засновником...
Час публікації: 27 січня 2023 р