Каждый протокол испытаний (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу) содержит процедуры, специфичные для испытуемого объекта.Т-тест Роквелла полезен для испытания тонкостенных труб: его разрезают вдоль и проверяют стенку трубы по внутреннему диаметру, а не по наружному.
Заказать трубы — это все равно, что пойти в автосалон и заказать легковой или грузовой автомобиль.Сейчас доступно множество опций, которые позволяют покупателям персонализировать автомобиль различными способами: цвета интерьера и экстерьера, пакеты отделки, варианты внешнего стиля, выбор трансмиссии и аудиосистема, которая почти так же хороша, как домашняя развлекательная система.Со всеми этими опциями вас, вероятно, не устроит стандартная машина без излишеств.
Это касается стальных труб.Он имеет тысячи опций или спецификаций.Помимо размеров, в спецификации упоминаются химические свойства и несколько механических свойств, таких как минимальный предел текучести (MYS), предел прочности при растяжении (UTS) и минимальное удлинение до разрушения.Однако многие представители отрасли — инженеры, агенты по закупкам и производители — используют отраслевую терминологию и призывают к «простым» сварным трубам, указывая только одну характеристику: твердость.
Попробуйте заказать машину по одной характеристике («Мне нужна машина с автоматической коробкой передач»), и с продавцом далеко не уедешь.Ему нужно заполнить форму с множеством опций.Так обстоит дело со стальными трубами: чтобы получить трубу, подходящую для конкретного применения, производителю труб требуется гораздо больше информации, чем твердость.
Как твердость стала общепринятой заменой других механических свойств?Вероятно, все началось с производителей труб.Поскольку испытание на твердость является быстрым, простым и требует относительно недорогого оборудования, продавцы труб часто используют испытание на твердость для сравнения двух типов труб.Все, что им нужно для проведения испытания на твердость, — это гладкий кусок трубы и испытательный стенд.
Твердость трубы тесно связана с UTS, и практическое правило (в процентах или процентном диапазоне) полезно для оценки MYS, поэтому легко увидеть, как испытание на твердость может быть подходящим показателем для других свойств.
Кроме того, другие тесты относительно сложны.В то время как испытание на твердость занимает всего около минуты на одной машине, испытания MYS, UTS и удлинение требуют подготовки проб и значительных инвестиций в крупное лабораторное оборудование.Для сравнения, оператор трубного завода проводит испытание на твердость за считанные секунды, а специалист-металлург проводит испытание на растяжение за несколько часов.Провести испытание на твердость не сложно.
Это не означает, что производители инженерных труб не используют испытания на твердость.Можно с уверенностью сказать, что большинство делают это, но, поскольку они оценивают повторяемость и воспроизводимость приборов на всем испытательном оборудовании, они хорошо осознают ограничения теста.Большинство из них используют его для оценки твердости трубки в рамках производственного процесса, но не используют его для количественной оценки свойств трубки.Это просто тест «прошел/не прошел».
Зачем мне знать MYS, UTS и минимальное удлинение?Они указывают на работоспособность узла трубки.
MYS — это минимальная сила, вызывающая необратимую деформацию материала.Если вы попытаетесь слегка согнуть прямой кусок проволоки (например, вешалку) и ослабить давление, произойдет одно из двух: он вернется в исходное состояние (прямой) или останется согнутым.Если оно еще прямое, значит, вы еще не преодолели МИС.Если он все еще согнут, вы промахнулись.
Теперь возьмите плоскогубцами оба конца проволоки.Если вам удалось сломать провод пополам, значит, вы прошли ОТС.Вы сильно тянете его, и у вас есть два куска проволоки, чтобы продемонстрировать ваши сверхчеловеческие усилия.Если исходная длина провода составляла 5 дюймов, а две длины после разрушения в сумме составляют 6 дюймов, то провод растянется на 1 дюйм, или 20%.Фактические испытания на растяжение проводятся в пределах 2 дюймов от точки разрыва, но несмотря ни на что – концепция натяжения лески иллюстрирует UTS.
Образцы стальных микрофотографий необходимо разрезать, отполировать и протравить слабокислым раствором (обычно азотной кислотой и спиртом), чтобы зерна стали видимыми.100-кратное увеличение обычно используется для проверки стальных зерен и определения их размера.
Твердость — это тест того, как материал реагирует на удар.Представьте себе, что короткую трубку помещают в тиски с зубчатыми губками и встряхивают, чтобы закрыть тиски.Губки тисков не только выравнивают трубу, но и оставляют отпечаток на поверхности трубы.
Вот как работает проверка твердости, но она не такая грубая.Тест имеет контролируемую величину удара и контролируемое давление.Эти силы деформируют поверхность, образуя углубления или углубления.Размер или глубина вмятины определяет твердость металла.
При оценке стали обычно используют испытания на твердость по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу.Каждый из них имеет свою собственную шкалу, а некоторые из них имеют несколько методов испытаний, таких как Rockwell A, B, C и т. д. Для стальных труб спецификация ASTM A513 относится к испытанию Rockwell B (сокращенно HRB или RB).Испытание Роквелла B измеряет разницу в силе проникновения стального шарика диаметром 1/16 дюйма в сталь при небольшой предварительной нагрузке и базовой нагрузке в 100 кгс.Типичный результат для стандартной мягкой стали — HRB 60.
Ученые-материаловеды знают, что твердость имеет линейную зависимость от UTS.Следовательно, данная твердость прогнозирует УТС.Точно так же производитель труб знает, что MYS и UTS связаны между собой.Для сварных труб MYS обычно составляет от 70% до 85% UTS.Точное количество зависит от процесса изготовления трубок.Твердость HRB 60 соответствует UTS 60 000 фунтов на квадратный дюйм (PSI) и примерно 80% MYS, что составляет 48 000 PSI.
Наиболее распространенной характеристикой труб для общего производства является максимальная твердость.Помимо размера, инженеры также заинтересованы в том, чтобы трубы контактной сварки (ERW) попадали в хороший рабочий диапазон, что может привести к получению чертежей деталей с возможной максимальной твердостью HRB 60. Одно только это решение приводит к ряду механических свойств концов, включая саму твердость.
Во-первых, твердость HRB 60 мало что нам говорит.Показание HRB 60 является безразмерным числом.Материалы с рейтингом HRB 59 мягче, чем материалы, протестированные на HRB 60, а HRB 61 тверже, чем HRB 60, но насколько?Его нельзя выразить количественно, как объем (измеряется в децибелах), крутящий момент (измеряется в фунт-футах), скорость (измеряется в зависимости от расстояния от времени) или UTS (измеряется в фунтах на квадратный дюйм).Чтение HRB 60 не говорит нам ничего конкретного.Это материальная собственность, а не физическая собственность.Во-вторых, само по себе определение твердости не обеспечивает повторяемости и воспроизводимости результатов.Оценка двух участков образца, даже если испытательные участки расположены близко друг к другу, часто приводит к очень разным показаниям твердости.Характер тестов усугубляет эту проблему.После одного измерения положения невозможно выполнить второе измерение для проверки результата.Повторяемость испытаний невозможна.
Это не значит, что измерение твердости неудобно.На самом деле, это хорошее руководство по UTS, а также быстрый и простой тест.Однако любой, кто занимается определением, закупкой и производством трубок, должен знать об их ограничениях как параметра испытаний.
Поскольку понятие «обычные» трубы четко не определено, производители труб обычно сужают его до двух наиболее часто используемых типов стали и труб, как это определено в ASTM A513:1008 и 1010, когда это необходимо.Даже после исключения всех других типов труб возможности механических свойств этих двух типов труб остаются открытыми.Фактически, эти типы труб имеют самый широкий диапазон механических свойств среди всех типов труб.
Например, трубка считается мягкой, если MYS низкий и удлинение высокое, что означает, что она работает лучше с точки зрения растяжения, деформации и остаточной деформации, чем трубка, описываемая как жесткая, которая имеет относительно высокий MYS и относительно низкое удлинение. ..Это похоже на разницу между мягкой проволокой и твердой проволокой, такой как вешалки для одежды и дрели.
Удлинение само по себе является еще одним фактором, который оказывает существенное влияние на критически важные области применения труб.Трубы высокого удлинения выдерживают растяжение;Материалы с низким удлинением более хрупкие и, следовательно, более склонны к катастрофическому усталостному разрушению.Однако удлинение не связано напрямую с UTS, который является единственным механическим свойством, напрямую связанным с твердостью.
Почему трубы так сильно различаются по своим механическим свойствам?Во-первых, химический состав другой.Сталь представляет собой твердый раствор железа и углерода, а также других важных сплавов.Для простоты будем иметь дело только с процентным содержанием углерода.Атомы углерода заменяют некоторые атомы железа, создавая кристаллическую структуру стали.ASTM 1008 — это комплексная первичная марка с содержанием углерода от 0% до 0,10%.Ноль — это особое число, обеспечивающее уникальные свойства при сверхнизком содержании углерода в стали.ASTM 1010 определяет содержание углерода от 0,08% до 0,13%.Эти различия не кажутся огромными, но их достаточно, чтобы иметь большое значение в других местах.
Во-вторых, стальные трубы могут быть изготовлены или изготовлены и впоследствии обработаны семью различными производственными процессами.ASTM A513, касающийся производства труб ERW, перечисляет семь типов:
Если химический состав стали и этапы изготовления труб не влияют на твердость стали, то что?Ответ на этот вопрос предполагает тщательное изучение деталей.Этот вопрос приводит к двум другим вопросам: какие детали и насколько близко?
Подробная информация о зернах, из которых состоит сталь, является первым ответом.Когда сталь производится на первичном стане, она не охлаждается в огромную массу с одним свойством.Когда сталь остывает, ее молекулы образуют повторяющиеся узоры (кристаллы), подобно тому, как формируются снежинки.После образования кристаллов они объединяются в группы, называемые зернами.По мере остывания зерна растут, образуя целый лист или пластину.Рост зерна прекращается, когда последняя молекула стали поглощается зерном.Все это происходит на микроскопическом уровне: стальное зерно среднего размера имеет диаметр около 64 микрон или 0,0025 дюйма.Хотя каждое зерно похоже на другое, они не одинаковы.Они незначительно отличаются друг от друга по размеру, ориентации и содержанию углерода.Границы раздела зерен называются границами зерен.Когда сталь разрушается, например, из-за усталостных трещин, она имеет тенденцию разрушаться по границам зерен.
Насколько близко нужно смотреть, чтобы увидеть отдельные частицы?Достаточно увеличения в 100 раз или в 100 раз выше остроты зрения человеческого глаза.Однако простое рассмотрение необработанной стали в 100-й степени мало что даст.Образцы готовят путем полировки образца и травления поверхности кислотой, обычно азотной кислотой и спиртом, что называется травлением азотной кислотой.
Именно зерна и их внутренняя решетка определяют ударную вязкость, MYS, UTS и удлинение, которое сталь может выдержать до разрушения.
Такие этапы производства стали, как горячая и холодная прокатка полос, передают напряжение на зернистую структуру;если они постоянно меняют форму, это означает, что напряжение деформировало зерна.Другие этапы обработки, такие как намотка стали в рулоны, размотка и прохождение через трубопрокатный стан (для формирования трубы и размера), деформируют стальные зерна.Холодная вытяжка трубы на оправке также подвергает материал нагрузке, как и такие этапы производства, как формовка концов и гибка.Изменения в зеренной структуре называются дислокациями.
Вышеуказанные действия снижают пластичность стали, ее способность противостоять растягивающим (раздирающим) напряжениям.Сталь становится хрупкой, а это означает, что она с большей вероятностью сломается, если вы продолжите работать со сталью.Удлинение — это одна составляющая пластичности (сжимаемость — другая).Здесь важно понимать, что разрушение чаще всего происходит при растяжении, а не при сжатии.Сталь достаточно устойчива к растягивающим напряжениям благодаря относительно высокому удлинению.Однако сталь легко деформируется под действием сжимающих напряжений — она податлива, что является преимуществом.
Сравните это с бетоном, который имеет очень высокую прочность на сжатие, но низкую пластичность.Эти свойства противоположны стали.Вот почему бетон, используемый для дорог, зданий и тротуаров, часто армируют.В результате получается продукт, сочетающий в себе сильные стороны обоих материалов: сталь прочна на растяжение, а бетон — на сжатие.
В процессе закалки пластичность стали снижается, а ее твердость увеличивается.Другими словами, он затвердевает.В зависимости от ситуации это может быть преимуществом, но может быть и недостатком, поскольку твердость приравнивается к хрупкости.То есть, чем тверже сталь, тем она менее эластична и, следовательно, тем больше вероятность ее выхода из строя.
Другими словами, каждый этап процесса требует определенной пластичности трубы.По мере обработки деталь становится тяжелее, а если слишком тяжелая, то в принципе бесполезна.Твердость — это хрупкость, а хрупкие трубки склонны к разрушению во время использования.
Есть ли у производителя варианты в этом случае?Короче говоря, да.Этот вариант представляет собой отжиг, и хотя он не совсем волшебен, он настолько волшебен, насколько это возможно.
Говоря простым языком, отжиг снимает все последствия физического воздействия на металлы.При этом металл нагревается до температуры снятия напряжений или температуры рекристаллизации, что приводит к удалению дислокаций.Таким образом, процесс частично или полностью восстанавливает пластичность в зависимости от конкретной температуры и времени, использованных в процессе отжига.
Отжиг и контролируемое охлаждение способствуют росту зерна.Это полезно, если целью является снижение хрупкости материала, но неконтролируемый рост зерен может слишком сильно размягчить металл, что сделает его непригодным для использования по назначению.Остановка процесса отжига – еще одна почти волшебная вещь.Закалка при правильной температуре с использованием правильного упрочняющего агента в нужное время быстро останавливает процесс и восстанавливает свойства стали.
Стоит ли отказываться от спецификации твердости?нет.Свойства твердости ценны, прежде всего, как ориентир при определении характеристик стальных труб.Твердость — это полезный показатель и одно из нескольких свойств, которые следует указывать при заказе трубного материала и проверять при получении (документируется для каждой партии).Когда испытание на твердость используется в качестве стандарта испытаний, оно должно иметь соответствующие значения шкалы и контрольные пределы.
Однако это не настоящий тест на сдачу (принятие или неприятие) материала.Помимо твердости, производители должны время от времени проверять поставки, чтобы определить другие важные свойства, такие как MYS, UTS или минимальное удлинение, в зависимости от 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.
Tube & Pipe Journal был выпущен в 1990 году как первый журнал, посвященный индустрии металлических труб.Сегодня он остается единственным отраслевым изданием в Северной Америке и стал самым надежным источником информации для профессионалов в области трубного оборудования.
Теперь доступен полный цифровой доступ к The FABRICATOR, обеспечивающий легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Теперь доступен полный цифровой доступ к The Tube & Pipe Journal, обеспечивающий легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный цифровой доступ к журналу STAMPING Journal, журналу о рынке штамповки металлов, где публикуются последние технологические достижения, передовой опыт и новости отрасли.
Теперь доступен полный доступ к цифровому изданию The Fabricator en Español, обеспечивающему легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Во второй части нашего шоу, состоящего из двух частей, с Адамом Хеффнером, владельцем и основателем магазина в Нэшвилле…
Время публикации: 27 января 2023 г.