Elk testprotocol (Brinell, Rockwell, Vickers) heeft procedures die specifiek zijn voor het te testen object.De Rockwell t-test is nuttig voor het testen van dunwandige buizen door de buis in de lengte door te snijden en de buiswand te controleren aan de hand van de binnendiameter in plaats van de buitendiameter.
Het bestellen van pijpen lijkt een beetje op naar een autodealer gaan en een auto of vrachtwagen bestellen.Er is nu een overvloed aan opties beschikbaar waarmee kopers de auto op verschillende manieren kunnen personaliseren: interieur- en exterieurkleuren, uitrustingspakketten, exterieurstylingopties, aandrijflijnkeuzes en een audiosysteem dat bijna net zo goed is als een home entertainment-systeem.Met al deze opties zul je waarschijnlijk niet tevreden zijn met een standaard auto zonder franjes.
Dit geldt voor stalen buizen.Het heeft duizenden opties of specificaties.Naast afmetingen vermeldt de specificatie chemische eigenschappen en verschillende mechanische eigenschappen zoals minimale vloeigrens (MYS), ultieme treksterkte (UTS) en minimale rek tot bezwijken.Velen in de industrie – ingenieurs, inkopers en fabrikanten – gebruiken echter de afkorting van de industrie en roepen op tot “eenvoudige” gelaste buizen en noemen slechts één kenmerk: hardheid.
Probeer een auto te bestellen op basis van één kenmerk ("Ik heb een auto met een automatische transmissie nodig"), en met de verkoper kom je niet ver.Hij moet een formulier invullen met veel opties.Bij stalen buizen is dit het geval: om een buis geschikt te krijgen voor een toepassing heeft een buizenfabrikant veel meer informatie nodig dan alleen de hardheid.
Hoe werd hardheid een geaccepteerd substituut voor andere mechanische eigenschappen?Het begon waarschijnlijk bij pijpfabrikanten.Omdat het testen van de hardheid snel en eenvoudig is en relatief goedkope apparatuur vereist, gebruiken pijpverkopers vaak hardheidstesten om twee soorten pijpen te vergelijken.Het enige dat ze nodig hebben om een hardheidstest uit te voeren is een glad stuk buis en een testopstelling.
De pijphardheid hangt nauw samen met UTS en een vuistregel (percentage of percentagebereik) is handig voor het schatten van MYS, dus het is gemakkelijk in te zien hoe hardheidstesten een geschikte proxy kunnen zijn voor andere eigenschappen.
Bovendien zijn andere tests relatief moeilijk.Terwijl het testen van de hardheid op één enkele machine slechts ongeveer een minuut duurt, vereisen MYS-, UTS- en rektests monstervoorbereiding en een aanzienlijke investering in grote laboratoriumapparatuur.Ter vergelijking: een operator van een pijpenmolen voltooit een hardheidstest in enkele seconden, terwijl een gespecialiseerde metallurg een trekproef in een paar uur uitvoert.Het uitvoeren van een hardheidstest is niet moeilijk.
Dit betekent niet dat fabrikanten van technische buizen geen hardheidstests gebruiken.Het is veilig om te zeggen dat de meerderheid dit doet, maar omdat ze de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid van instrumenten op alle testapparatuur evalueren, zijn ze zich terdege bewust van de beperkingen van de test.De meesten van hen gebruiken het om de hardheid van de buis te evalueren als onderdeel van het productieproces, maar gebruiken het niet om de eigenschappen van de buis te kwantificeren.Het is gewoon een pass/fail-test.
Waarom moet ik MYS, UTS en minimale rek kennen?Ze geven de prestaties van het buizensamenstel aan.
MYS is de minimale kracht die permanente vervorming van het materiaal veroorzaakt.Als je probeert een recht stuk draad (zoals een hanger) lichtjes te buigen en de druk los te laten, zullen er twee dingen gebeuren: het keert terug naar zijn oorspronkelijke staat (recht) of blijft gebogen.Als het nog steeds recht is, ben je nog niet over MYS heen.Als het nog steeds gebogen is, heb je gemist.
Pak nu beide uiteinden van de draad vast met een tang.Als je een draad doormidden kunt breken, ben je voorbij UTS gekomen.Je trekt er hard aan en je hebt twee stukjes draad om je bovenmenselijke inspanningen te tonen.Als de oorspronkelijke lengte van de draad 5 inch was, en de twee lengtes na het falen optellen tot 6 inch, dan zal de draad 1 inch, oftewel 20%, uitrekken.Werkelijke trekproeven worden gemeten binnen 5 cm van het breekpunt, maar wat er ook gebeurt: het lijnspanningsconcept illustreert UTS.
Stalen microfotomonsters moeten worden gesneden, gepolijst en geëtst met een zwak zure oplossing (meestal salpeterzuur en alcohol) om de korrels zichtbaar te maken.Een vergroting van 100x wordt vaak gebruikt om staalkorrels te inspecteren en hun grootte te bepalen.
Hardheid is een test van hoe een materiaal reageert op impact.Stel je voor dat een kort stuk slang in een bankschroef met gekartelde kaken wordt geplaatst en geschud om de bankschroef te sluiten.Naast het uitlijnen van de buis, laten de bankschroefbekken een afdruk achter op het oppervlak van de buis.
Dit is hoe de hardheidstest werkt, maar deze is niet zo ruw.De test heeft een gecontroleerde impactgrootte en een gecontroleerde druk.Deze krachten vervormen het oppervlak en vormen inkepingen of inkepingen.De grootte of diepte van de deuk bepaalt de hardheid van het metaal.
Bij het evalueren van staal worden vaak Brinell-, Vickers- en Rockwell-hardheidstests gebruikt.Ze hebben allemaal hun eigen schaal en sommige hebben meerdere testmethoden, zoals Rockwell A, B, C, enz. Voor stalen buizen verwijst de ASTM A513-specificatie naar de Rockwell B-test (afgekort als HRB of RB).De Rockwell Test B meet het verschil in penetratiekracht van een stalen kogel met een diameter van 1⁄16 inch in staal tussen een lichte voorbelasting en een basisbelasting van 100 kgf.Een typisch resultaat voor standaard zacht staal is HRB 60.
Materiaalwetenschappers weten dat hardheid een lineair verband heeft met UTS.Daarom voorspelt de gegeven hardheid UTS.Op dezelfde manier weet de buizenfabrikant dat MYS en UTS verwant zijn.Voor gelaste buizen is MYS doorgaans 70% tot 85% UTS.De exacte hoeveelheid is afhankelijk van het productieproces van de buis.De hardheid van HRB 60 komt overeen met UTS 60.000 pond per vierkante inch (PSI) en ongeveer 80% MYS, wat 48.000 PSI is.
De meest gebruikelijke buisspecificatie voor algemene productie is maximale hardheid.Naast afmetingen zijn ingenieurs ook geïnteresseerd in het specificeren van weerstandsgelaste (ERW) buizen binnen een goed werkbereik, wat kan resulteren in onderdeeltekeningen met een mogelijke maximale hardheid van HRB 60. Deze beslissing alleen al resulteert in een aantal mechanische eindeigenschappen, inclusief de hardheid zelf.
Ten eerste zegt de hardheid van HRB 60 ons niet veel.De HRB 60-waarde is een dimensieloos getal.Materialen met een HRB-waarde van 59 zijn zachter dan de materialen die zijn getest met een HRB-waarde van 60, en HRB 61 is harder dan een HRB-waarde van 60, maar hoeveel?Het kan niet worden gekwantificeerd zoals volume (gemeten in decibel), koppel (gemeten in pond-voet), snelheid (gemeten in afstand versus tijd) of UTS (gemeten in ponden per vierkante inch).Het lezen van HRB 60 vertelt ons niets specifieks.Het is een materiële eigenschap, geen fysieke eigenschap.Ten tweede is de bepaling van de hardheid op zichzelf niet goed geschikt om herhaalbaarheid of reproduceerbaarheid te garanderen.Evaluatie van twee locaties op een monster, zelfs als de testlocaties dicht bij elkaar liggen, resulteert vaak in zeer verschillende hardheidsmetingen.De aard van de tests verergert dit probleem.Na één positiemeting kan geen tweede meting worden uitgevoerd om het resultaat te controleren.Herhaalbaarheid van de test is niet mogelijk.
Dit betekent niet dat het meten van de hardheid lastig is.Eigenlijk is dit een goede gids voor UTS-dingen, en het is een snelle en gemakkelijke test.Iedereen die betrokken is bij de definitie, aanschaf en productie van buizen moet zich echter bewust zijn van hun beperkingen als testparameter.
Omdat ‘gewone’ buizen niet duidelijk gedefinieerd zijn, beperken buizenfabrikanten dit doorgaans tot de twee meest gebruikte soorten staal en buizen, zoals gedefinieerd in ASTM A513:1008 en 1010, indien van toepassing.Zelfs nadat alle andere soorten buizen zijn uitgesloten, blijven de mogelijkheden voor de mechanische eigenschappen van deze twee soorten buizen open.In feite hebben dit soort buizen het grootste scala aan mechanische eigenschappen van alle buistypen.
Een buis wordt bijvoorbeeld als zacht beschouwd als de MYS laag is en de rek hoog, wat betekent dat deze beter presteert op het gebied van rek, vervorming en permanente vervorming dan een buis die als stijf wordt omschreven en die een relatief hoge MYS en relatief lage rek heeft. ..Dit is vergelijkbaar met het verschil tussen zachte draad en harde draad zoals kleerhangers en boren.
Rek zelf is een andere factor die een aanzienlijke impact heeft op kritische buistoepassingen.Buizen met een hoge rek zijn bestand tegen uitrekken;Materialen met een lage rek zijn brosser en daardoor gevoeliger voor catastrofaal falen door vermoeiing.Rek houdt echter niet direct verband met UTS, de enige mechanische eigenschap die rechtstreeks verband houdt met hardheid.
Waarom variëren buizen zo sterk in hun mechanische eigenschappen?Ten eerste is de chemische samenstelling anders.Staal is een solide oplossing van ijzer en koolstof, evenals andere belangrijke legeringen.Voor de eenvoud behandelen we alleen het percentage koolstof.De koolstofatomen vervangen een deel van de ijzeratomen, waardoor de kristallijne structuur van het staal ontstaat.ASTM 1008 is een uitgebreide primaire kwaliteit met een koolstofgehalte van 0% tot 0,10%.Nul is een speciaal getal dat unieke eigenschappen biedt bij een ultralaag koolstofgehalte in staal.ASTM 1010 definieert het koolstofgehalte van 0,08% tot 0,13%.Deze verschillen lijken niet groot, maar zijn voldoende om elders een groot verschil te maken.
Ten tweede kunnen stalen buizen in zeven verschillende productieprocessen worden vervaardigd of vervaardigd en vervolgens verwerkt.ASTM A513 met betrekking tot de productie van ERW-buizen noemt zeven typen:
Als de chemische samenstelling van staal en de stadia van de pijpproductie geen invloed hebben op de hardheid van staal, wat dan?Het antwoord op deze vraag betekent een zorgvuldige studie van de details.Deze vraag leidt tot twee andere vragen: welke details en hoe dichtbij?
Gedetailleerde informatie over de korrels waaruit staal bestaat, is het eerste antwoord.Wanneer staal in een primaire walserij wordt geproduceerd, koelt het niet af tot een enorme massa met één eigenschap.Terwijl staal afkoelt, vormen de moleculen zich herhalende patronen (kristallen), vergelijkbaar met hoe sneeuwvlokken ontstaan.Na de vorming van kristallen worden ze gecombineerd tot groepen die granen worden genoemd.Terwijl de korrels afkoelen, groeien ze en vormen ze het hele vel of bord.De graangroei stopt wanneer het laatste molecuul staal door het graan is opgenomen.Dit gebeurt allemaal op microscopisch niveau, waarbij een middelgrote staalkorrel ongeveer 64 micron of 0,0025 inch breed is.Hoewel elke korrel op de volgende lijkt, zijn ze niet hetzelfde.Ze verschillen enigszins van elkaar qua grootte, oriëntatie en koolstofgehalte.De grensvlakken tussen korrels worden korrelgrenzen genoemd.Wanneer staal bezwijkt, bijvoorbeeld als gevolg van vermoeiingsscheuren, heeft het de neiging te bezwijken aan de korrelgrenzen.
Hoe dichtbij moet je kijken om verschillende deeltjes te zien?Een vergroting van 100 keer of 100 keer de gezichtsscherpte van het menselijk oog is voldoende.Maar simpelweg kijken naar ruw staal tot de 100e macht helpt niet veel.Monsters worden bereid door het monster te polijsten en het oppervlak te etsen met een zuur, meestal salpeterzuur en alcohol, wat salpeterzuuretsen wordt genoemd.
Het zijn de korrels en hun interne rooster die de slagsterkte, MYS, UTS en de rek die het staal kan weerstaan voordat het bezwijkt, bepalen.
Staalproductiestappen zoals warm- en koudwalsen brengen spanning over op de korrelstructuur;als ze voortdurend van vorm veranderen, betekent dit dat de spanning de korrels heeft vervormd.Andere verwerkingsstappen, zoals het oprollen van het staal, het afwikkelen en het passeren door een buizenmolen (om de buis en de maat te vormen) vervormen de staalkorrels.Het koudtrekken van de buis op de doorn zet ook het materiaal onder spanning, evenals de productiestappen zoals het vormen en buigen van de uiteinden.Veranderingen in de korrelstructuur worden dislocaties genoemd.
De bovenstaande stappen verminderen de taaiheid van het staal, het vermogen om trek- (scheur) spanningen te weerstaan.Staal wordt bros, waardoor de kans groter is dat het breekt als je met het staal blijft werken.Rek is één component van plasticiteit (samendrukbaarheid is een andere).Het is belangrijk om hier te begrijpen dat falen meestal optreedt bij spanning, en niet bij compressie.Staal is zeer goed bestand tegen trekspanningen vanwege de relatief hoge rek.Staal vervormt echter gemakkelijk onder drukspanning (het is vervormbaar), wat een voordeel is.
Vergelijk dit met beton, dat een zeer hoge druksterkte maar een lage ductiliteit heeft.Deze eigenschappen zijn tegengesteld aan die van staal.Dit is de reden waarom beton dat wordt gebruikt voor wegen, gebouwen en trottoirs vaak wordt versterkt.Het resultaat is een product dat de sterke punten van beide materialen heeft: staal is sterk op trek en beton is sterk op druk.
Tijdens het harden neemt de taaiheid van staal af en neemt de hardheid toe.Met andere woorden: het verhardt.Afhankelijk van de situatie kan dit een voordeel zijn, maar ook een nadeel, omdat hardheid gelijk staat aan broosheid.Dat wil zeggen: hoe harder het staal, hoe minder elastisch het is en dus hoe groter de kans dat het bezwijkt.
Met andere woorden, elke stap van het proces vereist enige ductiliteit van de pijp.Naarmate het onderdeel wordt verwerkt, wordt het zwaarder, en als het te zwaar is, is het in principe nutteloos.Hardheid is broosheid en brosse buizen zijn gevoelig voor defecten tijdens gebruik.
Heeft de fabrikant in dit geval opties?Kortom, ja.Deze optie is uitgloeiend, en hoewel niet bepaald magisch, is het ongeveer zo magisch als maar kan.
Simpel gezegd verwijdert gloeien alle effecten van fysieke impact op metalen.Daarbij wordt het metaal verwarmd tot een spanningsontlastings- of herkristallisatietemperatuur, wat resulteert in het verwijderen van dislocaties.Het proces herstelt dus gedeeltelijk of volledig de ductiliteit, afhankelijk van de specifieke temperatuur en tijd die bij het uitgloeiproces wordt gebruikt.
Gloeien en gecontroleerde koeling bevorderen de graangroei.Dit is gunstig als het doel is om de broosheid van het materiaal te verminderen, maar ongecontroleerde korrelgroei kan het metaal te veel verzachten, waardoor het onbruikbaar wordt voor het beoogde gebruik.Het stoppen van het gloeiproces is iets bijna magisch.Afschrikken op de juiste temperatuur met het juiste verhardingsmiddel op het juiste moment stopt het proces snel en herstelt de eigenschappen van het staal.
Moeten we de hardheidsspecificaties opgeven?Nee.De eigenschappen van hardheid zijn in de eerste plaats waardevol als richtlijn bij het bepalen van de kenmerken van stalen buizen.Hardheid is een nuttige meting en een van de vele eigenschappen die moeten worden gespecificeerd bij het bestellen van buismateriaal en die moeten worden gecontroleerd bij ontvangst (gedocumenteerd voor elke zending).Wanneer een hardheidstest als teststandaard wordt gebruikt, moet deze passende schaalwaarden en controlegrenzen hebben.
Dit is echter geen echte test voor het slagen (acceptatie of afwijzing) van de stof.Naast de hardheid moeten fabrikanten hun zendingen van tijd tot tijd controleren om andere relevante eigenschappen te bepalen, zoals MYS, UTS of minimale rek, afhankelijk van de buistoepassing.
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 werd in 1990 gelanceerd als het eerste tijdschrift gewijd aan de metalen buizenindustrie.Tegenwoordig is het nog steeds de enige branchepublicatie in Noord-Amerika en is het de meest vertrouwde informatiebron voor slangenprofessionals geworden.
Volledige digitale toegang tot The FABRICATOR is nu beschikbaar, waardoor u eenvoudig toegang krijgt tot waardevolle industriële bronnen.
Volledige digitale toegang tot The Tube & Pipe Journal is nu beschikbaar, waardoor u eenvoudig toegang krijgt tot waardevolle bronnen uit de sector.
Geniet van volledige digitale toegang tot STAMPING Journal, het markttijdschrift voor metaalstempels met de nieuwste technologische ontwikkelingen, best practices en nieuws uit de sector.
Volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español is nu beschikbaar, waardoor u eenvoudig toegang krijgt tot waardevolle bronnen uit de sector.
In het tweede deel van onze tweedelige show met Adam Heffner, winkeleigenaar en oprichter in Nashville...
Posttijd: 27 januari 2023