Jedes Testprotokoll (Brinell, Rockwell, Vickers) verfügt über spezifische Verfahren für das zu testende Objekt.

Jedes Testprotokoll (Brinell, Rockwell, Vickers) verfügt über spezifische Verfahren für das zu testende Objekt.Der Rockwell-T-Test eignet sich zum Testen dünnwandiger Rohre, indem das Rohr der Länge nach durchgeschnitten und die Rohrwand anhand des Innendurchmessers und nicht anhand des Außendurchmessers überprüft wird.
Das Bestellen von Rohren ist ein bisschen so, als würde man zu einem Autohändler gehen und ein Auto oder einen LKW bestellen.Mittlerweile steht eine Fülle von Optionen zur Verfügung, mit denen Käufer das Auto auf vielfältige Weise individuell gestalten können – Innen- und Außenfarben, Ausstattungspakete, Optionen für das Außendesign, Antriebsstrangoptionen und ein Audiosystem, das fast so gut ist wie ein Home-Entertainment-System.Bei all diesen Optionen werden Sie wahrscheinlich nicht mit einem Standardauto ohne Schnickschnack zufrieden sein.
Dies gilt für Stahlrohre.Es gibt Tausende von Optionen oder Spezifikationen.Zusätzlich zu den Abmessungen werden in der Spezifikation chemische Eigenschaften und verschiedene mechanische Eigenschaften wie Mindeststreckgrenze (MYS), Höchstzugfestigkeit (UTS) und Mindestdehnung bis zum Versagen genannt.Viele in der Branche – Ingenieure, Einkäufer und Hersteller – verwenden jedoch die Abkürzung der Branche und fordern „einfache“ geschweißte Rohre und nennen nur eine Eigenschaft: Härte.
Versuchen Sie, ein Auto nach einem Merkmal zu bestellen („Ich brauche ein Auto mit Automatikgetriebe“), und mit dem Verkäufer werden Sie nicht weit kommen.Er muss ein Formular mit vielen Optionen ausfüllen.Dies ist bei Stahlrohren der Fall: Um ein für eine Anwendung geeignetes Rohr zu erhalten, benötigt ein Rohrhersteller weit mehr Informationen als nur die Härte.
Wie wurde Härte zu einem akzeptierten Ersatz für andere mechanische Eigenschaften?Es begann wahrscheinlich mit den Rohrherstellern.Da die Härteprüfung schnell und einfach ist und eine relativ kostengünstige Ausrüstung erfordert, verwenden Rohrverkäufer häufig die Härteprüfung, um zwei Rohrtypen zu vergleichen.Für die Härteprüfung benötigen sie lediglich ein glattes Rohrstück und einen Prüfstand.
Die Rohrhärte steht in engem Zusammenhang mit UTS und eine Faustregel (Prozentsatz oder Prozentbereich) ist für die Schätzung von MYS hilfreich, sodass leicht erkennbar ist, wie die Härteprüfung ein geeigneter Indikator für andere Eigenschaften sein kann.
Darüber hinaus sind andere Tests relativ schwierig.Während die Härteprüfung auf einer einzigen Maschine nur etwa eine Minute dauert, erfordern MYS-, UTS- und Dehnungsprüfungen eine Probenvorbereitung und erhebliche Investitionen in große Laborgeräte.Im Vergleich dazu führt ein Rohrwerksbetreiber eine Härteprüfung in Sekunden durch, während ein spezialisierter Metallurge eine Zugprüfung in wenigen Stunden durchführt.Die Durchführung einer Härteprüfung ist nicht schwierig.
Dies bedeutet nicht, dass Hersteller von technischen Rohren keine Härteprüfungen verwenden.Man kann mit Sicherheit sagen, dass die Mehrheit dies tut, aber da sie die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Instrumenten über alle Testgeräte hinweg bewerten, sind sie sich der Einschränkungen des Tests bewusst.Die meisten von ihnen verwenden es, um die Härte des Rohrs im Rahmen des Herstellungsprozesses zu bewerten, verwenden es jedoch nicht, um die Eigenschaften des Rohrs zu quantifizieren.Es handelt sich lediglich um einen Pass/Fail-Test.
Warum muss ich MYS, UTS und Mindestdehnung kennen?Sie geben die Leistung der Rohrbaugruppe an.
MYS ist die Mindestkraft, die eine bleibende Verformung des Materials hervorruft.Wenn Sie versuchen, ein gerades Stück Draht (z. B. einen Kleiderbügel) leicht zu biegen und den Druck nachzulassen, geschieht eines von zwei Dingen: Es kehrt in seinen ursprünglichen Zustand (gerade) zurück oder bleibt gebogen.Wenn es immer noch gerade ist, haben Sie MYS noch nicht überstanden.Wenn es immer noch verbogen ist, haben Sie es verpasst.
Fassen Sie nun beide Enden des Drahtes mit einer Zange.Wenn Sie einen Draht in zwei Hälften brechen können, haben Sie UTS überstanden.Du ziehst kräftig daran und hast zwei Stücke Draht, um deine übermenschlichen Bemühungen zu zeigen.Wenn die ursprüngliche Länge des Drahtes 5 Zoll betrug und sich die beiden Längen nach dem Ausfall auf 6 Zoll addieren, dehnt sich der Draht um 1 Zoll oder 20 %.Tatsächliche Zugversuche werden innerhalb von 2 Zoll vom Bruchpunkt gemessen, aber egal was passiert – das Konzept der Linienspannung veranschaulicht UTS.
Stahlmikroskopproben müssen geschnitten, poliert und mit einer schwach sauren Lösung (normalerweise Salpetersäure und Alkohol) geätzt werden, um die Körner sichtbar zu machen.Eine 100-fache Vergrößerung wird üblicherweise zur Inspektion von Stahlkörnern und zur Bestimmung ihrer Größe verwendet.
Die Härte ist ein Test dafür, wie ein Material auf Stöße reagiert.Stellen Sie sich vor, dass ein kurzes Stück Schlauch in einen Schraubstock mit gezahnten Backen gelegt und geschüttelt wird, um den Schraubstock zu schließen.Zusätzlich zur Ausrichtung des Rohrs hinterlassen Schraubstockbacken einen Abdruck auf der Rohroberfläche.
So funktioniert der Härtetest, allerdings ist er nicht so grob.Der Test hat eine kontrollierte Schlaggröße und einen kontrollierten Druck.Diese Kräfte verformen die Oberfläche und bilden Vertiefungen oder Vertiefungen.Die Größe bzw. Tiefe der Delle bestimmt die Härte des Metalls.
Bei der Beurteilung von Stahl werden üblicherweise Brinell-, Vickers- und Rockwell-Härteprüfungen verwendet.Jeder hat seine eigene Skala und einige von ihnen verfügen über mehrere Testmethoden wie Rockwell A, B, C usw. Für Stahlrohre bezieht sich die ASTM A513-Spezifikation auf den Rockwell B-Test (abgekürzt als HRB oder RB).Der Rockwell-Test B misst den Unterschied in der Eindringkraft einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1⁄16 Zoll in Stahl zwischen einer leichten Vorspannung und einer Grundlast von 100 kgf.Ein typisches Ergebnis für Standard-Baustahl ist HRB 60.
Materialwissenschaftler wissen, dass die Härte einen linearen Zusammenhang mit der UTS hat.Daher sagt die gegebene Härte UTS voraus.Ebenso weiß der Rohrhersteller, dass MYS und UTS zusammenhängen.Bei geschweißten Rohren beträgt MYS typischerweise 70 % bis 85 % UTS.Die genaue Menge hängt vom Rohrherstellungsprozess ab.Die Härte von HRB 60 entspricht UTS 60.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI) und etwa 80 % MYS, also 48.000 PSI.
Die gebräuchlichste Rohrspezifikation für die allgemeine Produktion ist maximale Härte.Neben der Größe sind Ingenieure auch daran interessiert, widerstandsgeschweißte (ERW) Rohre innerhalb eines guten Betriebsbereichs zu spezifizieren, was zu Teilezeichnungen mit einer möglichen maximalen Härte von HRB 60 führen kann. Allein diese Entscheidung führt zu einer Reihe mechanischer Endeigenschaften, einschließlich der Härte selbst.
Erstens sagt uns die Härte von HRB 60 nicht viel.Der HRB 60-Wert ist eine dimensionslose Zahl.Mit HRB 59 bewertete Materialien sind weicher als die mit HRB 60 getesteten, und HRB 61 ist härter als HRB 60, aber um wie viel?Es kann nicht wie Volumen (gemessen in Dezibel), Drehmoment (gemessen in Pfund-Fuß), Geschwindigkeit (gemessen in Entfernung gegenüber der Zeit) oder UTS (gemessen in Pfund pro Quadratzoll) quantifiziert werden.Die Lektüre von HRB 60 sagt uns nichts Konkretes.Es handelt sich um eine materielle Eigenschaft, nicht um eine physische Eigenschaft.Zweitens ist die Bestimmung der Härte allein nicht gut geeignet, um Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit sicherzustellen.Die Auswertung zweier Stellen einer Probe führt häufig zu sehr unterschiedlichen Härtewerten, selbst wenn die Prüfstellen nahe beieinander liegen.Die Art der Tests verschärft dieses Problem.Nach einer Positionsmessung kann keine zweite Messung zur Überprüfung des Ergebnisses durchgeführt werden.Eine Wiederholbarkeit des Tests ist nicht möglich.
Dies bedeutet nicht, dass die Härtemessung unpraktisch ist.Eigentlich ist dies ein guter Leitfaden für UTS-Themen und ein schneller und einfacher Test.Allerdings sollte sich jeder, der an der Definition, Beschaffung und Herstellung von Rohren beteiligt ist, deren Grenzen als Prüfparameter bewusst sein.
Da „normale“ Rohre nicht klar definiert sind, beschränken Rohrhersteller sie in der Regel auf die beiden am häufigsten verwendeten Stahl- und Rohrarten, wie in ASTM A513:1008 und 1010 definiert, sofern angemessen.Auch nach Ausschluss aller anderen Rohrtypen bleiben die Möglichkeiten für die mechanischen Eigenschaften dieser beiden Rohrtypen offen.Tatsächlich weisen diese Rohrtypen von allen Rohrtypen das größte Spektrum an mechanischen Eigenschaften auf.
Beispielsweise gilt ein Schlauch als weich, wenn MYS niedrig und die Dehnung hoch ist, was bedeutet, dass er hinsichtlich Dehnung, Verformung und bleibender Verformung eine bessere Leistung erbringt als ein als starr beschriebener Schlauch, der einen relativ hohen MYS und eine relativ geringe Dehnung aufweist ..Dies ähnelt dem Unterschied zwischen weichem und hartem Draht wie Kleiderbügeln und Bohrern.
Die Dehnung selbst ist ein weiterer Faktor, der erhebliche Auswirkungen auf kritische Rohranwendungen hat.Rohre mit hoher Dehnung können einer Dehnung standhalten;Materialien mit geringer Dehnung sind spröder und daher anfälliger für katastrophale Ermüdungsausfälle.Allerdings steht die Dehnung nicht in direktem Zusammenhang mit UTS, der einzigen mechanischen Eigenschaft, die direkt mit der Härte zusammenhängt.
Warum unterscheiden sich Rohre so stark in ihren mechanischen Eigenschaften?Erstens ist die chemische Zusammensetzung unterschiedlich.Stahl ist eine feste Lösung aus Eisen und Kohlenstoff sowie anderen wichtigen Legierungen.Der Einfachheit halber befassen wir uns nur mit dem Kohlenstoffanteil.Die Kohlenstoffatome ersetzen einen Teil der Eisenatome und erzeugen so die kristalline Struktur des Stahls.ASTM 1008 ist eine umfassende Primärsorte mit einem Kohlenstoffgehalt von 0 % bis 0,10 %.Null ist eine besondere Zahl, die einzigartige Eigenschaften bei einem extrem niedrigen Kohlenstoffgehalt im Stahl bietet.ASTM 1010 definiert einen Kohlenstoffgehalt von 0,08 % bis 0,13 %.Diese Unterschiede scheinen nicht groß zu sein, aber sie reichen aus, um anderswo einen großen Unterschied zu machen.
Zweitens können Stahlrohre in sieben verschiedenen Herstellungsverfahren hergestellt bzw. hergestellt und anschließend verarbeitet werden.ASTM A513 zur Herstellung von ERW-Rohren listet sieben Typen auf:
Wenn die chemische Zusammensetzung von Stahl und die Phasen der Rohrherstellung keinen Einfluss auf die Härte von Stahl haben, was dann?Die Antwort auf diese Frage erfordert eine sorgfältige Untersuchung der Details.Diese Frage führt zu zwei weiteren Fragen: Welche Details und wie nah?
Detaillierte Informationen über die Körner, aus denen Stahl besteht, sind die erste Antwort.Wenn Stahl in einem Primärwalzwerk hergestellt wird, kühlt er nicht zu einer riesigen Masse mit einer Eigenschaft ab.Wenn Stahl abkühlt, bilden seine Moleküle sich wiederholende Muster (Kristalle), ähnlich wie Schneeflocken.Nach der Kristallbildung werden sie zu Gruppen zusammengefasst, die als Körner bezeichnet werden.Wenn die Körner abkühlen, wachsen sie und bilden das gesamte Blatt oder die gesamte Platte.Das Kornwachstum stoppt, wenn das letzte Stahlmolekül vom Korn absorbiert wird.Dies geschieht alles auf mikroskopischer Ebene, wobei ein mittelgroßes Stahlkorn einen Durchmesser von etwa 64 Mikrometern oder 0,0025 Zoll hat.Obwohl jedes Korn dem anderen ähnelt, sind sie nicht gleich.Sie unterscheiden sich geringfügig in Größe, Ausrichtung und Kohlenstoffgehalt.Die Grenzflächen zwischen Körnern werden Korngrenzen genannt.Wenn Stahl versagt, zum Beispiel aufgrund von Ermüdungsrissen, neigt er dazu, an den Korngrenzen zu versagen.
Wie genau muss man hinsehen, um einzelne Teilchen zu erkennen?Eine 100-fache Vergrößerung bzw. die 100-fache Sehschärfe des menschlichen Auges ist ausreichend.Eine bloße Betrachtung von Rohstahl bis zur 100. Potenz bringt jedoch nicht viel.Proben werden durch Polieren der Probe und Ätzen der Oberfläche mit einer Säure, normalerweise Salpetersäure und Alkohol, vorbereitet, was als Salpetersäureätzen bezeichnet wird.
Es sind die Körner und ihr inneres Gitter, die die Schlagfestigkeit, MYS, UTS und die Dehnung bestimmen, die der Stahl vor dem Versagen aushalten kann.
Stahlherstellungsschritte wie Warm- und Kaltbandwalzen übertragen Spannungen auf die Kornstruktur;Wenn sie ständig ihre Form ändern, bedeutet dies, dass die Belastung die Körner deformiert hat.Andere Verarbeitungsschritte wie das Aufwickeln des Stahls zu Spulen, das Abwickeln und das Durchlaufen einer Rohrmühle (zur Formung des Rohrs und der Größe) verformen die Stahlkörner.Auch das Kaltziehen des Rohres auf dem Dorn belastet das Material, ebenso wie die Fertigungsschritte wie Endenumformen und Biegen.Veränderungen in der Kornstruktur werden als Versetzungen bezeichnet.
Die oben genannten Schritte beeinträchtigen die Duktilität des Stahls und seine Fähigkeit, Zugbeanspruchung (Reißbeanspruchung) standzuhalten.Stahl wird spröde, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs größer ist, wenn Sie weiter mit dem Stahl arbeiten.Dehnung ist eine Komponente der Plastizität (Kompressibilität eine andere).Hierbei ist es wichtig zu verstehen, dass Versagen am häufigsten bei Zug und nicht bei Druck auftritt.Stahl ist aufgrund seiner relativ hohen Dehnung recht zugfest.Allerdings verformt sich Stahl unter Druckbelastung leicht – er ist formbar – was ein Vorteil ist.
Vergleichen Sie dies mit Beton, der eine sehr hohe Druckfestigkeit, aber eine geringe Duktilität aufweist.Diese Eigenschaften sind denen von Stahl entgegengesetzt.Aus diesem Grund wird Beton für Straßen, Gebäude und Gehwege häufig verstärkt.Das Ergebnis ist ein Produkt, das die Stärken beider Materialien vereint: Stahl ist zugfest und Beton ist druckfest.
Beim Härten nimmt die Duktilität des Stahls ab und seine Härte nimmt zu.Mit anderen Worten: Es verhärtet sich.Je nach Situation kann dies ein Vorteil, aber auch ein Nachteil sein, da Härte gleichbedeutend mit Sprödigkeit ist.Das heißt, je härter der Stahl, desto weniger elastisch ist er und desto wahrscheinlicher ist es, dass er versagt.
Mit anderen Worten: Jeder Schritt des Prozesses erfordert eine gewisse Duktilität des Rohrs.Mit der Bearbeitung wird das Teil schwerer, und wenn es zu schwer ist, ist es im Prinzip unbrauchbar.Härte ist Sprödigkeit, und spröde Rohre neigen während des Gebrauchs zum Versagen.
Hat der Hersteller in diesem Fall Optionen?Kurz gesagt, ja.Diese Option ist glühend, und obwohl sie nicht gerade magisch ist, ist sie doch so magisch, wie es nur sein kann.
Vereinfacht ausgedrückt beseitigt das Glühen alle Auswirkungen physischer Einwirkungen auf Metalle.Dabei wird das Metall auf eine Spannungsabbau- oder Rekristallisationstemperatur erhitzt, wodurch Versetzungen entfernt werden.Somit stellt der Prozess die Duktilität teilweise oder vollständig wieder her, abhängig von der spezifischen Temperatur und Zeit, die im Glühprozess verwendet wird.
Glühen und kontrollierte Abkühlung fördern das Kornwachstum.Dies ist von Vorteil, wenn das Ziel darin besteht, die Sprödigkeit des Materials zu verringern, ein unkontrolliertes Kornwachstum kann das Metall jedoch zu stark erweichen und es für den vorgesehenen Verwendungszweck unbrauchbar machen.Das Stoppen des Glühvorgangs ist eine weitere fast magische Sache.Durch Abschrecken bei der richtigen Temperatur mit dem richtigen Härtemittel zur richtigen Zeit wird der Prozess schnell gestoppt und die Eigenschaften des Stahls wiederhergestellt.
Sollten wir auf Härteangaben verzichten?NEIN.Die Härteeigenschaften sind vor allem als Anhaltspunkt für die Bestimmung der Eigenschaften von Stahlrohren wertvoll.Die Härte ist ein nützliches Maß und eine von mehreren Eigenschaften, die bei der Bestellung von Rohrmaterial angegeben und beim Empfang überprüft (für jede Lieferung dokumentiert) werden sollten.Wenn ein Härtetest als Prüfstandard verwendet wird, muss dieser über entsprechende Skalenwerte und Kontrollgrenzen verfügen.
Dies ist jedoch kein echter Test für das Bestehen (Annahme oder Ablehnung) des Materials.Zusätzlich zur Härte sollten Hersteller ihre Sendungen von Zeit zu Zeit überprüfen, um je nach Rohranwendung andere relevante Eigenschaften wie MYS, UTS oder Mindestdehnung zu ermitteln.
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