各テスト プロトコル (ブリネル、ロックウェル、ビッカース) には、テスト対象のオブジェクトに固有の手順があります。

各テスト プロトコル (ブリネル、ロックウェル、ビッカース) には、テスト対象のオブジェクトに固有の手順があります。ロックウェル t 検定は、パイプを長さ方向に切断し、外径ではなく内径でパイプ壁をチェックすることにより、薄肉パイプをテストするのに役立ちます。
パイプの注文は、自動車ディーラーに行って車やトラックを注文するのと似ています。現在では、内外装の色、トリムパッケージ、外装スタイリングのオプション、パワートレインの選択、ホームエンターテイメントシステムとほぼ同等のオーディオシステムなど、購入者がさまざまな方法で車をカスタマイズできるオプションが豊富に用意されています。これらすべてのオプションを考慮すると、おそらく、飾り気のない標準的な車では満足できないでしょう。
これは鋼管にも当てはまります。何千ものオプションや仕様があります。この仕様では、寸法に加えて、化学的特性と、最小降伏強さ (MYS)、極限引張強さ (UTS)、最小破断伸びなどのいくつかの機械的特性についても言及しています。しかし、業界のエンジニア、購買代理店、製造業者の多くは、業界の略語を使用して「単純な」溶接パイプを求め、特性を 1 つだけ挙げています。それは硬度です。
1つの特性（「オートマチックトランスミッションを備えた車が必要です」）に従って車を注文するようにしてください。売り手と一緒に注文することはできません。彼は多くのオプションを含むフォームに記入する必要があります。これは鋼管の場合にも当てはまります。用途に適した鋼管を入手するには、鋼管メーカーは硬度よりもはるかに多くの情報を必要とします。
硬度はどのようにして他の機械的特性の代替として受け入れられるようになったのでしょうか?おそらくパイプメーカーから始まったと思われます。硬度試験は迅速かつ簡単で、比較的安価な機器が必要なため、パイプ販売者は 2 種類のパイプを比較するために硬度試験を使用することがよくあります。硬度試験の実行に必要なのは、滑らかなパイプと試験装置だけです。
パイプの硬度は UTS と密接に関連しており、経験則 (パーセントまたはパーセントの範囲) は MYS を推定するのに役立つため、硬度試験が他の特性の適切な代用となり得ることが簡単にわかります。
さらに、他のテストは比較的難しいです。硬さ試験は 1 台の機械で約 1 分しかかかりませんが、MYS、UTS、伸び試験にはサンプルの準備と大規模な実験室設備への多額の投資が必要です。比較すると、パイプミルのオペレーターは数秒で硬さ試験を完了しますが、専門の冶金学者は数時間で引張試験を実行します。硬さ試験の実施は難しくありません。
これは、エンジニアリングパイプメーカーが硬度試験を使用していないという意味ではありません。大多数がこれを行っていると言っても過言ではありませんが、彼らはすべてのテスト機器にわたる機器の再現性と再現性を評価するため、テストの限界を十分に認識しています。ほとんどの企業は、製造プロセスの一部としてチューブの硬度を評価するためにこれを使用しますが、チューブの特性を定量化するためには使用しません。それは単なる合否テストです。
MYS、UTS、最小伸びを知る必要があるのはなぜですか?チューブアセンブリの性能を示します。
MYS は、材料に永久変形を引き起こす最小の力です。真っ直ぐなワイヤー (ハンガーなど) を少し曲げて圧力を緩めようとすると、元の状態 (真っ直ぐ) に戻るか、曲がったままになるかの 2 つのうちのいずれかが起こります。まだまっすぐな場合は、まだMYSを克服していません。まだ曲がっている場合は、失敗しています。
次に、ワイヤーの両端をペンチでつかみます。ワイヤーを半分に切断できれば、UTS を通過できたことになります。強く引っ張ると、超人的な努力を示す 2 本のワイヤーが得られます。ワイヤーの元の長さが 5 インチで、破損後の 2 つの長さが合計して 6 インチになった場合、ワイヤーは 1 インチ、つまり 20% 伸びることになります。実際の引張試験はブレークポイントから 2 インチ以内で測定されますが、それが何であれ、ライン張力の概念は UTS を表しています。
鋼の顕微鏡写真標本を切断、研磨し、弱酸性溶液 (通常は硝酸とアルコール) でエッチングして粒子を見えるようにする必要があります。100 倍の倍率は、鋼粒子を検査してそのサイズを決定するために一般的に使用されます。
硬度は、材料が衝撃に対してどのように反応するかをテストします。短い長さのチューブを鋸歯状のジョーを備えた万力に置き、振って万力を閉じることを想像してください。万力のジョーは、パイプの位置を揃えるだけでなく、パイプの表面に痕跡を残します。
硬度テストはこのように行われますが、それほど荒くはありません。このテストでは、衝撃サイズと圧力が制御されます。これらの力により表面が変形し、くぼみやくぼみが形成されます。へこみの大きさや深さによって金属の硬さが決まります。
鋼を評価する場合、ブリネル、ビッカース、ロックウェルの硬さ試験が一般的に使用されます。それぞれに独自のスケールがあり、ロックウェル A、B、C などの複数の試験方法を持つものもあります。鋼管の場合、ASTM A513 仕様はロックウェル B 試験 (HRB または RB と略称) を指します。ロックウェル テスト B では、軽い予荷重と 100 kgf の基本荷重の間で、直径 1/16 インチの鋼球の鋼への貫入力の差を測定します。標準的な軟鋼の典型的な結果は HRB 60 です。
材料科学者は、硬度が UTS と直線的な関係があることを知っています。したがって、指定された硬度によって UTS が予測されます。同様に、パイプ製造業者は、MYS と UTS が関連していることを知っています。溶接パイプの場合、MYS は通常 70% ～ 85% UTS です。正確な量はチューブの製造プロセスによって異なります。HRB 60 の硬度は、UTS 60,000 ポンド/平方インチ (PSI) および MYS の約 80%、つまり 48,000 PSI に相当します。
一般的な生産における最も一般的なパイプ仕様は最大硬度です。エンジニアは、サイズに加えて、抵抗溶接 (ERW) パイプを良好な動作範囲内で指定することにも関心を持っています。これにより、HRB 60 の最大硬度を持つ部品の図面が得られる可能性があります。この決定だけで、多くの機械的端部特性が決まります。硬さ自体も含めて。
まず、HRB 60 の硬度からはあまりわかりません。HRB 60 の読み取り値は無次元数です。HRB 59 で評価された材料は HRB 60 でテストされた材料よりも柔らかく、HRB 61 は HRB 60 よりも硬いですが、どれくらいでしょうか?体積 (デシベルで測定)、トルク (ポンドフィートで測定)、速度 (距離と時間で測定)、UTS (ポンド/平方インチで測定) のように定量化することはできません。HRB 60 を読んでも、具体的なことは何もわかりません。それは物質的な性質であり、物理的な性質ではありません。第二に、硬度の測定自体は再現性や再現性を確保するのにはあまり適していません。サンプル上の 2 つの部位を評価すると、試験部位が互いに近接している場合でも、多くの場合、硬度の測定値は大きく異なります。テストの性質により、この問題はさらに悪化します。1 回の位置測定後、結果を確認するために 2 回目の測定を行うことはできません。テストの再現性は不可能です。
これは、硬度測定が不便であることを意味するものではありません。実際、これは UTS に関する優れたガイドであり、素早く簡単なテストです。ただし、チューブの定義、調達、製造に関わる人は、テストパラメータとしての限界を認識しておく必要があります。
「通常の」パイプは明確に定義されていないため、パイプメーカーは通常、必要に応じて ASTM A513:1008 および 1010 で定義されている、最も一般的に使用される 2 種類の鋼材とパイプに絞り込みます。他のタイプのパイプをすべて除外した後でも、これら 2 種類のパイプの機械的特性の可能性は依然として残っています。実際、これらのタイプのパイプは、すべてのタイプのパイプの中で最も幅広い機械的特性を持っています。
たとえば、MYS が低く、伸びが高い場合、チューブは柔らかいとみなされます。これは、MYS が比較的高く、伸びが比較的低い硬いと呼ばれるチューブよりも、伸び、変形、永久変形の点で優れた性能を発揮することを意味します。 。。これは、ハンガーやドリルなどの軟線と硬線の違いと似ています。
伸び自体も、重要なパイプ用途に大きな影響を与えるもう 1 つの要因です。高伸びパイプは伸びに耐えます。伸びの低い材料はより脆いため、致命的な疲労破壊が発生しやすくなります。ただし、伸びは UTS とは直接関係せず、UTS は硬度に直接関係する唯一の機械的特性です。
パイプの機械的特性がこれほど大きく異なるのはなぜですか?まず、化学組成が違います。鋼は、鉄と炭素、および他の重要な合金の固溶体です。簡単にするために、炭素の割合のみを扱います。炭素原子は鉄原子の一部を置き換え、鋼の結晶構造を作成します。ASTM 1008 は、炭素含有量が 0% ～ 0.10% の包括的な一次グレードです。ゼロは、鋼中の超低炭素含有量で独自の特性を提供する特別な番号です。ASTM 1010 では、炭素含有量を 0.08% ～ 0.13% と定義しています。これらの違いはそれほど大きなものではないように見えますが、他の場所で大きな違いを生むには十分です。
第二に、鋼管は 7 つの異なる製造プロセスで製造または製造後に加工することができます。ERW パイプの製造に関する ASTM A513 には、次の 7 つのタイプがリストされています。
鋼の化学組成とパイプの製造段階が鋼の硬度に影響を与えないとしたら、どうなるでしょうか?この質問に対する答えは、詳細を注意深く検討することを意味します。この質問は、他の 2 つの質問につながります。詳細はどのようなもので、どれくらい近いものですか?
鋼を構成する粒子に関する詳細な情報が最初の答えです。鋼が主工場で製造されるとき、鋼は 1 つの特性を備えた巨大な塊に冷却されるわけではありません。鋼が冷えるにつれて、その分子は雪の結晶が形成されるのと同じように、繰り返しのパターン (結晶) を形成します。結晶が形成された後、それらは結合されて粒子と呼ばれるグループになります。粒子が冷えるにつれて成長し、シートまたはプレート全体を形成します。鋼の最後の分子が粒子に吸収されると、粒子の成長は停止します。これはすべて顕微鏡レベルで起こり、中程度の大きさの鋼粒子は直径約 64 ミクロンまたは 0.0025 インチです。それぞれの穀物は似ていますが、同じではありません。それらは、サイズ、方向、炭素含有量が互いにわずかに異なります。粒子間の界面を粒界といいます。鋼が疲労亀裂などにより破損する場合、粒界で破損する傾向があります。
明確な粒子を確認するにはどれくらい近くまで見なければなりませんか?人間の目の視力の100倍または100倍の倍率で十分です。しかし、単に生の鋼を 100 乗して見るだけではあまり役に立ちません。サンプルは、サンプルを研磨し、酸 (通常は硝酸とアルコール) で表面をエッチングすることによって準備されます。これは硝酸エッチングと呼ばれます。
衝撃強さ、MYS、UTS、および鋼が破損するまで耐えられる伸びを決定するのは、結晶粒とその内部格子です。
熱間および冷間ストリップ圧延などの製鋼ステップでは、応力が結晶粒構造に伝達されます。形状が常に変化する場合、これは応力によって粒子が変形したことを意味します。鋼をコイルに巻き、巻き戻してチューブミルに通す（チューブを形成しサイズを調整する）などの他の加工ステップでは、鋼粒子が変形します。マンドレル上でのパイプの冷間引抜きも、端部の形成や曲げなどの製造ステップと同様に、材料に応力を加えます。粒子構造の変化は転位と呼ばれます。
上記の手順により、鋼の延性、つまり引張 (引き裂き) 応力に耐える能力が低下します。鋼は脆くなり、鋼を扱い続けると破損する可能性が高くなります。伸びは可塑性の要素の 1 つです (圧縮率は別の要素です)。ここで、破損は圧縮状態ではなく引張状態で発生することが最も多いことを理解することが重要です。鋼は伸び率が比較的高いため、引張応力に対して非常に耐性があります。ただし、鋼は圧縮応力下で容易に変形し、展性があるため、利点があります。
これを、圧縮強度は非常に高いものの延性が低いコンクリートと比較してください。これらの特性は鋼とは反対です。道路、建物、歩道に使用されるコンクリートが強化されることが多いのはこのためです。その結果、鋼は引張に強く、コンクリートは圧縮に強いという、両方の素材の長所を併せ持った製品が誕生しました。
硬化中、鋼の延性は低下し、硬度は増加します。つまり、固まってしまうのです。状況によっては、これは利点にもなりますが、硬度は脆さに等しいため、欠点にもなり得ます。つまり、鋼が硬ければ硬いほど弾性が低くなり、破損する可能性が高くなります。
言い換えれば、プロセスの各ステップにはある程度のパイプの延性が必要です。部品は加工すればするほど重くなりますが、重すぎると原理的に使い物になりません。硬度は脆さであり、脆いチューブは使用中に破損しやすくなります。
この場合メーカーにオプションはあるのでしょうか？要するに、そうです。このオプションはアニーリングであり、まさに魔法のようなものではありませんが、可能な限り魔法のようなものです。
簡単に言えば、焼きなましは金属に対する物理的衝撃の影響をすべて除去します。このプロセスでは、金属は応力除去または再結晶温度まで加熱され、転位が除去されます。したがって、このプロセスは、アニーリングプロセスで使用される特定の温度と時間に応じて、部分的または完全に延性を回復します。
アニーリングと制御された冷却により粒子の成長が促進されます。これは、材料の脆性を軽減することが目的の場合には有益ですが、制御されていない粒子の成長により金属が柔らかくなりすぎて、本来の用途に使用できなくなる可能性があります。アニーリングプロセスを停止することも、ほとんど魔法のようなことです。適切な温度で適切な硬化剤を使用して適切なタイミングで焼入れを行うと、プロセスが迅速に停止され、鋼の特性が回復します。
硬度の仕様を放棄する必要がありますか?いいえ。硬さという特性は、鋼管の特性を決める指標としてまず重要です。硬度は有用な測定値であり、管状材料を注文するときに指定し、受領時に確認する必要があるいくつかの特性の 1 つです (出荷ごとに文書化されます)。硬さ試験を試験基準として使用する場合、適切な目盛り値と管理限界がなければなりません。
ただし、これは資料の合格 (合格または不合格) を判断するための真のテストではありません。硬度に加えて、メーカーは出荷品を時々チェックして、パイプの用途に応じて、MYS、UTS、最小伸びなどの他の関連特性を判断する必要があります。
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