鋼管およびパイプの冶金学を理解する

さまざまな試験プロトコル (ブリネル、ロックウェル、ビッカース) には、試験対象の項目に固有の手順があります。 ロックウェル T テストは、チューブを長さ方向に切断し、外径ではなく内径から壁をテストすることにより、ライトウォール チューブをチェックするように適合されています。

チューブの注文は、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。 最近では多くのオプションが利用できるため、購入者は内外装の色、内装トリム パッケージ、外装スタイルのオプション、ドライブトレインの選択、ホーム エンターテイメント システムに匹敵するサウンド システムなど、あらゆる方法で車両をカスタマイズできます。 これらすべての選択肢を考慮すると、おそらく標準的な、飾り気のない車では満足できないでしょう。

鋼管ってそういうものです。 何千もの選択肢や仕様が用意されています。 寸法はさておき、仕様では化学的性質や、最小降伏強さ (MYS)、極限引張強さ (UTS)、破断前の最小伸びなどのいくつかの機械的特性が求められます。 しかし、業界のエンジニア、購買代理店、製造業者の多くは、業界で受け入れられている略記法を使用し、「プレーン」溶接チューブを要求し、特性を 1 つだけ指定しています。それは硬度です。

単一の特性 (「オートマチック トランスミッション付きの車が必要」) に基づいて車を注文してみてください。そうすれば、セールスマンとあまり話が進まないでしょう。 彼は注文フォームに記入する必要があり、そこには多くのオプションがあります。 スチールチューブも同様です。用途に適したチューブを入手するには、チューブメーカーは硬度だけでなく、より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? それは真空管メーカーから始まったのかもしれない。 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、チューブの販売員は 2 つのチューブを比較するために硬度テストをよく使用していました。 硬さ試験を行うには、チューブの滑らかな部分と試験スタンドが必要でした。

チューブの硬度は UTS とよく相関しており、そこから経験則、パーセンテージまたはパーセンテージの範囲が MYS の推定に役立つため、硬度テストが他の特性の適切な代用としてどのように定着したかが簡単にわかります。

また、他のテストは比較的複雑です。 硬さ試験は 1 台の機械でわずか 1 分程度で完了しますが、MYS、UTS、伸び試験で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。 比較として、チューブミルのオペレーターによる硬さ試験には数秒、専任の冶金技術者による引張試験には数時間かかると考えてください。 硬度チェックを行うことは難しくありません。

これは、加工チューブのメーカーが硬度試験を使用していないと言っているわけではありません。 ほとんどの企業がそうし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でゲージの再現性と再現性の評価を実行しているため、テストの限界をよく認識しています。 ほとんどの場合、製造プロセスの一部としてチューブの硬度を評価しますが、チューブの特性を定量化するためにそれを使用することはありません。 それは単にゴーかノーゴーかのテストです。

MYS、UTS、最小伸びを知る必要があるのはなぜですか? これらは、アセンブリ内でチューブがどのように機能するかを示します。

MYS は、材料に永久変形を引き起こす最小の力を指します。 コート ハンガーなどの真っ直ぐなワイヤーを少しだけ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。 まだ真っ直ぐであれば、MYSを超えていません。 曲がったままの場合は、それを超えています。

次に、ワイヤーの両端をペンチでつかみます。 ワイヤーを 2 つの部分に引き裂くことができれば、UTS を超えています。 かなりの張力をかけて、超人的な努力を示すために 2 つの長さのワイヤーを用意しました。 ワイヤの元の長さが 5 インチで、破損後の 2 つの長さを合計すると 6 インチになった場合、ワイヤは 1 インチ、つまり 20% 伸びたことになります。 実際の伸び試験では破損点から 2 インチ以内の測定が行われますが、問題はありません。ワイヤ引っ張りの概念が UTS を示しています。

鋼の顕微鏡写真サンプルでは、​​粒子を見えるようにするために、切断、研磨、弱酸性溶液 (通常は硝酸とアルコール (ナイタール)) によるエッチングが必要です。 鋼粒子を検査し、粒子サイズを決定するには、倍率 100 倍が一般的です。

硬度は、材料が衝撃にどのように反応するかをテストします。 鋸歯状のジョーを備えた万力に短いチューブを入れ、クランキングして万力を閉じることを想像してください。 チューブを平らにすることに加えて、万力のジョーはチューブの表面に痕跡を残します。

硬度試験も同様に機能しますが、それほど大雑把ではありません。 このテストでは、衝撃の大きさと圧力が制御されます。 これらの力により表面が変形し、へこみや印象ができます。 圧痕の大きさや深さによって金属の硬さが決まります。

鋼を評価するための一般的な硬さ試験は、ブリネル、ビッカース、ロックウェルです。 それぞれに独自のスケールがあり、ロックウェル A、B、C などのさまざまな試験方法を持つものもあります。鋼管の場合、ASTM 仕様 A513 ではロックウェル B 試験 (略称 HRB または RB) が引用されています。 ロックウェル B テストでは、小さな予荷重を加えた場合と 100 キログラムの力の大きな荷重を加えた場合との間で、直径 1/16 インチの鋼球による鋼への貫入の差を測定します。 標準的な低炭素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、特定の硬度によって UTS が予測されます。 同様に、真空管メーカーは、MYS と UTS が関連していることを知っています。 溶接されたままのチューブの場合、MYS は通常 UTS の 70 ～ 85 パーセントです。 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、60,000 ポンド/平方インチ (PSI) の UTS とその約 80 パーセント、つまり 48,000 PSI の MYS に相関します。

一般的な製造における最も一般的なチューブ仕様は最大硬度です。 寸法とは別に、エンジニアは良好な動作範囲内で溶接されたままの電気抵抗溶接機 (ERW) チューブを指定することに関心を持っており、その結果、コンポーネント部品の図面上におそらく HRB 60 の最大硬度が記載される可能性があります。 この決定だけで、硬度自体を含むさまざまな機械的特性が得られます。

まず、HRB 60 という硬度ではあまり意味がありません。 読み取り値の HRB 60 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、どれくらいですか? 体積 (デシベルで測定)、トルク (ポンドフィートで測定)、速度 (時間に対する相対的な距離として測定)、UTS (ポンド/平方インチで測定) のように定量化できません。 HRB 60 という測定値からは、具体的なことは何もわかりません。 素材の特性であり、物性ではありません。 第二に、硬度試験は再現性や再現性にあまり適していません。 試験片上の 2 つの位置を評価すると、試験位置が互いに近い場合でも、硬度の読み取り値が大きく異なることがよくあります。 この問題をさらに複雑にするのが、テストの性質です。 位置を測定した後、結果を確認するために再度測定することはできません。 テストの再現性は不可能です。

これは、硬度試験が便利ではないという意味ではありません。 実際、これはマテリアルの UTS への優れたガイドを提供し、迅速かつ簡単に実行できるテストです。 ただし、チューブの指定、購入、製造に関わる人は全員、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。

「プレーン」チューブはあまり明確に定義されていないため、要求された場合、チューブのメーカーは多くの場合、最も一般的に製造される鋼管および ASTM A513 で定義されている鋼管タイプの 2 つに絞り込みます: 1008 および 1010。他のすべてを除外した後でも、チューブタイプの場合、これら 2 つのチューブタイプの機械的特性の可能性は大きく開かれています。 実際、これらのタイプのチューブは、あらゆるタイプのチューブの中で最も幅広い機械的特性を備えています。

たとえば、MYS が低く、伸びが高い場合、そのチューブは柔らかいと表現されます。これは、MYS が比較的高く、伸びが比較的低い硬いと表現されるチューブよりも、伸び、たわみ、永久歪みにおいて優れた性能を発揮することを意味します。伸長。 これは、コート ハンガーとドリル ビットなどの柔らかいワイヤーと硬いワイヤーの違いに似ています。

伸び自体も、重要なチューブ用途において大きな違いを生むもう 1 つの問題です。 伸び率の高いチューブは引張力に耐えます。 伸びが低いものはより脆いため、壊滅的な疲労タイプの破損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 は硬度と直接相関する唯一の機械的特性です。

チューブ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、化学反応が異なります。 鋼は、鉄と炭素、およびその他の重要な合金の固溶体です。 簡単にするために、ここでは炭素パーセンテージのみを扱います。 炭素原子が鉄原子の一部を置き換え、鋼の結晶構造を形成します。 ASTM 1008 は包括的な初級グレードで、炭素含有量は 0 ～ 0.10 パーセントです。 ゼロは非常に特別な数字であり、鋼中の炭素が極度に少ない場合に独特の特性を生み出します。 ASTM 1010 では、炭素含有量が 0.08 ～ 0.13 パーセントと定義されています。 これらの違いは大きくないように見えますが、他の場所で大きな違いを生むのに十分な大きさです。

第 2 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 チューブの製造に関する ASTM A513 では、次の 7 つのタイプが規定されています。

1a. 熱間圧延

1b. 熱間圧延、酸洗、油引き

2. 冷間圧延

3. シンク熱間圧延

4. シンク冷間圧延

5. マンドレル上に引抜き加工

6. 特殊な滑らかな内径

鋼の化学的性質とチューブの製造手順が鋼の硬度にまったく影響を与えないとしたら、何が影響するのでしょうか? この質問に答えるには、詳細を詳しく調べる必要があります。 この質問は、さらに 2 つの質問につながります。詳細はどれですか? どの程度近いですか?

鋼を構成する粒子に関する詳細が最初の答えです。 鋼が最初の製鉄所で製造されると、冷えて単一の特性を備えた巨大な塊になることはありません。 鋼が冷えると、雪の結晶が形成されるのと同じように、鋼の分子が繰り返しのパターン (結晶) に組織化されます。 結晶が形成された後、結晶は粒子と呼ばれるグループに集合します。 冷却が進むにつれて粒子が成長し、シートまたはプレート全体に形成されます。 最後の鋼の分子が粒子に吸収されると、粒子の成長が止まります。 これらすべては顕微鏡レベルで起こり、平均的なサイズの鋼粒子は幅約 64 μ または 0.0025 インチです。 それぞれの穀物は他の穀物と似ていますが、同一ではありません。 サイズ、方向、炭素含有量は、個体ごと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って破損する場合、結晶粒界に沿って破損する傾向があります。

粒子を識別できるようにするにはどのくらい近づいて見なければなりませんか? 倍率は 100 倍、つまり人間の視覚の 100 倍で十分です。 ただし、準備されていない鋼を 100 出力で観察するだけでは、多くのことはわかりません。 サンプルは、研磨し、ナイタール エッチングと呼ばれる酸、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。

衝撃強さ、MYS、UTS、および破損する前に鋼が耐えられる伸びの程度を決定するのは、結晶粒とその内部結晶格子です。

ストリップの熱間圧延や冷間圧延などの製鋼ステップは、結晶粒構造に応力を与えます。 形状が永続的に変化する場合、これは応力によって粒子が変形したことを意味します。 鋼をコイルに圧延し、巻き戻し、チューブミルに通す（チューブを形成してサイジングする）などの他の加工ステップでは、スチール粒子が変形します。 マンドレル上でチューブを冷間引抜加工すると、端部の形成や曲げなどの製造ステップと同様に、材料に応力がかかります。 粒子構造の変化は転位と呼ばれます。

前述の手順により、鋼の延性、つまり引張 (引き離し) 応力に耐える能力が使い果たされる可能性があります。 鋼は脆くなり、鋼を加工し続けると破損する可能性が高くなります。 伸びは延性の 1 つの要素です (圧縮率は別の要素です)。 ここで、破損は圧縮時ではなく引張応力時に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。 鋼は比較的高い伸び能力を持っているため、引張応力に対して非常に強いです。 ただし、圧縮応力下の鋼は容易に変形し、展性があるため、それが利点となります。

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逆です。 道路や建物、歩道などに使われるコンクリートには鉄筋が打設されるのが一般的であるのはこのためです。 その結果、両方の材料の長所を生かした製品が生まれます。張力下では鋼が強く、圧縮下ではコンクリートが強くなります。

冷間加工中に鋼の延性が低下すると、硬度が増加します。 言い換えれば、加工硬化するのです。 状況の詳細によっては、これが利点となる場合があります。 ただし、硬度が脆くなるという点で欠点になる可能性があります。 つまり、鋼が硬くなるにつれて、弾性が低くなります。 したがって、失敗する可能性が高くなります。

言い換えれば、各プロセスのステップでチューブの延性の一部が使い果たされます。 作業を重ねるごとに徐々に硬くなっており、硬すぎると基本的には役に立ちません。 硬度は脆さであり、脆いチューブは使用すると破損する可能性があります。

このような場合、製造業者に何か選択肢はあるのでしょうか？ 要するに、そうです。 そのオプションはアニーリングです。これは完全に魔法ではありませんが、できる限り魔法に近いものです。

平たく言えば、アニーリングは物理的ストレスが金属に及ぼす影響をすべて元に戻します。 このプロセスでは金属を応力除去または再結晶温度まで加熱し、転位を根絶します。 これにより、焼きなましプロセスで使用される特定の温度と時間に応じて、このプロセスにより延性の一部またはすべての延性が回復します。

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、意図した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、魔法に近いものです。 適切なタイミングで、適切な焼入れ剤を使用し、適切な温度で焼入れを行うと、プロセスが急速に停止し、鋼の復元された特性が確保されます。

硬度の指定を省略すべきでしょうか? いいえ。鋼管を指定する場合、硬度特性は主に基準点として重要です。 有用な測定である硬度は、管状材料を注文するときに指定し、出荷品を受け取るときに確認する必要があるいくつかの特性の 1 つです (出荷ごとに記録する必要があります)。 硬度チェックが検査基準である場合、適切な目盛値と管理限界が必要です。

ただし、これは資料を認定 (合格または拒否) するために使用される真のテストではありません。 硬度に加えて、製造業者は、チューブの用途に応じて、MYS、UTS、最小伸びなどのその他の関連特性を決定するために、出荷品のテストを時々行う必要があります。

Wynn H. Kearns は、Indiana Tube Corp.、2100 Lexington Road、Evansville、IN 47720、812-424-9028、[email protected]、www.indianatube.com の地域販売を担当します。