Verständnis der Stahlrohr- und Rohrmetallurgie

Die verschiedenen Prüfprotokolle (Brinell, Rockwell, Vickers) verfügen über Verfahren, die spezifisch für den Prüfgegenstand sind. Der Rockwell-T-Test eignet sich zur Prüfung dünnwandiger Rohre, indem das Rohr der Länge nach durchgeschnitten und die Wand vom Innendurchmesser und nicht vom Außendurchmesser aus geprüft wird.

Die Bestellung von Schläuchen ist ein wenig so, als würde man zu einem Autohändler gehen und ein Auto oder einen LKW bestellen. Die vielen heutzutage verfügbaren Optionen ermöglichen es dem Käufer, das Fahrzeug auf vielfältige Weise individuell zu gestalten – Innen- und Außenfarben, Innenausstattungspakete, Optionen für das Außendesign, Antriebsoptionen und Soundsysteme, die fast mit Home-Entertainment-Systemen mithalten können. Angesichts all dieser Möglichkeiten würden Sie sich wahrscheinlich nicht mit einem Standardfahrzeug ohne Schnickschnack zufrieden geben.

Stahlrohr ist so. Es ist in Tausenden von Optionen oder Spezifikationen erhältlich. Abgesehen von den Abmessungen nennen die Spezifikationen die Chemie und verschiedene mechanische Eigenschaften, wie z. B. die Mindeststreckgrenze (MYS), die Höchstzugfestigkeit (UTS) und die Mindestdehnung vor dem Versagen. Viele in der Branche – Ingenieure, Einkäufer und Hersteller – verwenden jedoch eine branchenübliche Abkürzung und verlangen ein „einfaches“ geschweißtes Rohr und geben nur eine Eigenschaft an: Härte.

Versuchen Sie, ein Auto nach einem einzigen Merkmal zu bestellen („Ich brauche eins mit Automatikgetriebe“), dann kommen Sie mit dem Verkäufer nicht weit. Er muss ein Bestellformular ausfüllen, auf dem viele Optionen stehen. Bei Stahlrohren ist es so: Um das richtige Rohr für die Anwendung zu erhalten, benötigt der Rohrhersteller viel mehr Informationen als nur die Härte.

Wie wurde die Härte zu einem akzeptierten Ersatz für die anderen mechanischen Eigenschaften? Es könnte mit den Röhrenherstellern angefangen haben. Da ein Härtetest schnell und einfach ist und eine relativ kostengünstige Ausrüstung erfordert, verwendeten Rohrverkäufer häufig einen Härtetest, um zwei Rohre zu vergleichen. Für die Härteprüfung benötigten sie lediglich ein glattes Rohrstück und einen Prüfstand.

Die Härte eines Rohrs korreliert gut mit dem UTS, und von dort aus hilft eine Faustregel, ein Prozentsatz oder eine Prozentspanne, bei der Schätzung des MYS, sodass leicht zu erkennen ist, wie sich der Härtetest als geeigneter Indikator für andere Eigenschaften durchgesetzt hat.

Auch die anderen Tests sind relativ kompliziert. Während ein Härtetest auf einem Gerät nur etwa eine Minute dauert, erfordern die MYS-, UTS- und Dehnungstests eine Probenvorbereitung und erhebliche Investitionen in große Laborgeräte. Denken Sie zum Vergleich an Sekunden für einen Härtetest durch einen Rohrmühlenbetreiber und an Stunden für einen Zugtest durch einen engagierten Metallurgietechniker. Eine Härteprüfung durchzuführen ist nicht schwer.

Das soll nicht heißen, dass die Hersteller von technischen Rohren keine Härteprüfungen durchführen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass dies bei den meisten der Fall ist, aber da sie die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messgeräten an allen ihren Testgeräten bewerten, sind sie sich der Grenzen des Tests bewusst. Die meisten verwenden die Härte eines Rohrs im Rahmen des Produktionsprozesses, verwenden sie jedoch nicht zur Quantifizierung der Eigenschaften des Rohrs. Es handelt sich lediglich um einen Go/No-Go-Test.

Warum müssen Sie MYS, UTS und die Mindestdehnung kennen? Sie geben an, wie sich das Rohr in einer Baugruppe verhält.

Der MYS bezieht sich auf die geringste Kraft, die eine dauerhafte Verformung in einem Material verursacht. Wenn Sie versuchen, ein gerades Stück Draht, beispielsweise einen Kleiderbügel, ein wenig zu biegen und den Druck nachzulassen, geschieht eines von zwei Dingen: Es springt in seinen ursprünglichen Zustand (gerade) zurück oder es bleibt gebogen. Wenn es immer noch gerade ist, haben Sie die MYS nicht überschritten. Wenn es verbogen bleibt, haben Sie es überschritten.

Fassen Sie nun beide Enden des Drahtes mit einer Zange an. Wenn Sie den Draht in zwei Teile reißen können, haben Sie seine UTS überschritten. Du übst eine Menge Spannung darauf aus und hast zwei Drahtlängen, die du für deine übermenschliche Anstrengung vorzeigen kannst. Wenn die ursprüngliche Drahtlänge 5 Zoll betrug und sich die beiden Längen nach dem Ausfall auf 6 Zoll addieren, verlängerte sich der Draht um 1 Zoll oder 20 Prozent. Bei einem tatsächlichen Dehnungstest erfolgt eine Messung innerhalb von 2 Zoll vom Bruchpunkt, aber egal – das Drahtzugkonzept veranschaulicht UTS.

Stahlmikroskopische Proben müssen geschnitten, poliert und mit einer leicht sauren Lösung, normalerweise Salpetersäure und Alkohol (Nital), geätzt werden, um die Körner sichtbar zu machen. Zur Untersuchung von Stahlkörnern und zur Bestimmung der Korngröße ist eine 100-fache Vergrößerung üblich.

Die Härte ist ein Test dafür, wie das Material auf einen Aufprall reagiert. Stellen Sie sich vor, Sie spannen ein kurzes Rohrstück in einen Schraubstock mit gezahnten Backen und schließen den Schraubstock. Zusätzlich zum Abflachen des Rohrs hinterlassen die Backen des Schraubstocks Abdrücke auf der Rohroberfläche.

Die Härteprüfung funktioniert so, ist aber nicht so grob. Der Test verfügt über eine kontrollierte Schlaggröße und einen kontrollierten Druck. Diese Kräfte verformen die Oberfläche und hinterlassen eine Vertiefung oder einen Abdruck. Die Größe bzw. Tiefe des Eindrucks bestimmt die Härte des Metalls.

Zur Beurteilung von Stahl sind Brinell-, Vickers- und Rockwell-Härtetests üblich. Jeder hat seine eigene Skala und einige verfügen über verschiedene Testmethoden, wie Rockwell A, B und C. Für Stahlrohre wird in der ASTM-Spezifikation A513 der Rockwell B-Test (abgekürzt HRB oder RB) genannt. Der Rockwell-B-Test misst den Unterschied beim Eindringen einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1⁄16 Zoll in den Stahl zwischen einer geringen aufgebrachten Vorlast und einer großen Last von 100 Kilogramm Kraft. Ein typisches Ergebnis ist HRB 60 für Standardstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.

Materialwissenschaftler wissen, dass die Härte einen linearen Zusammenhang mit der UTS hat. Daher sagt eine gegebene Härte die UTS voraus. Ebenso wissen Röhrenhersteller, dass MYS und UTS miteinander verbunden sind. Bei Rohren im geschweißten Zustand beträgt der MYS normalerweise 70 bis 85 Prozent des UTS. Die genaue Menge hängt vom Verfahren zur Herstellung der Tube ab. Eine Härte von HRB 60 entspricht einem UTS von 60.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI) und ein MYS von etwa 80 Prozent davon, also 48.000 PSI.

Die gebräuchlichste Rohrspezifikation für die allgemeine Fertigung ist maximale Härte. Abgesehen von den Abmessungen geht es den Ingenieuren darum, ein ERW-Rohr im geschweißten Zustand innerhalb eines guten Arbeitsbereichs anzugeben. Dies kann dazu führen, dass in der Bauteilzeichnung eine maximale Härte von vielleicht HRB 60 angezeigt wird. Allein diese Entscheidung führt zu einer Reihe resultierender mechanischer Eigenschaften, einschließlich der Härte selbst.

Erstens sagt uns eine Härte von HRB 60 nicht wirklich viel. Der Messwert HRB 60 ist eine dimensionslose Zahl. Ein bei HRB 59 bewertetes Material ist weicher als ein bei HRB 60 getestetes Material, und HRB 61 ist härter als HRB 60, aber um wie viel? Es ist nicht quantifizierbar wie Volumen (gemessen in Dezibel), Drehmoment (gemessen in Pfund-Fuß), Geschwindigkeit (gemessen als Distanz relativ zur Zeit) oder UTS (gemessen in Pfund pro Quadratzoll). Der Messwert HRB 60 sagt uns nichts Konkretes. Es ist eine Eigenschaft des Materials, aber keine physikalische Eigenschaft. Zweitens eignet sich die Härteprüfung nicht gut für die Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit. Die Beurteilung zweier Stellen an einem Prüfkörper führt häufig zu erheblich unterschiedlichen Härtewerten, selbst wenn die Prüfstellen nahe beieinander liegen. Dieses Problem wird durch die Art des Tests noch verschärft. Nachdem ein Standort gemessen wurde, kann er nicht ein zweites Mal gemessen werden, um das Ergebnis zu überprüfen. Eine Wiederholbarkeit des Tests ist unmöglich.

Das bedeutet nicht, dass Härteprüfungen nicht praktisch sind. Tatsächlich bietet es einen guten Anhaltspunkt für die UTS des Materials und ist ein schnell und einfach durchzuführender Test. Allerdings sollte sich jeder, der an der Spezifizierung, dem Kauf und der Herstellung von Rohren beteiligt ist, seiner Grenzen als Prüfparameter bewusst sein.

Da „einfaches“ Rohr nicht sehr genau definiert ist, grenzt der Rohrhersteller dies auf Anfrage oft auf zwei der am häufigsten hergestellten Stahl- und Stahlrohrtypen ein, die in ASTM A513 definiert sind: 1008 und 1010. Auch nachdem alle anderen eliminiert wurden Rohrtypen sind die Möglichkeiten hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften dieser beiden Rohrtypen weit offen. Tatsächlich weisen diese Rohrtypen von allen Rohrtypen das größte Spektrum an mechanischen Eigenschaften auf.

Wenn beispielsweise die MYS niedrig und die Dehnung hoch ist, wird das Rohr als weich beschrieben, was bedeutet, dass es bei Dehnung, Biegung und dauerhafter Verformung eine bessere Leistung erbringt als ein als hart beschriebenes Rohr, das eine relativ hohe und relativ niedrige MYS aufweist Verlängerung. Dies ähnelt dem Unterschied zwischen einem weichen und einem harten Draht, beispielsweise einem Kleiderbügel und einem Bohrer.

Die Dehnung allein ist ein weiterer Faktor, der bei kritischen Rohranwendungen einen großen Unterschied macht. Ein Schlauch mit hoher Dehnung verträgt Zugkräfte; eines mit geringer Dehnung ist spröder und daher anfälliger für katastrophale Ermüdungsausfälle. Allerdings steht die Dehnung nicht in direktem Zusammenhang mit der UTS, der einzigen mechanischen Eigenschaft, die direkt mit der Härte korreliert.

Warum variieren die mechanischen Eigenschaften von Rohren so stark? Erstens variieren die chemischen Eigenschaften. Stahl ist eine feste Lösung aus Eisen und Kohlenstoff sowie anderen wichtigen Legierungen. Der Einfachheit halber befassen wir uns hier nur mit dem Kohlenstoffanteil. Die Kohlenstoffatome ersetzen einige der Eisenatome und erzeugen eine kristalline Stahlstruktur. ASTM 1008 ist die allgemeine Anfangsklasse und hat 0 bis 0,10 Prozent Kohlenstoff. Null ist eine ganz besondere Zahl und sorgt für einzigartige Eigenschaften, wenn der Kohlenstoffgehalt im Stahl extrem niedrig ist. ASTM 1010 hat einen definierten Kohlenstoffgehalt zwischen 0,08 und 0,13 Prozent Kohlenstoff. Diese Unterschiede scheinen nicht groß zu sein, aber sie sind groß genug, um anderswo große Unterschiede zu bewirken.

Zweitens können Stahlrohre in sieben verschiedenen Herstellungsprozessen hergestellt bzw. hergestellt und anschließend verarbeitet werden. ASTM A513, das sich auf die ERW-Röhrenproduktion bezieht, nennt sieben Typen:

1a. Warmgewalzt

1b. Warmgewalzt, gebeizt und geölt

2. Kaltgewalzt

3. Senke warmgewalzt

4. Senke kaltgewalzt

5. Über den Dorn gezogen

6. Spezieller glatter Innendurchmesser

Wenn die Stahlchemie und die Rohrherstellungsschritte keinen entscheidenden Einfluss auf die Härte des Stahls haben, was dann? Um diese Frage zu beantworten, muss man sich die Details genau ansehen. Diese Frage führt zu zwei weiteren Fragen: Welche Details und wie nah?

Die Einzelheiten zu den Körnern, aus denen der Stahl besteht, sind die erste Antwort. Wenn der Stahl im primären Stahlwerk hergestellt wird, kühlt er nicht zu einer riesigen Masse mit einem einzigen Satz von Eigenschaften ab. Wenn der Stahl abkühlt, organisieren sich die Stahlmoleküle in sich wiederholenden Mustern (Kristallen), ähnlich wie bei der Bildung von Schneeflocken. Nachdem sich die Kristalle gebildet haben, aggregieren sie zu Gruppen, die als Körner bezeichnet werden. Mit fortschreitender Abkühlung wachsen die Körner und bilden sich überall auf dem Blech oder der Platte. Wenn die letzten Stahlmoleküle von den Körnern absorbiert werden, hören die Körner auf zu wachsen. All dies geschieht auf mikroskopischer Ebene, da ein durchschnittliches Stahlkorn etwa 64 µ oder 0,0025 Zoll breit ist. Obwohl jedes Korn dem anderen ähnelt, sind sie nicht identisch. Sie variieren geringfügig in Größe, Ausrichtung und Kohlenstoffgehalt. Die Grenzflächen zwischen Körnern werden Korngrenzen genannt. Wenn Stahl versagt, beispielsweise durch einen Ermüdungsriss, neigt er dazu, entlang der Korngrenzen zu versagen.

Wie genau muss man hinschauen, um erkennbare Körner zu erkennen? Eine Vergrößerung von 100 oder 100 Mal so scharf wie das menschliche Sehvermögen ist ausreichend. Allerdings würde ein bloßer Blick auf unvorbereiteten Stahl bei 100 Leistung nicht viel verraten. Proben werden durch Polieren und Ätzen der Oberfläche mit einer Säure, typischerweise Salpetersäure und Alkohol, vorbereitet, was als Nitalätzung bezeichnet wird.

Es sind die Körner und ihr inneres Kristallgitter, die die Schlagfestigkeit, MYS, UTS und das Ausmaß der Dehnung bestimmen, dem der Stahl vor dem Versagen standhalten kann.

Stahlherstellungsschritte wie Warmwalzen und Kaltwalzen von Bändern führen zu Spannungen in der Kornstruktur; Ändern sie dauerhaft ihre Form, bedeutet dies, dass die Spannungen die Körner verformt haben. Andere Verarbeitungsschritte wie das Rollen des Stahls zu einem Coil, das Abwickeln und das Durchlaufen einer Rohrmühle (Formen des Rohrs und Kalibrieren) verformen die Stahlkörner. Das Kaltziehen eines Rohrs über einen Dorn belastet das Material ebenso wie Fertigungsschritte wie das Formen und Biegen der Enden. Eine Veränderung der Kornstruktur wird als Versetzung bezeichnet.

Die oben genannten Schritte können die Duktilität des Stahls beeinträchtigen, also seine Fähigkeit, Zugbeanspruchung (Auseinanderziehen) standzuhalten. Der Stahl wird spröde, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs größer ist, wenn Sie den Stahl weiter bearbeiten. Die Dehnung ist eine Komponente der Duktilität (Kompressibilität eine andere). Hier ist es wichtig zu verstehen, dass Ausfälle am häufigsten bei Zugbeanspruchung und nicht bei Druckbelastung auftreten. Stahl ist ziemlich zugfest, da er eine relativ hohe Dehnfähigkeit aufweist. Allerdings verformt sich Stahl unter Druckbelastung leicht – er ist formbar – und das ist ein Vorteil.

Vergleichen Sie dies mit Beton, der eine sehr hohe Druckfestigkeit, aber eine geringe Duktilität aufweist. Diese Eigenschaften sind das Gegenteil von denen von Stahl. Aus diesem Grund wird Beton, der in Straßen, Gebäuden und Gehwegen verwendet wird, üblicherweise mit Stahlbewehrungsstäben eingebaut. Das Ergebnis ist ein Produkt, das die Vorteile der Stärken beider Materialien vereint: Unter Spannung ist der Stahl stark und unter Druck ist der Beton stark.

Während der Kaltumformung nimmt die Duktilität des Stahls ab und seine Härte steigt. Mit anderen Worten: Es verfestigt sich. Abhängig von den Besonderheiten der Situation kann dies ein Vorteil sein; Dies kann jedoch insofern ein Nachteil sein, als Härte gleichbedeutend mit Sprödigkeit ist. Das heißt, je härter der Stahl wird, desto weniger elastisch wird er; Es ist daher wahrscheinlicher, dass es scheitert.

Mit anderen Worten: Jeder Prozessschritt verbraucht einen Teil der Duktilität des Rohrs. Je mehr man an dem Teil gearbeitet hat, desto schwieriger ist es geworden, und wenn es zu hart ist, ist es im Grunde genommen nutzlos. Härte ist Sprödigkeit, und ein sprödes Rohr versagt bei der Verwendung wahrscheinlich.

Hat der Hersteller in einem solchen Fall irgendwelche Optionen? Kurz gesagt, ja. Bei dieser Option handelt es sich um das Glühen, und obwohl es nicht ganz magisch ist, kommt es der Magie doch so nahe, wie es nur geht.

Laienhaft ausgedrückt macht das Glühen alles rückgängig, was physikalische Belastungen bei Metallen bewirken. Der Prozess erhitzt das Metall auf eine Spannungsabbau- oder Rekristallisationstemperatur, wodurch die Versetzungen beseitigt werden. Der Prozess stellt dadurch einen Teil seiner Duktilität oder die gesamte Duktilität 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 die beabsichtigte Anwendung unbrauchbar machen. Das Stoppen des Glühprozesses ist ein weiteres Stück nahezu magischer Art. Ein zum richtigen Zeitpunkt, mit dem richtigen Abschreckmittel und der richtigen Temperatur durchgeführtes Abschrecken bringt den Prozess schnell zum Stillstand und sorgt dafür, dass die wiederhergestellten Eigenschaften des Stahls erhalten bleiben.

Soll auf die Härteangabe verzichtet werden? Nein. Bei der Spezifikation von Stahlrohren dienen die Härteeigenschaften vor allem als Referenzpunkt. Die Härte ist ein nützliches Maß und eines von mehreren Merkmalen, die bei der Bestellung von Rohrmaterial angegeben und beim Empfang einer Lieferung überprüft (und für jede Lieferung aufgezeichnet) werden sollten. Wenn eine Härteprüfung ein Prüfkriterium ist, sollte sie über den richtigen Skalenwert und die richtigen Kontrollgrenzen verfügen.

Es handelt sich jedoch nicht um einen echten Test zur Qualifizierung (Annahme oder Ablehnung) von Material. Zusätzlich zur Härte sollten Hersteller ihre Sendungen gelegentlich testen lassen, um abhängig von der Anwendung des Rohrs auch andere relevante Eigenschaften wie MYS, UTS oder Mindestdehnung zu bestimmen.

Wynn H. Kearns kümmert sich um den regionalen Vertrieb für Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, [email protected], www.indianatube.com.