Comprensión de la metalurgia de tubos y tuberías de acero

Los diversos protocolos de prueba (Brinell, Rockwell, Vickers) tienen procedimientos que son específicos para el elemento bajo prueba. La prueba T de Rockwell está adaptada para verificar tuberías de pared delgada cortando el tubo a lo largo y probando la pared desde el DI en lugar del DE.

Pedir tubos es un poco como ir a un concesionario de automóviles y pedir un automóvil o un camión. Las muchas opciones disponibles en estos días permiten al comprador personalizar el vehículo en todo tipo de formas: colores interiores y exteriores, paquetes de acabados interiores, opciones de estilo exterior, opciones de transmisión y sistemas de sonido que casi rivalizan con los sistemas de entretenimiento en el hogar. Dadas todas estas opciones, probablemente no se conformaría con un vehículo estándar y sencillo.

Los tubos de acero son así. Está disponible en miles de opciones o especificaciones. Aparte de las dimensiones, las especificaciones mencionan la química y varias propiedades mecánicas, como el límite elástico mínimo (MYS), la resistencia máxima a la tracción (UTS) y el alargamiento mínimo antes de fallar. Sin embargo, muchos en la industria (ingenieros, agentes de compras y fabricantes) usan una abreviatura aceptada en la industria y solicitan un tubo soldado "simple" y especifican solo una característica: dureza.

Intente ordenar un automóvil por una sola característica ("Necesito uno con transmisión automática") y no llegará demasiado lejos con el vendedor. Tiene que llenar un formulario de pedido, y tiene muchas opciones. La tubería de acero es así: para obtener la tubería correcta para la aplicación, el fabricante de la tubería necesita mucha más información que solo la dureza.

¿Cómo se convirtió la dureza en un sustituto aceptado de las demás propiedades mecánicas? Puede haber comenzado con los productores de tubos. Debido a que una prueba de dureza es rápida, fácil y requiere un equipo relativamente económico, los vendedores de tubos a menudo usaban una prueba de dureza para comparar dos tubos. Para realizar la prueba de dureza, solo necesitaban una sección lisa de tubo y un banco de pruebas.

La dureza de un tubo se correlaciona bien con el UTS y, a partir de ahí, una regla general, un porcentaje o rango de porcentajes, ayuda a estimar el MYS, por lo que es fácil ver cómo la prueba de dureza se convirtió en un indicador adecuado para otras características.

Además, las otras pruebas son relativamente complicadas. Mientras que una prueba de dureza lleva aproximadamente un minuto en una máquina, las pruebas MYS, UTS y de elongación requieren la preparación de muestras y una inversión sustancial en equipos de laboratorio a gran escala. Como comparación, piense en términos de segundos para una prueba de dureza realizada por un operador de molino de tubos y horas para una prueba de tracción realizada por un técnico metalúrgico dedicado. Hacer una prueba de dureza no es difícil.

Esto no quiere decir que los fabricantes de tubos de ingeniería no utilicen pruebas de dureza. Es seguro decir que la mayoría lo hace, pero debido a que realizan evaluaciones de repetibilidad y reproducibilidad de calibre en todos sus equipos de prueba, son muy conscientes de las limitaciones de la prueba. La mayoría utiliza evaluar la dureza de un tubo como parte del proceso de producción, pero no lo utilizan para cuantificar las características del tubo. Es simplemente una prueba pasa/no pasa.

¿Por qué necesita saber MYS, UTS y elongación mínima? Indican cómo se comportará el tubo en un ensamblaje.

El MYS se refiere a la cantidad más baja de fuerza que causa una deformación permanente en un material. Si intenta doblar un trozo recto de alambre, como una percha, solo un poco y liberar la presión, sucederá una de dos cosas: volverá a su estado original (recto) o permanecerá doblado. Si sigue recto, no has superado el MYS. Si sigue doblado, lo has superado.

Ahora, toma ambos extremos del cable con unos alicates. Si puede romper el cable en dos pedazos, ha excedido su UTS. Le pones mucha tensión y tienes dos trozos de alambre para mostrar tu esfuerzo sobrehumano. Si la longitud original del cable era de 5 pulgadas y las dos longitudes después de la falla suman 6 pulgadas, el cable se alargó 1 pulgada o 20 por ciento. Una prueba de elongación real toma una medida dentro de las 2 pulgadas del punto de falla, pero no importa, el concepto de tracción del cable ilustra el UTS.

Las muestras micrográficas de acero requieren corte, pulido y grabado con una solución ligeramente ácida, generalmente ácido nítrico y alcohol (nital), para que los granos sean visibles. La ampliación con una potencia de 100 es común para examinar los granos de acero y determinar el tamaño del grano.

La dureza es una prueba de cómo responde el material a un impacto. Imagínese colocar un trozo corto de tubo en un tornillo de banco, uno con mordazas dentadas, y cerrar el tornillo de banco. Además de aplanar el tubo, las mordazas del tornillo de banco dejan huellas en la superficie del tubo.

La prueba de dureza funciona así, pero no es tan tosca. La prueba tiene un tamaño controlado de impacto y presión controlada. Estas fuerzas deforman la superficie, creando una hendidura o una impresión. El tamaño o profundidad de la impresión determina la dureza de los metales.

Para evaluar el acero, las pruebas de dureza comunes son Brinell, Vickers y Rockwell. Cada uno tiene su propia escala y algunos tienen una variedad de métodos de prueba, como Rockwell A, B y C. Para tubería de acero, la especificación A513 de ASTM cita la prueba Rockwell B (abreviado HRB o RB). La prueba Rockwell B mide la diferencia en la penetración en el acero de una bola de acero de 1/16 de pulgada de diámetro entre una precarga menor aplicada y una carga mayor de 100 kilogramos de fuerza. Un resultado típico es HRB 60 para acero estándar con bajo contenido de carbono.

Los científicos de materiales saben que la dureza tiene una relación lineal con UTS. Por lo tanto, una dureza determinada predice la UTS. Asimismo, los productores de tubos saben que el MYS y el UTS están relacionados. Para tubería soldada, el MYS generalmente es del 70 al 85 por ciento del UTS. La cantidad exacta depende del proceso utilizado para hacer el tubo. Una dureza de HRB 60 se correlaciona con un UTS de 60 000 libras por pulgada cuadrada (PSI) y un MYS de alrededor del 80 % de eso, o 48 000 PSI.

La especificación de tubería más común para la fabricación general es la dureza máxima. Además de las dimensiones, a los ingenieros les preocupa especificar un tubo soldador por resistencia eléctrica (ERW) dentro de un buen rango de trabajo, y eso puede dar como resultado una dureza máxima de quizás HRB 60 en el dibujo de la pieza del componente. Esta decisión por sí sola conduce a una gama de propiedades mecánicas resultantes, incluida la propia dureza.

Primero, una dureza de HRB 60 realmente no nos dice mucho. La lectura, HRB 60, es un número adimensional. Un material evaluado en HRB 59 es más suave que un material probado en HRB 60, y HRB 61 es más duro que HRB 60, pero ¿cuánto? No es cuantificable como un volumen (medido en decibeles), torsión (medida en libras-pie), velocidad (medida como una distancia relativa al tiempo) o UTS (medida en libras por pulgada cuadrada). La lectura, HRB 60, no nos dice nada específico. Es una característica del material, pero no es una propiedad física. En segundo lugar, las pruebas de dureza no se prestan bien a la repetibilidad o reproducibilidad. La evaluación de dos ubicaciones en una muestra de prueba, incluso cuando las ubicaciones de prueba están cerca una de la otra, a menudo da como resultado lecturas de dureza que varían significativamente. Lo que agrava este problema es la naturaleza de la prueba. Después de medir una ubicación, no se puede medir una segunda vez para verificar el resultado. La repetibilidad de la prueba es imposible.

Esto no significa que las pruebas de dureza no sean útiles. De hecho, proporciona una buena guía para el UTS del material y es una prueba rápida y fácil de realizar. Sin embargo, todos los involucrados en la especificación, compra y fabricación del tubo deben ser conscientes de sus limitaciones como parámetro de prueba.

Debido a que el tubo "simple" no está muy bien definido, cuando se solicita, el fabricante del tubo a menudo lo reduce a dos de los tipos de tubos de acero y de acero más comúnmente fabricados definidos en ASTM A513: 1008 y 1010. Incluso después de eliminar todos los demás tipos de tubos, las posibilidades en propiedades mecánicas en estos dos tipos de tubos están muy abiertas. De hecho, estos tipos de tubos tienen la gama más amplia de propiedades mecánicas de cualquier tipo de tubería.

Por ejemplo, si el MYS es bajo y el alargamiento es alto, el tubo se describe como blando, lo que significa que se estirará, desviará y distorsionará mejor que un tubo descrito como duro, que tiene un MYS relativamente alto y un rendimiento relativamente bajo. alargamiento. Esto es similar a la diferencia entre un alambre blando y un alambre duro, como una percha y una broca.

El alargamiento en sí mismo es otro asunto que marca una gran diferencia en las aplicaciones críticas de tubos. Un tubo con gran elongación tolera las fuerzas de tracción; uno con baja elongación es más frágil y, por lo tanto, más propenso a fallas catastróficas de tipo fatiga. Sin embargo, el alargamiento no está directamente relacionado con la UTS, que es la única propiedad mecánica que se correlaciona directamente con la dureza.

¿Por qué las propiedades mecánicas del tubo varían tanto? Primero, las químicas varían. El acero es una solución sólida de hierro y carbono, además de otras aleaciones importantes. Para simplificar, aquí nos ocuparemos únicamente del porcentaje de carbono. Los átomos de carbono reemplazan algunos de los átomos de hierro, creando una estructura cristalina de acero. ASTM 1008 es el grado inicial general y tiene de 0 a 0,10 por ciento de carbono. El cero es un número muy especial y crea propiedades únicas cuando el carbono es muy bajo en el acero. ASTM 1010 tiene un contenido de carbono definido entre 0,08 y 0,13 por ciento de carbono. Estas diferencias no parecen ser grandes, pero son lo suficientemente grandes como para marcar grandes diferencias en otros lugares.

En segundo lugar, la tubería de acero puede fabricarse, o fabricarse y procesarse posteriormente, en siete procesos de fabricación distintos. La norma ASTM A513, que se refiere a la producción de tubos ERW, menciona siete tipos:

1a. laminado en caliente

1b. Laminados en caliente, decapados y aceitados

2. Laminado en frío

3. Fregadero laminado en caliente

4. Fregadero laminado en frío

5. Dibujado sobre mandril

6. Diámetro interior liso especial

Si la química del acero y los pasos de fabricación del tubo no marcan la diferencia en la dureza del acero, ¿qué lo hace? Responder a esa pregunta significa echar un vistazo de cerca a los detalles. Esa pregunta lleva a dos preguntas más: ¿Qué detalles y qué tan cerca?

Los detalles sobre los granos que componen el acero es la primera respuesta. Cuando el acero se fabrica en la acería primaria, no se enfría para convertirse en una gran masa con un solo conjunto de características. A medida que el acero se enfría, las moléculas de acero se organizan en patrones repetidos (cristales), de forma similar a como se forman los copos de nieve. Después de que se forman los cristales, se agregan en grupos llamados granos. A medida que avanza el enfriamiento, los granos crecen y se forman en toda la hoja o placa. A medida que las últimas moléculas de acero son absorbidas por los granos, los granos dejan de crecer. Todo esto sucede a nivel microscópico, en el sentido de que un grano de acero de tamaño medio tiene unas 64 µ o 0,0025 pulgadas de ancho. Si bien cada grano es similar al siguiente, no son idénticos. Varían ligeramente de uno a otro en tamaño, orientación y contenido de carbono. Las interfaces entre los granos se denominan límites de grano. Cuando el acero falla, por ejemplo por una fisura por fatiga, tiende a fallar a lo largo de los límites de grano.

¿Qué tan cerca tiene que mirar para ver granos perceptibles? Un aumento de 100 de potencia, o 100 veces más agudo que la visión humana, es suficiente. Sin embargo, simplemente mirar acero sin preparar a 100 de potencia no revelaría mucho. Las muestras se preparan puliéndolas y grabando la superficie con un ácido, generalmente ácido nítrico y alcohol, llamado grabado nital.

Son los granos y su red cristalina interna los que determinan la resistencia al impacto, MYS, UTS y el grado de elongación que el acero puede soportar antes de fallar.

Los pasos de fabricación de acero, como el laminado en caliente y en frío de la tira, imparten tensiones en la estructura del grano; si cambian permanentemente la forma, esto significa que las tensiones han deformado los granos. Otros pasos de procesamiento, como enrollar el acero en una bobina, desenrollarlo y pasarlo por un molino de tubos (formar el tubo y dimensionarlo) deforman los granos de acero. El estirado en frío de un tubo sobre un mandril también somete a tensión al material, al igual que los pasos de fabricación, como la formación de extremos y el doblado. Un cambio en la estructura del grano se llama dislocación.

Los pasos antes mencionados pueden agotar la ductilidad del acero, que es su capacidad para resistir la tensión de tracción (separación). El acero se vuelve quebradizo, lo que significa que es más probable que se rompa si continúas trabajando el acero. El alargamiento es un componente de la ductilidad (la compresibilidad es otro). Aquí es importante comprender que las fallas ocurren con mayor frecuencia durante el esfuerzo de tensión, no durante la compresión. El acero es bastante fuerte contra la tensión de tracción, ya que tiene una capacidad de elongación relativamente alta. Sin embargo, el acero bajo tensión de compresión se deforma fácilmente (es maleable) y eso es una ventaja.

Compare esto con el hormigón, que tiene una resistencia a la compresión muy alta pero una ductilidad baja. Estas características son opuestas a las del acero. Esta es la razón por la cual el concreto que se usa en caminos, edificios y aceras comúnmente se instala con una barra de refuerzo de acero. El resultado es un producto que tiene los beneficios de la resistencia de ambos materiales: bajo tensión, el acero es fuerte y bajo compresión, el concreto es fuerte.

Durante el trabajo en frío, a medida que cae la ductilidad del acero, aumenta su dureza. En otras palabras, se endurece por trabajo. Dependiendo de los detalles de la situación, esto puede ser un beneficio; sin embargo, puede ser un inconveniente en el sentido de que la dureza equivale a la fragilidad. Es decir, a medida que el acero se vuelve más duro, se vuelve menos elástico; por lo tanto, es más probable que falle.

En otras palabras, cada paso del proceso consume parte de la ductilidad del tubo. A medida que se ha ido trabajando la pieza, se ha ido haciendo progresivamente más dura, y si es demasiado dura, básicamente no sirve para nada. La dureza es fragilidad, y es probable que un tubo quebradizo falle cuando se usa.

En tal caso, ¿tiene el fabricante alguna opción? En resumen, sí. Esa opción es el recocido, y aunque no es del todo mágico, es lo más parecido a la magia que puedes conseguir.

En términos sencillos, el recocido deshace todo lo que las tensiones físicas le hacen a los metales. El proceso calienta el metal a una temperatura de alivio de tensión o recristalización, lo que erradica las dislocaciones. De este modo, el proceso restaura parte de su ductilidad, o toda la ductilidad, según la temperatura y el tiempo específicos utilizados en el proceso de recocido.

El recocido y el enfriamiento controlado promueven el crecimiento del grano. Esto es beneficioso si el objetivo es reducir la fragilidad del material, pero el crecimiento descontrolado del grano puede ablandar demasiado el metal, haciéndolo inutilizable para la aplicación prevista. Detener el proceso de recocido es otro poco casi mágico. Un templado, realizado en el momento adecuado, con el templado adecuado, a la temperatura adecuada, detiene rápidamente el proceso, capturando las propiedades restauradas del acero.

¿Deberíamos prescindir de la especificación de dureza? No. Al especificar tubos de acero, las propiedades de dureza son valiosas principalmente como punto de referencia. Una medida útil, la dureza es una de varias características que deben especificarse al pedir material tubular y verificarse al recibir un envío (y debe registrarse para cada envío). Cuando una verificación de dureza es un criterio de inspección, debe tener el valor de escala y los límites de control adecuados.

Sin embargo, no es una verdadera prueba utilizada para calificar (aceptar o rechazar) material. Además de la dureza, los fabricantes deben probar los envíos ocasionalmente para determinar las otras características relevantes, como MYS, UTS o elongación mínima, según la aplicación del tubo.

Wynn H. Kearns maneja las ventas regionales de Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, [email protected], www.indianatube.com.