Comprender la metalurgia de tubos y tuberías de acero

Los diversos protocolos de prueba (Brinell, Rockwell, Vickers) tienen procedimientos que son específicos del artículo bajo prueba. La prueba Rockwell T está adaptada para verificar tuberías de pared liviana 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 numerosas opciones disponibles hoy en día permiten al comprador personalizar el vehículo de muchas maneras: 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 doméstico. Dadas todas estas opciones, probablemente no se conformará con un vehículo estándar y sencillo.

Los tubos de acero son así. Está disponible en miles de opciones o especificaciones. Dejando a un lado 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) utilizan una taquigrafía aceptada en la industria y solicitan un tubo soldado "simple" y especifican solo una característica: dureza.

Intente pedir un automóvil por una sola característica (“Necesito uno con transmisión automática”) y no llegará demasiado lejos con el vendedor. Tiene que completar un formulario de pedido y tiene muchas opciones. Los tubos de acero son así: para obtener el tubo adecuado para la aplicación, el fabricante del tubo necesita mucha más información que solo la dureza.

¿Cómo llegó a ser la dureza un sustituto aceptado de las otras propiedades mecánicas? Es posible que haya comenzado con los productores de tubos. Debido a que una prueba de dureza es rápida, fácil y requiere 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 toma aproximadamente aproximadamente un minuto en una máquina, las pruebas MYS, UTS y de alargamiento requieren preparación de muestras y una inversión sustancial en equipos de laboratorio a gran escala. A modo de 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 diseñados no utilicen pruebas de dureza. Es seguro decir que la mayoría lo hace, pero debido a que realizan evaluaciones de repetibilidad y reproducibilidad del calibre en todos sus equipos de prueba, son muy conscientes de las limitaciones de la prueba. La mayoría evalúa la dureza de un tubo como parte del proceso de producción, pero no la utilizan para cuantificar las características del tubo. Es simplemente una prueba de pasar/no pasar.

¿Por qué es necesario conocer MYS, UTS y el alargamiento mínimo? Indican cómo se comportará el tubo en un conjunto.

El MYS se refiere a la menor cantidad de fuerza que provoca una deformación permanente en un material. Si intenta doblar un poco un trozo de alambre recto, como una percha, y liberar la presión, sucederá una de dos cosas: volverá a su condición original (recto) o permanecerá doblado. Si todavía está recto, no has superado el MYS. Si se queda doblado es que lo has excedido.

Ahora, agarre ambos extremos del cable con unos alicates. Si puedes romper el cable en dos pedazos, has excedido su UTS. Le pones mucha tensión y tienes dos trozos de cable para demostrar 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 alargamiento real toma una medida dentro de 2 pulgadas del punto de falla, pero no importa: el concepto de tracción del cable ilustra el UTS.

Las muestras de micrografía 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 a 100 potencias 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 mandíbulas dentadas, y cerrar el tornillo de banco. Además de aplanar el tubo, las mandíbulas del tornillo de banco dejan impresiones en la superficie del tubo.

Las pruebas de dureza funcionan así, pero no son tan toscas. La prueba tiene un tamaño de impacto controlado y una presión controlada. Estas fuerzas deforman la superficie, dejando una hendidura o una impresión. El tamaño o la 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 tubos de acero, la especificación ASTM A513 cita la prueba Rockwell B (abreviada HRB o RB). La prueba Rockwell B mide la diferencia en la penetración en el acero por 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 la UTS. Por tanto, una dureza dada predice la UTS. Asimismo, los productores de tubos saben que MYS y UTS están relacionados. Para tuberías soldadas, el MYS suele ser del 70 al 85 por ciento del UTS. La cantidad exacta depende del proceso utilizado para fabricar el tubo. Una dureza de HRB 60 se correlaciona con un UTS de 60 000 libras por pulgada cuadrada (PSI) y un MYS alrededor del 80 por ciento de eso, o 48 000 PSI.

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

En primer lugar, una dureza de HRB 60 no nos dice mucho. La lectura, HRB 60, es un número adimensional. Un material evaluado en HRB 59 es más blando que un material probado en HRB 60, y HRB 61 es más duro que HRB 60, pero ¿cuánto? No es cuantificable como el volumen (medido en decibelios), el par (medido en libras-pie), la velocidad (medida como una distancia relativa al tiempo) o UTS (medido en libras por pulgada cuadrada). La lectura, HRB 60, no nos dice nada concreto. 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. Para agravar este problema está 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 de tubos 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 acero fabricados más comúnmente definidos en ASTM A513: 1008 y 1010. Incluso después de eliminar todos los demás. tipos de tubos, las posibilidades en cuanto a propiedades mecánicas en estos dos tipos de tubos están ampliamente abiertas. De hecho, estos tipos de tubos tienen la gama más amplia de propiedades mecánicas de cualquier tipo de tubo.

Por ejemplo, si el MYS es bajo y el alargamiento es alto, el tubo se describe como blando, lo que significa que funcionará mejor en estiramiento, deflexión y distorsión permanente que un tubo descrito como duro, que tiene un MYS relativamente alto y un MYS 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 por sí solo es otra cuestión que marca una gran diferencia en aplicaciones críticas de tubos. Un tubo con gran alargamiento tolera las fuerzas de tracción; uno con bajo alargamiento es más frágil y, por lo tanto, más propenso a sufrir 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 varían tanto las propiedades mecánicas del tubo? 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 a 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, los tubos de acero pueden fabricarse, o fabricarse y procesarse posteriormente, en siete procesos de fabricación distintos. ASTM A513, que pertenece 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 observar de cerca los detalles. Esa pregunta lleva a dos preguntas más: ¿Qué detalles y en qué medida?

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 único conjunto de características. A medida que el acero se enfría, las moléculas de acero se organizan en patrones repetidos (cristales), similar a la forma en que se forman los copos de nieve. Una vez formados los cristales, se agregan en grupos llamados granos. A medida que avanza el enfriamiento, los granos crecen formándose por toda la lámina o placa. A medida que los granos absorben la última molécula de acero, estos dejan de crecer. Todo esto sucede a nivel microscópico, en el sentido de que un grano de acero de tamaño promedio tiene aproximadamente 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 granos se denominan límites de grano. Cuando el acero falla, por ejemplo por una grieta por fatiga, tiende a fallar a lo largo de los límites de las fibras.

¿Qué tan cerca hay que mirar para ver granos discernibles? Un aumento de 100 aumentos, 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, normalmente 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 alargamiento que el acero puede soportar antes de fallar.

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

Los pasos antes mencionados pueden consumir la ductilidad del acero, que es su capacidad para soportar tensiones 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 la tensión, no durante la compresión. El acero es bastante resistente a la tensión de tracción, ya que tiene una capacidad de alargamiento 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 que el hormigón utilizado en carreteras, edificios y aceras suele instalarse con barras 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 disminuye la ductilidad del acero, aumenta su dureza. En otras palabras, se endurece con el trabajo. Dependiendo de las características específicas de la situación, esto puede ser un beneficio; sin embargo, puede ser un inconveniente ya que dureza equivale a fragilidad. Es decir, a medida que el acero se vuelve más duro, se vuelve menos elástico; por lo tanto, es más probable que fracase.

En otras palabras, cada paso del proceso consume parte de la ductilidad del tubo. A medida que se ha trabajado la pieza, se ha vuelto progresivamente más dura, y si es demasiado dura, es básicamente inútil. 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 mágica, es lo más parecido a la magia que se puede conseguir.

En términos sencillos, el recocido deshace todo lo que las tensiones físicas provocan en los metales. El proceso calienta el metal hasta una temperatura de alivio de tensión o de recristalización, lo que erradica las dislocaciones. De este modo, el proceso restaura parte de su ductilidad, o toda la ductilidad, dependiendo de 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 incontrolado del grano puede ablandar demasiado el metal, haciéndolo inutilizable para la aplicación prevista. Detener el proceso de recocido es otra medida casi mágica. Un enfriamiento, realizado en el momento adecuado, con el agente de enfriamiento adecuado y a la temperatura adecuada, detiene rápidamente el proceso y captura 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. La dureza, una medida útil, 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 someter ocasionalmente a pruebas los envíos para determinar otras características relevantes, como MYS, UTS o el alargamiento mínimo, 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.