Твёрдость стали характеризует сопротивление локальному вдавливанию при заданных условиях испытания. Значение зависит от метода, шкалы или испытательной силы, формы индентора, состояния образца и процедуры измерения. Для технической оценки число рассматривают вместе с обозначением испытания.
Для сталей широко применяют методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Они различаются способом получения и измерения отпечатка, поэтому подходят для разных толщин, диапазонов твёрдости и задач контроля.
Твёрдость зависит от метода испытания
При испытании индентор вдавливают в материал с заданной силой. По размеру отпечатка или изменению глубины рассчитывают условное число твёрдости. Стандартные образцы NIST для некоторых шкал Роквелла и микротвёрдости помогают обеспечивать прослеживаемость измерений; состояние прибора, индентора и измерительной системы также должно контролироваться.
Локальное измерение полезно при входном контроле, проверке термообработки и оценке сварных соединений. Цементованный или обезуглероженный слой, наклёп, зона термического влияния и неоднородная структура могут давать значения, отличающиеся от остальной детали.
Бринелль: измерение крупного отпечатка
Метод Бринелля использует твердосплавный шарик. Твёрдость определяют по диаметру остаточного отпечатка при заданных условиях. Относительно крупный отпечаток охватывает более широкую локальную область, что удобно для подходящих прокатных, кованых и литых изделий, если такая отметина допустима.
На дату проверки ISO 6506-1:2014 остаётся опубликованной редакцией метода; её замена находится в разработке. Испытание металлических материалов по Бринеллю также описывает ASTM E10-23.
Необходимо соблюдать требования к шарику, силе, толщине образца, расстояниям между отпечатками и до края, подготовке поверхности и оптическому измерению. В протоколе указывают HBW и условия, предусмотренные методом или спецификацией изделия.
Роквелл: измерение остаточного увеличения глубины
В методе Роквелла сравнивают глубину вдавливания под предварительной силой до приложения дополнительной силы и после её снятия. Каждая шкала задаёт сочетание индентора и сил. Например, HRC и HRB являются отдельными шкалами: их числа нельзя читать как деления одной непрерывной шкалы.
ISO 6508-1:2023 охватывает обычные и поверхностные шкалы Роквелла. ASTM E18-25 также описывает этот метод и отмечает, что результат в одной точке может не характеризовать всю деталь.
При подходящей шкале метод удобен для быстрого производственного контроля. Для тонкого листа, криволинейной поверхности или упрочнённого слоя могут понадобиться поверхностная шкала, другой метод либо предусмотренная стандартом поправка.
Виккерс: алмазная пирамида и разные испытательные силы
Индентор Виккерса представляет собой алмазную пирамиду с квадратным основанием. После снятия силы оптически измеряют обе диагонали отпечатка. Твёрдость рассчитывают с учётом их среднего значения и испытательной силы; результат обозначают HV с указанием силы.
ISO 6507-1:2023 предусматривает три диапазона испытательной силы и ограничивает применимость по размеру отпечатка и условиям измерения покрытий. ASTM E92-26 распространяется на методы Виккерса и Кнупа.
Метод Виккерса применяют как для общего контроля, так и для измерений по сечению сварного соединения, профиля упрочнённого слоя или небольшого участка. Чем меньше отпечаток, тем выше влияние подготовки поверхности и погрешности оптического измерения.
Как читать обозначение твёрдости
Ниже приведены примеры трёх независимых испытаний. Они не являются эквивалентными значениями:
- 220 HBW 10/3000: твёрдость по Бринеллю 220, твердосплавный шарик диаметром 10 mm и номинальная сила 3000 kgf, приблизительно 29,42 kN.
- 60 HRC: твёрдость 60 по шкале Роквелла C. Применяется алмазный конус, предварительная сила 10 kgf и общая сила 150 kgf, приблизительно 98,07 N и 1,471 kN соответственно. Общая сила уже включает предварительную.
- 250 HV 10: твёрдость по Виккерсу 250 при номинальной силе 10 kgf, приблизительно 98,07 N. Число 10 обозначает испытательную силу и не означает 10 N.
kgf — единица силы, соответствующая килограмм-силе (кгс): 1 kgf = 9,80665 N. Выдержку под нагрузкой и другие условия указывают в объёме, требуемом стандартом. Примеры объясняют запись результата и не задают целевую твёрдость марки стали.
Выбор метода по образцу и задаче
| Метод | Измеряемая величина | Практическое применение | Что проверить |
|---|---|---|---|
| Бринелль | Диаметр шарикового отпечатка | Контроль более широкой локальной области при допустимости крупного отпечатка | Поверхность, толщину, расстояния между отпечатками и оптическое измерение |
| Роквелл | Остаточное увеличение глубины под предварительной силой | Быстрый производственный контроль при подходящей шкале | Шкалу, толщину, опору, кривизну и состояние поверхности |
| Виккерс | Диагонали отпечатка алмазной пирамиды | Общие и локальные измерения в широком диапазоне сил | Подготовку поверхности, оптическое измерение и размер отпечатка |
Прокрутите таблицу, чтобы увидеть все столбцы →
Толстая плита, тонкий лист, цементованный слой и зона термического влияния сварки могут требовать разных условий испытания даже при близком составе стали.
Что влияет на результат
Поверхность должна соответствовать требованиям метода и представлять исследуемую область. Шероховатость, окалина, обезуглероживание, покрытие и повреждения при шлифовании могут влиять на формирование или измерение отпечатка.
Деформация распространяется под отпечатком, поэтому важны толщина образца и его опора. Между отпечатками и до краёв выдерживают установленные расстояния. Для криволинейной поверхности необходимость поправки или специальной установки определяют по методу и шкале.
Термообработка, наклёп, фазовый состав, глубина упрочнения и сварочный термический цикл могут создавать реальные градиенты твёрдости. При ожидаемой неоднородности заранее задают расположение точек, число измерений и направление прохода по сечению.
Для тонкого листа проверяют минимальную допустимую толщину при выбранных методе, шкале и ожидаемой твёрдости, а также опору и деформацию обратной стороны. Поверхностный Роквелл или Виккерс с меньшей силой могут подойти, но одно уменьшение силы не подтверждает корректность испытания. У Виккерса есть ограничения по размеру отпечатка и измерению покрытий: визуально различимый отпечаток ещё не гарантирует соответствия стандарту.
Уточните, что исследуется: стальная основа, покрытие, поверхность после обработки или сечение упрочнённого слоя. При оценке основы подготовка должна сохранять её твёрдость. При исследовании упрочнённого либо обезуглероженного слоя сохраняют нужную область и отсчитывают глубину от исходной поверхности. Нагрев при шлифовании, чрезмерное снятие материала и наклёп при подготовке могут изменить результат.
Ограничения пересчёта твёрдости
Таблицы пересчёта удобны для ориентировочного сравнения и работы со старыми спецификациями. Связи между шкалами эмпирические и зависят от материала. ISO 18265:2013 ограничивает прямую применимость пересчёта материалом, на котором получены соответствующие зависимости; для других материалов значения служат ориентиром. Оценка предела прочности по твёрдости особенно ненадёжна.
Если твёрдость является критерием приёмки, сохраняйте исходную измеренную шкалу. Когда пересчёт необходим, указывайте исходное значение, группу материала и таблицу. Последовательное преобразование через несколько шкал увеличивает риск ошибок. Пересчитанное значение не заменяет испытание установленным методом.
Связь с прочностью и износом
Для определённой группы сталей в заданном состоянии твёрдость может коррелировать с пределом прочности при растяжении: оба показателя зависят от микроструктуры. При изменении состава, обработки или диапазона испытаний зависимость меняется. Требования к пределу текучести и пределу прочности подтверждают методами, указанными в спецификации изделия.
На износ влияют вид абразива, контактные напряжения, вязкость, микроструктура, материал ответной поверхности, смазка, температура и поверхностная обработка. Твёрдость полезна как один из контролируемых показателей, но её недостаточно для прогнозирования всех механизмов изнашивания.
Как задать и оформить испытание
План измерений можно составить в следующем порядке:
- Указать материал, форму изделия, состояние после термообработки и исследуемую область.
- Определить спецификацию изделия и применимый стандарт испытания.
- Выбрать метод Бринелля, Роквелла или Виккерса, шкалу и силу с учётом толщины, геометрии и ожидаемой твёрдости.
- Подготовить поверхность и опору образца согласно методу.
- До приёмочных измерений проверить состояние прибора, индентора и эталонной меры твёрдости.
- Задать точки, расстояния, число измерений и при необходимости схему прохода по сечению.
- Записать исходное обозначение твёрдости, условия испытания и допустимые поправки.
- Сопоставить результат с установленным пределом спецификации; справочный пересчёт оформить отдельно.
Смежные свойства рассмотрены в статьях Предел прочности стали при растяжении и Предел текучести стали . Для выбора материала по требованиям к прочности используйте руководство Как выбрать класс прочности стали .