Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2026-10-07 Происхождение:Работает
Твердость является наиболее часто упоминаемым свойством в сертификате испытаний сталелитейного завода. Он коррелирует с пределом прочности, его измерение практически не требует затрат и является неразрушающим – именно поэтому им живут цехи термической обработки, производители зубчатых колес и крепежные предприятия. Загвоздка в том, что в повседневной жизни используются три шкалы — Бринелля (HBW) , , Роквелла (HRC/HRA/HRB) и Виккерса (HV) — и они не измеряют одно и то же. Ниже описано, как их конвертировать, откуда берутся преобразования и как оценить предел прочности на разрыв по числу твердости, не ставя себя в неловкое положение.
Каждая шкала имеет свой индентор, разную нагрузку и разную зону наилучшего восприятия. Использование их за пределами допустимого диапазона — наиболее распространенная причина, по которой преобразование выглядит неправильно.
Бринелль использует шарик из карбида вольфрама, обычно диаметром 10 мм, вдавливаемый в поверхность под нагрузкой 3000 кгс (29,4 кН) в течение 10–15 секунд. Диаметр полученного оттиска измеряется оптически, а HBW рассчитывается как нагрузка, деленная на площадь изогнутой поверхности оттиска. Буква «W» в HBW означает карбид вольфрама (вольфрамкарбид на немецком языке); старое обозначение HBS для инденторов со стальными шариками устарело.
Допустимый диапазон HBW для стали составляет примерно от 96 до 650 HBW . При весе выше 650 HBW шар деформируется и оттиск становится ненадежным. Для очень твердых инструментальных сталей и науглероженных поверхностей следует перейти на HRC или HV. HBW — это стандартная шкала для пластин, прутков, поковок и отливок — практически всего, где шарик диаметром 10 мм и нагрузка 3000 кгс оставляют измеримую вмятину на плоской поверхности толщиной ≥ 4 мм.
Rockwell измеряет глубину проникновения алмазного конуса (HRC, HRA) или закаленного стального шарика (HRB) при определенной незначительной (10 кгс) и большой нагрузке. В HRC используется алмазный конус 120° (индентор Брейла) при основной нагрузке 150 кгс; В ХРА используется тот же конус на 60 кгс; HRB использует мяч диаметром 1/16 дюйма и весом 100 кгс. Глубина преобразуется непосредственно в безразмерное число.
Допустимые диапазоны:
HRC : 20–70 HRC. Ниже 20 HRC ромбовидный конус дает неглубокие показания с низкой чувствительностью — переключитесь на HRB.
HRA : 20–88 HRA. Используется для твердых сплавов, тонких твердых покрытий, цементированных карбидов и инструментальных сталей очень высокой твердости, где HRC имеет наивысшее значение.
HRB : 0–100 HRB. Используется для мягких сталей, отожженного углеродистого прутка, низкоуглеродистого листа.
HRC является доминирующей шкалой для закаленных и отпущенных деталей — валов, шестерен, штампов, лопаток. Преимущество перед Бринеллем заключается в скорости: измерение по Роквеллу занимает 5–10 секунд и оставляет небольшую неглубокую вмятину, которая часто не требует повторной обработки.
Компания Vickers использует алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом грани 136°, применяемую при нагрузках от 1 кгс (HV1) до 100 кгс (HV100) и выше. HV оптически измеряет диагональ отпечатка и рассчитывает твердость как нагрузку, деленную на площадь поверхности.
Сильной стороной компании Vickers является ее широкий диапазон — один и тот же индентор покрывает все, от мягкой отожженной стали (~80 HV) до азотированных слоев оболочки (~1100 HV) без разрушения окалины. Его слабость в том, что оно требует оптического считывания, которое является медленным и зависит от оператора. HV — стандартная шкала для:
Траверсы микротвердости по цементируемым деталям (HV0,3, HV1)
Квалификация сварочных процедур
Тонкие покрытия и азотированные слои
Сертификация эталонного калибровочного блока
И ASTM E140 («Стандартные таблицы преобразования твердости для металлов»), и ISO 18265 дают значения преобразования между HBW, HRC и HV для углеродистых, легированных и инструментальных сталей. Значения не являются теоретическими — они получены путем регрессии по тысячам контрольных точек на закаленной и отпущенной мартенситной и бейнитной стали. Точность преобразования составляет примерно ±1 HRC для закаленной стали и ±2–3 HBW для отожженной стали. Кроме того, геометрия индентора настолько различается, что преобразование является лишь приблизительным.
Некоторые значения из ASTM E140 для стали:
| HBW (3000 кгс) | HRC (150 кгс) | HRB (100 кгс) | HV | Прибл. UTS, МПа |
|---|---|---|---|---|
| 95 | — | 56 | 100 | 340 |
| 120 | — | 67 | 126 | 415 |
| 150 | — | 80 | 158 | 510 |
| 174 | — | 88 | 183 | 600 |
| 200 | — | 92 | 210 | 690 |
| 223 | 19 | — | 235 | 770 |
| 248 | 22 | — | 262 | 855 |
| 277 | 28 | — | 292 | 955 |
| 293 | 31 | — | 310 | 1010 |
| 311 | 33 | — | 327 | 1075 |
| 331 | 35 | — | 348 | 1140 |
| 352 | 37 | — | 370 | 1210 |
| 375 | 39 | — | 395 | 1290 |
| 401 | 43 | — | 423 | 1380 |
| 429 | 45 | — | 455 | 1480 |
| 461 | 48 | — | 488 | 1590 |
| 495 | 51 | — | 525 | 1710 |
| 534 | 54 | — | 565 | 1840 |
| 573 | 57 | — | 605 | 1980 |
| 600 | 59 | — | 635 | 2070 |
| 632 | 62 | — | 670 | 2180 |
| 670 | 64 | — | 710 | 2310 |
Примечание о нижней границе HRC. ASTM E140 дает небольшой блок данных для диапазона 19–22 HRC, но помечает его как «приблизительный». Надежная часть шкалы HRC начинается с 20 HRC. Ниже переключитесь на HRB или HBW.
Существует полезная эмпирическая связь между твердостью по Бринеллю и пределом прочности на разрыв для низко- и среднеуглеродистой стали:
σUTS (МПа) ≈ 3,45 × HBW для HBW ≤ 500 (сталь низко- и среднеуглеродистая, закаленная и отпущенная)
Для легированной стали с более высокой твердостью (HBW 500–650) множитель снижается примерно до 3,0–3,2 , поскольку индентор измеряет сочетание прочности и упругого восстановления, а мартенсит не преобразуется в предел прочности линейно. Множитель 3,45 также недооценен для низкопрочной отожженной стали ниже ~150 HBW; там множитель ближе к 3.6.
Различные семейства стали имеют разные множители:
| Семейство сталей | Множитель (σUTS / HBW) | Диапазон |
|---|---|---|
| Сталь низкоуглеродистая, отожженная | ~3,6 | 100–150 ХВТ |
| Среднеуглеродистая сталь, вопросы и ответы | ~3,45 | 150–500 ХВТ |
| Низколегированный Cr-Mo (4140, 4340), вопросы и ответы | ~3,4 | 200–500 ХВТ |
| Высокопрочная мартенситная сталь (>500 HBW) | 3,0–3,2 | 500–650 ХВТ |
| Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316) | ~3,0 | 150–300 ХВТ |
| Серый чугун | ~1,0–1,5 | 150–250 ХВТ |
Множитель 3,45 встроен в большинство старых спецификаций закупок и таблиц прочности материалов. Таблица A.1 стандарта ISO 18265 дает более подробную разбивку по семействам марок сталей и является документом, на который следует ссылаться при письменном обсуждении дела.
Рабочий пример: ожидается, что стержень из AISI 4140, испытанный при весе 280 HBW, покажет предел прочности около 970 МПа. Если испытательный стержень Q&T 4140 при 280 HBW показывает в лаборатории только 850 МПа UTS, то что-то не так — либо пруток недоотпущен (недостаточное время отпуска при температуре), либо испытуемый образец осевой, а не поперечный (анизотропия может снизить UTS на 5–7%), или твердость измерялась на обезуглероженной поверхности. Вот почему испытания на твердость и растяжение проводятся на одном и том же стержне плавки.
Числа конверсии в ASTM E140 регрессированы от закаленных и отпущенных углеродистых и легированных сталей — мартенситных или бейнитных, достаточно однородных. Они менее надежны для:
Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316): материал упрочняется под индентором, поэтому значения HBW/HRC имеют тенденцию быть выше, чем можно было бы предположить, исходя из основного предела прочности на разрыв. В стандарте ISO 18265 приведены отдельные данные по переработке аустенитной нержавеющей стали.
Серый и ковкий чугун : графитовая фаза разрушается под индентором. Преобразование HBW для чугуна полностью отличается от преобразования стали — для серого чугуна умножьте на ~ 1,0–1,5.
Закаленные детали : показания поверхности при 60 HRC на мягком сердечнике не будут соответствовать объемному растяжению. Используйте траверсу твердости (HV0,3 поперек корпуса) и рассчитайте эффективную глубину корпуса в соответствии с ASTM E384.
Холоднотянутый пруток : холодная обработка увеличивает HBW без пропорционального повышения UTS. Холоднотянутый пруток 1045 при весе 200 HBW имеет UTS ближе к 700 МПа, а не к 690 МПа, как предсказывает множитель отожженного.
Вот почему в спецификации закупок никогда не следует говорить: «Твердость и прочность на растяжение эквивалентны». Это не так — они коррелируют с множителем, который зависит от марки и металлургических условий.
Распространенной ошибкой является написание «Твердость: 28–32 HRC» на заказе без указания места проведения испытаний, состояния поверхности или масштаба. Поставщик выбирает самую дешевую интерпретацию, и вы получаете мягкую сердцевину под тонким жестким корпусом. Пункт, который нужно написать:
Твердость: 28–32 HRC по ASTM E18, измеренная на готовой или полуобработанной поверхности, свободной от обезуглероживания, окалины и оксидов. Минимум три показания на расстоянии ≥ 3 мм друг от друга, все должны находиться в пределах диапазона. Подготовка поверхности согласно ASTM E18 §7. Для прутков диаметром >50 мм твердость следует проверять в середине радиуса, а не на поверхности после прокатки.
Дополнительные положения, которые следует учитывать:
Для деталей со сквозной закалкой: «Твердость по всей толщине на одном конце стержня по ASTM E384, отклонение ≤ 2 HRC по сечению».
Для деталей с цементацией: «Эффективная глубина гильзы 0,8–1,2 мм при 550 HV (HV1) согласно ASTM E384».
Для кованого прутка: «HBW измерена на обработанной лыске по среднему радиусу; кованая поверхность не приемлема для проверки твердости».
Вопрос: Почему на моем слитке 4140 указано 30 HRC, а в заводском сертификате указано 285 HBW?
30 HRC ≈ 285 HBW по ASTM E140 — они эквивалентны. Завод может отчитываться в HBW, потому что Бринелль является стандартным испытанием на производстве для батончиков Q&T; заказчик может указать HRC, поскольку это расчетное число. Оба верны.
Вопрос: Почему множитель 3,45 дает мне неправильный UTS?
Потому что множитель предназначен для среднеуглеродистой стали Q&T от 150 до 500 HBW. Если сталь аустенитная, нержавеющая, чугунная, цементируемая или с твердостью более 500 HBW, используйте правильный множитель из таблицы А.1 ISO 18265.
Вопрос: Могу ли я использовать портативный тестер Rockwell для прокатанного прутка?
Только для ознакомительного чтения. Окалина после прокатки и обезуглероживание могут снизить кажущуюся HRC на 2–5 пунктов. Для приемки сначала обработайте небольшую плоскую поверхность или проверьте фрезерованную торцевую поверхность.
Вопрос: Является ли Викерс более точным, чем Роквелл?
Более чувствительный, но не обязательно более точный. Виккерс — это эталонная шкала, используемая для сертификации блоков испытаний Rockwell. Для работы на производстве Rockwell работает быстрее и достаточно хорошо. Для лабораторных или углубленных исследований Vickers — единственный выбор.
Вопрос: Что такое HBW и HB?
HB — это старое неспецифическое обозначение, оно может означать стальной шарик (HBS) или шарик из карбида вольфрама (HBW). Начиная с ISO 6506:2005 и ASTM E10-14, стандартом является только шарик из карбида вольфрама, поэтому единственным обозначением является HBW. Если в сертификате завода указано «HB», предположим, что это HBW.
Qilu Metal поставляет стержни Q&T, кованые стержни и пластины из инструментальной стали AISI 4140 , , AISI 4340 , , AISI 4130 и AISI D2 с твердостью, подтвержденной согласно ASTM E18/E10/E92 на обработанных поверхностях, с полным отчетом о прокатных испытаниях и возможностью отслеживания. Если вам требуется определенное окно твердости для закаленной и отпущенной детали, отправьте чертеж и спецификацию — наша металлургическая группа подтвердит рецепт термообработки, место проведения испытаний и диапазон приемлемости, а также предоставит ценовую информацию. Электронная почта enquiry@qilumetal.com.
