Převod tvrdosti a vztahy mezi vlastnostmi oceli

Co převod tvrdosti skutečně znamená

Převod tvrdosti je empirické zmapování mezi zkušebními stupnicemi. Nemění materiál, nereprodukuje původní vtisk ani neodhaluje skrytou „skutečnou“ hodnotu tvrdosti. Když je ocel zkoušena Brinellovou metodou a výsledek je uveden jako 210 HBW, toto číslo vychází z definovaného indentoru, síly, doby zatížení a měření vtisku. Pokud je tentýž výsledek pomocí převodní tabulky uveden přibližně jako 21 HRC, zkouška Rockwell nebyla provedena. Hodnota HRC je odvozena ze vztahu stanoveného s použitím srovnatelných materiálů a zkušebních podmínek.

Toto rozlišení je důležité, protože stupnice tvrdosti měří související, avšak odlišné odezvy. Brinellova tvrdost využívá průměr poměrně velkého vtisku vytvořeného karbidovou kuličkou. Vickersova tvrdost využívá diamantový jehlan a tvrdost vypočítává z použité síly a délek obou úhlopříček vtisku. Rockwellova tvrdost určuje hloubku vtisku při stanovených předběžných a celkových silách; stupnice HRC používá diamantový kužel a celkovou sílu 150 kgf. Jejich čísla nejsou různými jednotkami jedné univerzální fyzikální veličiny.

Naměřená tvrdost versus převedená tvrdost

Naměřená hodnota se vztahuje ke zkoušce, která byla skutečně provedena. Laboratorní protokol uvádějící 210 HBW 10/3000 identifikuje Brinellovu stupnici, karbidovou kuličku o průměru 10 mm a jmenovitou sílu 3000 kgf. „500 HV10“ označuje Vickersovu zkoušku provedenou silou 10 kgf. „32 HRC“ označuje výsledek zkoušky Rockwell C získaný za podmínek předepsaných pro tuto stupnici. Doplňkové údaje a podrobnosti zkoušky jsou součástí výsledku, nikoli nepovinnou ozdobou.

Převedená tvrdost by měla být uváděna odděleně od přímo změřené stupnice. Strong evidence

Převedená hodnota by měla být jako taková označena. Například „210 HBW, přibližně 21 HRC podle ASTM E140-12“ sděluje dva samostatné fakty: první hodnota byla naměřena, zatímco druhá byla odečtena nebo vypočtena z uznávané korelace. Uvedení pouze „21 HRC“ může vyvolat dojem, že odvozená hodnota byla přímo naměřena, což je zavádějící, pokud by výsledek mohl ovlivnit stav povrchu, tloušťka průřezu nebo volba stupnice.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Standardní převodní tabulky tvrdosti kovů, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchovou Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro stanovené kovy. Její tabulky zahrnují homogenní uhlíkové, legované a nástrojové oceli, avšak samotná existence kategorie ocelí neznamená, že jsou všechny jakosti vzájemně zaměnitelné. ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny legováním, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Kalená a popuštěná ocel 4140, normalizovaná ocel AISI 1020 a za studena tvářená nerezová ocel 301 mohou vykazovat odlišné vztahy, i když jsou jejich hodnoty na jedné stupnici podobné.

Geometrie rovněž ovlivňuje platnost měření ještě předtím, než se vůbec přistoupí k převodu. U tenkého plechu může být při Brinellově nebo Vickersově zkoušce nadměrně výrazný vliv protilehlého povrchu. Zakřivená součást může vést ke změněnému vtisku nebo k nesprávné interpretaci hloubky při zkoušce Rockwell. Malý vtisk umístěný příliš blízko okraje, jiného vtisku, svaru nebo oduhličeného povrchu nemusí reprezentovat objemový materiál. Převod nemůže napravit nesprávně zvolené nebo neplatné místo zkoušky.

Převodní tabulky, korelace a odhady

Převodní tabulka je aproximované shrnutí výsledků zkoušek, obvykle rozdělené podle skupiny materiálu a rozsahu tvrdosti. Nejde o matematickou identitu mezi stupnicemi. V rozsahu použit​​ém k vytvoření tabulky může být průměrný rozdíl mezi naměřenými stupnicemi malý; mimo tento rozsah se chyba může prudce zvětšit. Interpolace v uvedeném rozsahu je obecně lépe obhajitelná než extrapolace mimo něj.

Rovnice poskytují stejný typ vztahu v jiné podobě. Korelace může být v omezeném rozsahu lineární, polynomická nebo založená na regresi proložené konkrétní skupinou ocelí. Koeficienty popisují tuto skupinu. Nestanovují fyzikální zákon platný pro všechny oceli. Rozptyl může vznikat v důsledku geometrie indentoru, elastického zotavení, plastického toku, anizotropie, přípravy povrchu a změn v mikrostruktuře.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265 omezuje přímou použitelnost převedených hodnot na přesně zkoušený materiál a řadí odhady pevnosti v tahu mezi nejméně spolehlivé. Strong evidence

ISO 18265:2013, Kovové materiály — Převod hodnot tvrdosti, stanovuje zásady převodu hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a odhadu pevnosti v tahu. Upozorňuje, že „převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen“, a označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody (International Organization for Standardization, 2013). Toto upozornění stanovuje správné pořadí míry jistoty: přímý výsledek tvrdosti je nejspolehlivější, převod na jinou stupnici tvrdosti je méně jistý a odhad pevnosti v tahu je ještě méně jistý.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

Starší studie NIST o empirických vztazích mezi hodnotami Rockwell a Brinell, publikovaná v roce 1929, zjistila, že pevnost v tahu oceli lze často pro komerční účely odhadnout z Brinellovy tvrdosti. Označení „komerční účely“ je důležitým omezením. Podporuje třídění, kontrolu procesu a přibližné porovnávání materiálů; nenahrazuje však tahovou zkoušku tam, kde specifikace, konstrukční výpočet, analýza poruchy nebo rozhodnutí o převzetí závisí na mezi kluzu, mezní pevnosti v tahu, prodloužení nebo kontrakci.

Přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS platí pouze pro některé vysokopevnostní, tvárné kovové materiály. Limited evidence

Často opakovaný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS platí pro některé vysokopevné, tvárné kovové materiály, přičemž tvrdost musí být vyjádřena v kompatibilní jednotce napětí. Výzkum publikovaný v časopise Materials Science and Engineering: A v roce 2012 spojil tuto aproximaci s konkrétními třídami materiálů a zároveň ukázal, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisejí na mikrostruktuře a morfologii vtisku. Tento výraz by proto měl být považován za odhad specifický pro danou třídu materiálů, nikoli za převodní pravidlo pro každou uhlíkovou nebo legovanou ocel.

Proč jedno číslo nemůže reprezentovat každou ocel

Označení jakosti oceli popisuje chemické složení a specifikaci, nikoli jediný mechanický stav. Ocel AISI 1045 může být dodávána ve stavu po válcování za tepla, normalizovaném, žíhaném, kaleném a popuštěném nebo povrchově kaleném. Každý z těchto stavů mění rozložení fází, velikost zrna, zbytkové napětí a chování při deformaci. Stejná jmenovitá jakost proto může mít odlišné vztahy mezi tvrdostí a pevností. Hodnota naměřená na povrchu cementované oceli 8620 může popisovat martenzitickou vrstvu, zatímco hlubší měření popisuje jádro s nižším obsahem uhlíku; jedno převedené číslo nemůže reprezentovat obě oblasti.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

Technická zpráva SAE Zkoušky tvrdosti a převody čísel tvrdosti (1967) uvádí, že přesné převody musí být vytvořeny pro konkrétní složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a způsob zpracování ovlivňují tento vztah. To je obzvláště důležité u svařenců, výkovků, tepelně ovlivněných oblastí a součástí s výraznými tepelnými gradienty.

Výzkum zveřejněný v časopise Materials Today: Proceedings v roce 2023 zjistil obecně lineární empirický vztah mezi Brinellovou tvrdostí a parametry pevnosti v tahu u historických i současných nelegovaných konstrukčních ocelí ve stavu po výrobě nebo normalizaci. Tento výsledek je užitečný právě proto, že jsou uvedeny jeho meze. Bez ověření by neměl být přenášen na kalenou a popuštěnou nástrojovou ocel, precipitačně vytvrzenou nerezovou ocel, bainitický plech ani silně za studena tvářený výrobek.

Praktické pravidlo je jednoduché: převod má význam pouze v rámci skupiny materiálů, stavu, rozsahu zkoušky a geometrie, pro které byl daný vztah vytvořen. Pokud rozhodnutí závisí na tahových vlastnostech, proveďte tahovou zkoušku. Pokud musí být uvedena převedená hodnota tvrdosti, zachovejte přímo naměřenou stupnici, identifikujte převodní normu nebo rovnici, uveďte stav materiálu a rozsah a výsledek označte jako přibližný.

Stupnice tvrdosti používané pro ocel

Dynamická odrazová tvrdostDynamická odrazová tvrdost Tvrdost odvozená z poměru rychlosti nárazu a rychlosti odrazu, nikoli ze statického vtisku.

Tvrdost oceli se uvádí na několika stupnicích, protože žádná jednotlivá zkouška není vhodná pro každý průřez, povrch nebo mikrostrukturu. Výsledek může pocházet z velkého statického vtisku, malého vtisku diamantovým indentorem nebo z dynamického odrazového děje. Tyto hodnoty nejsou ze své podstaty vzájemně zaměnitelné. Hodnota naměřená jako HRC není stejnou fyzikální veličinou jako hodnota uvedená jako HBW, i když jim převodní tabulka přiřadí přibližně ekvivalentní čísla.

Volba stupnice závisí na očekávané tvrdosti, tloušťce průřezu, jakosti povrchu, opoře pod místem zkoušky a na tom, zda ocel obsahuje lokální gradienty způsobené cementováním, nitridováním, svařováním nebo popouštěním. Tenká součást se může pod velkým indentorem ohnout nebo plasticky deformovat. Hrubý povrch může vnést chybu do měření malé hloubky. Mikroskopicky tenká povrchová vrstva může být při příliš velkém vtisku zprůměrována s měkčím jádrem.

Tvrdost podle Brinella: HBW a velké vtisky

Při Brinellově metodě se do oceli vtlačuje tvrdá kulička stanovenou silou a následně se měří průměr trvalého, přibližně kruhového vtisku. Moderní označení používá HBW, přičemž písmeno W označuje kuličku z karbidu wolframu. Úplný výsledek lze například zapsat jako 220 HBW 10/3000, což znamená tvrdost podle Brinella 220, získanou kuličkou o průměru 10 mm a jmenovitou silou 3000 kgf. Zkušební norma je ASTM E10; ISO 6506 používá tutéž základní metodu.

Běžné Brinellovy kuličky mají průměr 1, 2,5, 5 nebo 10 mm. Použitá síla se volí s ohledem na průměr kuličky a materiál; při zkoušení oceli jsou typické síly 500, 1500 a 3000 kgf. Zkušební stroj udržuje sílu po stanovenou dobu působení, po jejímž uplynutí obsluha nebo optický systém změří průměr vtisku. Hodnota HBW se vypočítává ze síly, průměru kuličky a průměru vtisku, nikoli pouze z hloubky vtisku.

V porovnání s vtisky vytvořenými při Rockwellových nebo mikrotvrdomostních zkouškách je vtisk velký. To je užitečné, pokud jsou ferit, perlit, bainit nebo popuštěný martenzit rozloženy v reprezentativním objemu oceli, protože výsledek zprůměruje několik zrn a malé lokální odchylky. Zároveň jde o omezení. Kulička o průměru 10 mm nemusí být vhodná v blízkosti hrany, na tenkém plechu, vedle svaru nebo přes mělkou kalenou vrstvu. Místo zkoušky musí mít dostatečnou tloušťku a pevnou oporu, aby se vzorek při zatěžování neohýbal ani nedeformoval. Povrch musí být přiměřeně rovný a zbavený okují, oduhličené vrstvy a hlubokých stop po obrábění.

Brinellova zkouška se široce používá u odlitků, výkovků, normalizovaných ocelí a dalších součástí, u nichž je důležitý velký reprezentativní objem. Je méně vhodná pro velmi tvrdou ocel, pokud by se kulička mohla deformovat, pro malé dokončené součásti a pro úzké tepelně ovlivněné oblasti. Menší kulička a nižší síla mohou zmenšit vtisk, výsledek však potom vyžaduje pečlivější kontrolu rozestupů, tloušťky a přípravy povrchu.

Tvrdost podle Rockwella: HRC, HRB a povrchové stupnice

Rockwellova zkouška tvrdosti měří trvalý přírůstek hloubky vtisku při působení předběžného zatížení, po němž následuje hlavní zatížení. Neměří průměr vtisku. Stroj nejprve působí předběžným zatížením 10 kgf, aby stanovil referenční polohu, poté aplikuje hlavní zatížení, hlavní zatížení odstraní při zachování předběžného zatížení a zbytkovou hloubku převede na číslo tvrdosti. U běžných Rockwellových stupnic odpovídá jeden bod tvrdosti změně hloubky o 0,002 mm.

HRC používá diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120°, běžně nazývaný indentor Brale, a hlavní zatížení 150 kgf. Je určen pro tvrdší oceli, včetně kalených a popuštěných nástrojových ocelí a mnoha kalených legovaných ocelí. HRB používá kuličku z karbidu wolframu nebo kalené oceli o průměru 1/16 palce a hlavní zatížení 100 kgf, takže je vhodná pro měkčí oceli, žíhané nízkouhlíkové oceli, slitiny mědi a podobné materiály. U dalších běžných Rockwellových stupnic se používají jiné kuličky nebo zatížení, proto je písmeno nezbytné; označení „Rockwell 60“ bez uvedení stupnice je neúplné.

Výsledek Rockwellovy zkoušky je rychlý, protože stroj přímo odečítá hloubku, a malý vtisk často zanechává méně viditelnou stopu než Brinellova zkouška. Díky malé kontaktní ploše je však zkouška citlivá také na drsnost povrchu, zakřivení, oduhličené vrstvy a jednotlivé tvrdé nebo měkké složky. Vzorek musí být dostatečně tlustý a tuhý, aby odolal pohybu. Měření provedené příliš blízko hrany, jiného vtisku nebo přerušení opory může dát falešně vysokou nebo nízkou hodnotu.

Povrchové Rockwellovy stupnice používají stejný princip měření hloubky, ale nižší síly pro tenké průřezy, malé součásti a povrchové vrstvy. Po předběžném zatížení 3 kgf následuje podle zvolené stupnice a typu indentoru hlavní zatížení 15, 30 nebo 45 kgf. Označení jako 30N, 45N, 30T a 15T identifikují sílu a skupinu indentoru; označení stupnice musí být uvedeno přesně a nesmí být nahrazeno běžným HRC nebo HRB. Povrchové zkoušky snižují riziko proniknutí skrz tenkou kalenou vrstvu nebo deformace lehkého průřezu, automaticky však neposkytují přesnější výsledek. Povrch stále vyžaduje vhodnou přípravu a ovlivněná hloubka musí být dostatečná v poměru k rozměrům vtisku.

Mikrotvrdost podle Vickerse a Knoopa

Při Vickersově metodě se do vzorku vtlačuje diamantový jehlan se čtvercovou základnou a úhlem 136° mezi protilehlými stěnami. Po odlehčení obsluha opticky změří obě úhlopříčky zbytkového vtisku a vypočítá HV, tedy tvrdost podle Vickerse. Zkušební síly sahají od mikrotvrdomostních zatížení několika gram-sil až po běžná zatížení kolem 100 kgf. Označení jako 600 HV 0.5 uvádí tvrdost a zkušební sílu 0,5 kgf.

Protože diamant v běžném rozsahu tvrdosti oceli nemění svůj tvar, může Vickersova metoda pokrýt měkké i velmi tvrdé oceli jedinou geometrií indentoru. Je cenná při zkoušení průřezů svarů, kontrole oduhličení, zkoušení nitridovaných vrstev, cementovaných vrstev a při měření průběhu tvrdosti přes lokální gradienty. Vtisk je mnohem menší než Brinellův vtisk, proto je nutná leštěná příprava a pečlivé dodržení rozestupů. Při velmi nízkých zatíženích mohou číslo výrazně ovlivnit drsnost povrchu, elastické zotavení, rozlišení měření a jednotlivé fáze. Ocel musí být pevně podepřena; tenká fólie nebo nepodepřená hrana se může ohnout, místo aby do ní vznikl platný vtisk.

Knoopova mikrotvrdost rovněž používá diamant, jeho tvar je však protáhlý a nesymetrický. Měří se delší úhlopříčka vtisku a získává se hodnota Knoopovy tvrdosti, běžně označovaná HK. Knoopova metoda je obzvláště užitečná pro velmi tenké povlaky, malé hloubky povrchových vrstev a křehké nebo malé oblasti, protože vtisk je mělký a protáhlý. Její geometrie činí výsledek citlivým na orientaci, přípravu povrchu, praskání a směr mikrostrukturních znaků. Hodnoty podle Knoopa a Vickerse by neměly být považovány za totožné jen proto, že obě metody používají diamantové indentory.

Metody Leeb a Scleroscope

Leebova tvrdost je dynamická odrazová metoda, nikoli statická zkouška vtlačováním. Pružinou poháněné nárazové těleso, obvykle opatřené kuličkou z karbidu wolframu nebo jiným stanoveným hrotem, narazí do povrchu. Přístroj změří rychlost nárazu a rychlost odrazu a uvede hodnotu Leebovy tvrdosti, obvykle HL, založenou na jejich poměru. Výsledná kontaktní stopa je malá, odečet však silně závisí na jakosti povrchu, zakřivení, hmotnosti, tloušťce, opoře a směru nárazu. Zkoušení podle Leeba upravuje ASTM A956.

Leebova metoda je užitečná u velkých výkovků, instalovaných strojních zařízení a míst, kde nelze umístit běžný stolní tvrdoměr. Součást musí být těžká nebo pevně spojena s tuhou oporou; jinak vibrace pohlcují energii a snižují hodnotu odrazu. Převod z HL na HRC, HBW nebo jinou stupnici vyžaduje správné nárazové zařízení, směr a skupinu materiálu. Nejde o přímou náhradu statické zkoušky vtlačováním.

Metoda Scleroscope rovněž využívá odraz. Diamantovým hrotem opatřené kladívko se uvolní z pevně stanovené výšky uvnitř svislé trubice a sleduje se nebo elektronicky měří výška, do níž se odrazí od povrchu oceli. Výsledek se vyjadřuje v jednotkách tvrdosti Scleroscope, běžně zapisovaných jako HS. Na rozdíl od Brinellovy nebo Vickersovy metody nevypočítává tvrdost z naměřeného trvalého vtisku. Čistota povrchu, svislé vyrovnání, hmotnost, opora a drsnost proto mají zásadní vliv.

ASTM E140-12 uvádí přibližné vztahy mezi hodnotami HBW, HV, Rockwell, povrchového Rockwella, Knoopa, Scleroscope a Leeba pro stanovené kovy, včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM uvádí, že převody ovlivňují legování, struktura zrna a tepelné zpracování. ISO 18265:2013 rovněž stanovuje zásady převodu a upozorňuje, že převedené hodnoty se přímo vztahují pouze na přesně zkoušený materiál; odhady pevnosti v tahu představují nejméně spolehlivé převody. Volba stupnice by proto měla nejprve vést k získání platné naměřené hodnoty. Převedené číslo je pouze doplňkovým důkazem, nikoli náhradou přímé zkoušky, pokud na pevnosti oceli nebo na jejím přijetí závisí rozhodnutí.

ASTM E140 a ISO 18265: Co normy dovolují

Normy pro převod tvrdosti nemění jeden výsledek zkoušky na ekvivalentní měření provedené jinou metodou. Poskytují empirické vztahy mezi stupnicemi tvrdosti, obvykle vyjádřené v tabulkách. Toto rozlišení je důležité: naměřená hodnota se získává přímo použitím specifikovaného indentoru, síly, doby setrvání a postupu na daném dílu; převedená hodnota se vypočítává z tohoto měření a odhadovaná pevnost v tahu je dalším odvozením z tvrdosti. Každý krok může přidat nejistotu.

Rozsah normy ASTM E140-12

ASTM E140-12, Standardní převodní tabulky tvrdosti pro kovy, uvádí přibližné vztahy mezi stanovenými stupnicemi tvrdosti pro stanovené kovy. Její tabulky zahrnují hodnoty podle metod Brinell, Vickers, Rockwell, povrchové Rockwellovy metody, Knoop, Scleroscope a Leeb. Tento dokument není obecnou rovnicí, která činí všechny stupnice tvrdosti vzájemně zaměnitelnými. Je referenčním podkladem pro případy, kdy materiál a podmínky zkoušky spadají do oblasti zkušeností zachycené v příslušné tabulce.

Pro ocel norma zahrnuje tabulky pro homogenní uhlíkové oceli, legované oceli a nástrojové oceli. Pojem „homogenní“ je důležitý. Nelze předpokládat, že tabulka vytvořená pro přiměřeně homogenní ocel bude popisovat cementovanou vrstvu, oduhličený povrch, tepelně ovlivněnou oblast svaru, pásový válcovaný výrobek nebo díl s výrazným gradientem tvrdosti. Indentor může snímat pouze mělkou oblast, zatímco požadovaný převod implicitně předpokládá homogenní materiál pod touto oblastí.

ASTM International přímo uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (2012). Tyto proměnné mění odezvu na deformaci pod indentorem. Dvě oceli mohou mít stejnou tvrdost podle Brinella, ale odlišný podíl feritu, perlitu, bainitu, martenzitu nebo zbytkového austenitu. Mohou proto vykazovat odlišné pevnosti v tahu, chování při mezi kluzu a výsledky na jiné stupnici tvrdosti. Ani v rámci jedné jakosti nemusí normalizovaný, kalený a popuštěný, žíhaný a tvářený za studena stav sledovat stejnou převodní křivku.

Tabulky rovněž závisí na rozsahu pokryté tvrdosti. Převod v blízkosti středu tabulky není automaticky spolehlivý u její horní nebo dolní hranice. Extrapolace není přípustnou náhradou za údaj v tabulce. Výsledek podle Rockwellovy stupnice C by se také neměl převádět na Brinell, pokud je vtisk příliš blízko hrany, jiného vtisku, opěrné plochy nebo hranice svaru. Čistý číselný výstup nenapraví nekvalitně provedenou zkoušku.

Volba stupnice předchází převodu. Brinellova metoda je často užitečná pro relativně hrubozrnné, heterogenní nebo velkoprůřezové oceli, protože její velký vtisk představuje průměr přes větší objem. Vickersova metoda pokrývá široký rozsah tvrdosti a lze ji provádět při malých zatíženích, avšak malé vtisky jsou citlivější na přípravu povrchu, místní fáze a rozlišení měření. Rockwellovy metody jsou rychlé a praktické pro mnoho výrobních kontrol, zatímco povrchové Rockwellovy stupnice snižují sílu a hloubku vniknutí u tenčích průřezů nebo povrchově upravených vrstev. Metody Leeb a Scleroscope jsou dynamické zkoušky, jejichž údaje silně závisí na hmotnosti, podepření, orientaci, stavu povrchu a kalibraci přístroje.

ASTM E140-12 tyto rozdíly mezi metodami nemaže. Tabulka může například uvádět přibližný vztah mezi HRC a HB, nemůže však prokázat, že konkrétní díl byl správně zkoušen nebo že jeho mikrostruktura patří do souboru materiálů, z něhož byl tento vztah odvozen. Uváděný výsledek by proto měl zachovávat původní stupnici i metodu. Údaj „62 HRC, převedeno přibližně na 700 HV“ poskytuje více informací než pouhé uvedení „700 HV“, protože první hodnota je naměřená a druhá odvozená.

Stejná opatrnost platí, pokud se tvrdost používá k odhadu pevnosti v tahu. Studie NIST týkající se empirických vztahů mezi hodnotami Rockwell a Brinell, publikovaná v roce 1929, uvedla, že pevnost v tahu oceli lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella. Toto zjištění podporuje praktický odhad v rámci odpovídajícího souboru ocelí; nestanovuje však pevnost v tahu jako univerzální funkci HB. Tahová zkouška měří chování související s lomem na tvarovaném zkušebním tělese, zatímco vtisková zkouška měří lokální odpor proti plastické deformaci v jiném napěťovém stavu.

Principy normy ISO 18265:2013

ISO 18265:2013, Kovové materiály — Převod hodnot tvrdosti, stanovuje principy převodu hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a odhadu pevnosti v tahu. Norma považuje převod za podmíněný materiálem, metodou měření tvrdosti, příslušným rozsahem a důkazy, o něž se vztah opírá. Je proto spíše rámcem pro odpovědné používání než tvrzením, že všechny stupnice mají jednu pevnou matematickou ekvivalenci.

Jedno z hlavních omezení je výslovné: „Převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně tentýž zkoušený materiál“ (International Organization for Standardization, 2013). V praxi pojem „přesně tentýž materiál“ zahrnuje více než pouze jmenovité označení jakosti, jako jsou ASTM A36, AISI 4140 nebo UNS S30400. Zahrnuje chemické složení v příslušných mezích, formu výrobku, strukturu zrna, stav povrchu, tepelné zpracování, předchozí deformaci a v mnoha případech i konkrétní výrobní postup. Tyč z oceli 4140 zušlechtěná kalením a popouštěním při 600 °C není zaměnitelná s ozubeným kolem z oceli 4140 s cementovanými zuby nebo s indukčně kaleným hřídelem jen proto, že všechny nesou stejné základní označení jakosti.

ISO 18265:2013 rovněž označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody. Toto pořadí je z metalurgického hlediska smysluplné. Převod mezi dvěma vtiskovými stupnicemi již závisí na tom, jak různé indentory a zatížení působí na tentýž materiál. Přechod od tvrdosti k mezní pevnosti v tahu přidává další závislost na deformačním zpevnění, vadách, anizotropii, geometrii zkušebního tělesa a chování při porušení. Číslo tvrdosti může sloužit jako kontrola nesprávného tepelného zpracování, samo o sobě však nemůže prokázat shodu se stanoveným rozsahem pevnosti v tahu, pokud je tato vlastnost požadavkem návrhu nebo přejímky.

Často opakovaný vztah ilustruje nebezpečí odstraňování podmínek z důkazů. Studie publikovaná v roce 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A identifikovala přibližný vztah $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ pro některé vysoce pevné, tvárné kovové materiály. Zde $H_V$ představuje tvrdost vyjádřenou v kompatibilní jednotce napětí a ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ je mezní pevnost v tahu. Tento vztah je specifický pro určitou třídu materiálů, nikoli zákon platný pro všechny oceli. Stejná studie uvedla, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Použití koeficientu tři na litinu, měkkou žíhanou nízkouhlíkovou ocel, precipitačně vytvrzenou korozivzdornou ocel a popuštěnou martenzitickou nástrojovou ocel by bez příslušného omezení nebylo obhajitelné.

Existují užší případy, v nichž je empirický vztah užitečný. Studie z roku 2023 zaměřená na historické a současné nelegované konstrukční oceli zjistila obecně lineární vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u ocelí ve stavu po tváření nebo v normalizovaném stavu. Tento výsledek může podpořit odhad specifický pro výrobní závod nebo skupinu výrobků, pokud zkoušený materiál zůstane v rámci zkoumaného souboru. Neopravňuje však k přenosu této přímky na legovanou ocel zušlechtěnou kalením a popouštěním, drát tažený za studena nebo svařenec.

Přibližné tabulky versus kalibrace specifická pro materiál

Standardizovaná referenční tabulka a kvalifikační korelace odpovídají na odlišné otázky. ASTM E140-12 se v podstatě ptá, jaká přibližná hodnota tvrdosti může odpovídat naměřené hodnotě pro stanovenou třídu kovů v rámci rozsahu uvedeného v normě. Kvalifikační korelace se ptá, jaký vztah byl prokázán pro jednu definovanou ocel, výrobní postup, stav a díl.

Výrobce nebo laboratoř může například zkoušet normalizovanou ocel 1045 z konkrétního výrobního procesu, měřit tvrdost podle Brinella a pevnost v tahu na odpovídajících zkušebních tělesech a vytvořit regresní vztah v rámci skutečného výrobního rozsahu. Výsledná rovnice může být vhodná pro tento stav oceli 1045, pokud je ověřována na nových šaržích a podpořena analýzou nejistoty. Neměla by se automaticky používat pro indukčně kalenou ocel 1045 ani nahrazovat tahové zkoušky, pokud smlouva přímo stanovuje mez kluzu nebo mezní pevnost.

Technická zpráva SAE z roku 1967, Zkoušky tvrdosti a převody čísel tvrdosti, vyjadřuje tento princip prakticky: přesné převody musí být vypracovány pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a díl, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují daný vztah. Velikost a hmotnost dílu jsou zvláště významné u dynamických metod a u tenkých průřezů, které nemohou zajistit dostatečné podepření. Příprava povrchu, zakřivení, rozestup vtisků a tvrdost podkladové vrstvy mohou rovněž posunout naměřenou hodnotu ještě před zahájením jakéhokoli převodu.

Obhajitelný protokol zaznamenává naměřenou tvrdost, normu a stupnici, zkušební sílu nebo zatížení, indentor, místo měření, stav povrchu, jakost materiálu a stav po tepelném zpracování. Je-li požadována převedená hodnota, měla by být označena jako převedená a spojena s ASTM E140-12 nebo ISO 18265:2013, včetně tabulky nebo rozsahu, pokud je to prakticky možné. Je-li odhadována pevnost v tahu, měl by protokol uvést empirický model, kalibrační soubor, rozptyl a meze použití.

Pokud výsledek ovlivňuje konstrukci kritickou z hlediska lomu, uvolnění po tepelném zpracování nebo formální přejímku podle tahových vlastností, je přímá tahová zkouška vhodným důkazem, pokud samostatně kvalifikovaný postup nestanovil korelaci. Převod tvrdosti je cenný pro porovnávání a řízení procesu. Není však oprávněním považovat pohodlně získané číslo za univerzální náhradu.

Proč jakost oceli a chemické složení mění převod

Číslo tvrdosti popisuje odolnost vůči konkrétnímu vtiskovacímu tělesu při konkrétním průběhu zatěžování. Neurčuje úplnou pevnost, tažnost, lomové chování ani mikrostrukturu oceli. Dva vzorky mohou mít oba naměřenou tvrdost 200 HBW, přičemž této hodnoty dosáhnou prostřednictvím velmi odlišného zastoupení feritu, perlitu, bainitu, martenzitu, karbidů a zbytkového austenitu. Jejich pevnosti v tahu se mohou lišit a jejich hodnoty na jiné stupnici tvrdosti nemusí odpovídat číslu navrhovanému obecnou převodní tabulkou.

Toto rozlišení odděluje naměřenou tvrdost od převedené tvrdosti a od odhadované pevnosti v tahu. Naměřených 200 HBW je výsledek definované zkoušky podle Brinella. Hodnota, například 92 HRB získaných z tabulky, je převedený výsledek. Pevnost v tahu odvozená z kterékoli z těchto hodnot představuje další odhad s dodatečnou nejistotou. Norma ASTM E140-12, Standardní převodní tabulky tvrdosti pro kovy, uvádí přibližné vztahy pro stanovené kovy a stupnice tvrdosti, avšak ASTM výslovně uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012).

Uhlík, legující prvky a prokalitelnost

Uhlík mění tvrdost oceli několika vzájemně propojenými mechanismy. U nízkouhlíkové feritické oceli zůstává značná část uhlíku ve feritu nebo vytváří relativně malé množství perlitu. Zvyšování obsahu uhlíku obecně zvyšuje podíl perlitu ve struktuře ochlazované pomalu a zvyšuje množství uhlíku dostupného pro tvorbu martenzitu během kalení. Martenzit je mnohem tvrdší než ferit, ale jeho tvrdost také výrazně závisí na obsahu uhlíku a stavu po popouštění. Zakalené oceli s obsahem 0,40 % C a 0,20 % C proto nelze přiřadit stejný vztah k pevnosti v tahu pouze proto, že povrchové měření náhodou poskytne podobnou hodnotu.

ProkalitelnostProkalitelnost Schopnost oceli vytvořit martenzit do určité hloubky při stanovených podmínkách ochlazování; není totožná s maximální tvrdostí.

Legující prvky mění jak přítomné fáze, tak i průběh jejich vzniku. Mangan, chrom, molybden a nikl mohou zpomalit přeměny perlitu a bainitu, a zvýšit tak prokalitelnost — hloubku, do které může ocel při stanovené rychlosti ochlazování vytvořit martenzit. AISI 1045 může v průřezu, který se na povrchu ochlazuje rychle, vytvořit tvrdý martenzitický povrch a měkčí feriticko-perlitické jádro. AISI 4140 s přísadami chromu a molybdenu může při srovnatelném zpracování prokřehnout? více do hloubky. Pokud oba díly podstoupí stejné jmenovité kalení, jejich profily tvrdosti a tahové vlastnosti se mohou lišit, i když jedno místní vtlačení poskytne stejnou hodnotu HRC.

Rozlišení mezi tvrdostí a prokalitelností je důležité u tlustých průřezů. Prokalitelnost neznamená, že každý bod bude stejně tvrdý; znamená, že ocel při ochlazování odolává difuzní přeměně. Rychlost ochlazování je dána rozměrem průřezu, kalicím prostředkem, jeho pohybem a geometrií součásti. Technická zpráva SAE z roku 1967, Zkoušky tvrdosti a převody čísel tvrdosti, proto uvádí, že přesné převody musí být vytvořeny pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují tento vztah (SAE International, 1967).

Karbidy představují další zdroj rozdílů. Karbidy bohaté na chrom v nástrojové nebo korozivzdorné oceli, karbidy vanadu v některých rychlořezných ocelích nebo ocelích vyráběných práškovou metalurgií a karbidy železa v perlitu nereagují s vtlačením stejným způsobem jako homogenní martenzitická matrice. Vysoký podíl karbidů může zvýšit odpor proti vtlačení a současně oslabit vztah mezi tvrdostí a tahovou deformací matrice. Zbytkový austenit může způsobit opačnou komplikaci: vzorek může po kalení vykazovat vysokou tvrdost, avšak následná přeměna během provozu nebo broušení může změnit jeho rozměry i naměřenou tvrdost.

Důležité je také popouštění. Popuštěný martenzit, bainit a jemný perlit mohou zaujímat překrývající se rozsahy tvrdosti, a přitom mít odlišný poměr meze kluzu k pevnosti v tahu i odlišné lomové chování. Naměřenou hodnotu pak ovlivňuje velikost vtisku, zbytkové napětí, deformační zpevnění a anizotropie. Stejná jmenovitá tvrdost nepředstavuje fázovou analýzu.

Nelegované konstrukční oceli a komerční korelace

Obecný trend mezi tvrdostí a pevností může být v rámci omezené skupiny ocelí stále užitečný. Nelegované konstrukční oceli ve stavu po výrobě nebo po normalizačním žíhání často obsahují ferit a perlit, jejichž podíly se mění s obsahem uhlíku a průběhem ochlazování. Historické i současné nelegované konstrukční oceli zkoumané v roce 2023 vykázaly v těchto stavech obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu (Materials Today: Proceedings, 2023). Tento výsledek vysvětluje, proč mohou odhady pevnosti založené na Brinellově tvrdosti přiměřeně fungovat u kontrolované skupiny běžných konstrukčních ocelí.

Tento vztah je empirický, nikoli fyzikální zákon. U jakostí, jako jsou EN 10025-2 S275JR a EN 10025-2 S355JR, může měření tvrdosti podpořit kontrolu procesu nebo poskytnout hrubý screeningový odhad, pokud je známo, že materiálem je nelegovaná nebo nízkolegovaná konstrukční ocel v očekávaném dodacím stavu. Bez požadované tahové zkoušky však nemůže prokázat shodu se stanovenými rozsahy meze kluzu a pevnosti v tahu. Normalizační žíhání zjemňuje strukturu zrna a mění poměr feritu a perlitu; historie válcování a segregace mohou výsledek znovu změnit.

Studie NIST z roku 1929 týkající se empirických vztahů mezi Rockwellovou a Brinellovou tvrdostí uváděla, že pevnost v tahu oceli lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella (NIST, 1929). Rozhodujícím omezením je slovo „často“. Takový odhad je užitečný pro přibližnou korelaci v rámci souboru, z něhož byl odvozen, nikoli jako oprávnění nahradit tahovou zkoušku u všech jakostí oceli.

ISO 18265:2013 stanovuje zásady pro převod hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu, zároveň však upozorňuje, že převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně tentýž zkoušený materiál a že odhady pevnosti v tahu představují nejméně spolehlivé převody (ISO, 2013). Záznam v tabulce pro převod HBW na HRC proto nelze považovat za důkaz, že převedená hodnota HRC předpovídá pevnost v tahu se stejnou mírou spolehlivosti.

Nástrojové oceli, korozivzdorné oceli a vyloučené předpoklady

Nástrojové a korozivzdorné oceli odhalují omezení obecných korelací pro uhlíkové oceli. AISI D2 může v kalené a popuštěné matrici obsahovat značný podíl karbidů bohatých na chrom. AISI H13 může po tepelném zpracování pro nástrojové oceli pro práci za tepla obsahovat popuštěný legovaný martenzit. Korozivzdorná ocel AISI 420 může být od relativně měkkého žíhaného materiálu až po tvrdý martenzitický materiál po kalení a popouštění. Každý z těchto stavů mění odezvu při vtlačování a žádnému z nich by neměl být přiřazen převod pro uhlíkovou ocel pouze proto, že jeho hodnota HRC nebo HV spadá do stejného číselného rozsahu.

Austenitické korozivzdorné oceli, jako jsou AISI 304 a AISI 316, představují jiný problém. Jejich plošně centrovaná kubická matrice se může během vtlačování výrazně deformačně zpevňovat a tváření za studena může u některých složení vytvářet martenzit indukovaný deformací. Naměřená tvrdost po tváření za studena proto odráží jak původní složení, tak i historii zpracování. Feritické, duplexní, precipitačně vytvrzované a martenzitické korozivzdorné jakosti vyžadují samostatné předpoklady, protože se liší rovnováhou fází a mechanismy zpevnění.

Často uváděné přiblížení Hᵥ ≈ 3σUTS bylo identifikováno u některých vysokopevných, tvárných kovových materiálů, avšak studie z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A zdůrazňuje, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku (Materials Science and Engineering: A, 2012). Nejde o univerzální převod pro ocel.

Přímá zkouška tahem zůstává nezbytná, pokud vlastnosti v tahu rozhodují o přejímce, návrhu nebo posouzení porušení, není-li schválena kvalifikovaná korelace. Strong evidence

Protokoly by proto měly uvádět použitou stupnici, normu zkoušky, případně označení síly nebo kuličky, místo měření a stav materiálu. Pokud je uváděna převedená hodnota, označte ji jako převedenou a uveďte příslušnou tabulku nebo normu. Pokud je odhadována pevnost v tahu, označte ji jako odhad a uveďte rozsah materiálů, o který se odhad opírá. Pokud přejímka, konstrukční dovolené hodnoty nebo posouzení porušení závisí na tahových vlastnostech, zůstává nezbytná přímá tahová zkouška.

Tepelné zpracování a mikrostruktura: hlavní zdroje chyb

Tepelné zpracování je v každém vztahu tvrdosti proměnnou prvního řádu. Nelze je považovat za poznámku pod čarou uvedenou pod jakostí oceli. Dva vzorky se stejným nominálním chemickým složením mohou mít po žíhání, normalizaci, kalení, popouštění, nauhličování, nitridaci nebo indukčním kalení výrazně odlišnou tvrdost, pevnost v tahu, tažnost a odezvu při vtisku. Převod tvrdosti, který nezohledňuje stav materiálu, může vést k číslu působícímu přesně, ale s malou fyzikální vypovídací hodnotou.

Toto rozlišení je důležité, protože se často zaměňují tři různé veličiny. Naměřená tvrdost je výsledek získaný při specifikované zkoušce, například 220 HBW nebo 62 HRC. Převedená tvrdost je přibližný odhad na jiné stupnici, například hodnota Rockwell C odvozená z tvrdosti podle Vickerse. Odhad pevnosti v tahu je další dedukcí z tvrdosti a je méně spolehlivý než převod mezi stupnicemi. Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchový Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro specifikované kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. Zároveň uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, zrnitou strukturou a tepelným zpracováním“.

Stejné omezení výslovně stanoví norma ISO 18265:2013. Určuje zásady převodu hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a odhadu pevnosti v tahu, zároveň však uvádí, že převedené hodnoty lze přímo použít pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen. Odhady pevnosti v tahu jsou označeny za nejméně spolehlivé převody. Tato omezení jsou obzvláště důležitá tehdy, když zkoušený povrch nereprezentuje celý průřez.

Stavy po žíhání, normalizaci, kalení a popouštění

U žíhané oceli vede pomalé ochlazování obecně ke vzniku poměrně hrubé feriticko-perlitické struktury nebo jiné změkčené struktury zvolené s ohledem na obrábění a tváření. Vtisk podle Brinella v tomto stavu zkouší poměrně velký objem obsahující ferit a perlitické kolonie. Výsledná tvrdost často poměrně dobře sleduje pevnost v tahu v úzké skupině nízkouhlíkových ocelí, avšak vztah se stále mění v závislosti na obsahu uhlíku, podílu perlitu, vzdálenosti mezi koloniemi a velikosti zrna. Nízkouhlíková žíhaná ocel a žíhaná ocel s vyšším obsahem uhlíku mohou mít podobně vypadající zkušební povrchy, ale odlišné poměry pevnosti a tvrdosti.

Normalizace toto srovnání mění. Ohřev nad kritický rozsah s následným ochlazením na vzduchu obvykle vytváří jemnější ferit a perlit než pomalé ochlazování v peci. Zjemnění zrna může zvýšit mez kluzu a pevnost v tahu, aniž by vyvolalo stejně úměrné zvýšení tvrdosti při vtisku. Studie historických a současných nelegovaných konstrukčních ocelí publikovaná v roce 2023 v časopise Materials Today: Proceedings zjistila obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u ocelí ve stavu po zpracování za tepla nebo po normalizaci. Tento výsledek podporuje praktický odhad v rámci zkoumané skupiny; neznamená však, že lze tuto přímku přenést na legovanou ocel zušlechtěnou kalením a popouštěním nebo na povrchově kalenou součást.

Kalením vzniká martenzit, často se zbytkovým austenitem a transformačními napětími. Tvrdost může prudce vzrůst, protože indentor působí na fázi s vysokou pevností a odolností proti smykové deformaci, avšak odezva v tahu závisí také na obsahu uhlíku, velikosti zrna předchozího austenitu, rozpuštění karbidů, zbytkovém austenitu a náchylnosti k praskání. Kalený vzorek z oceli SAE 1045 a kalený vzorek z oceli AISI 4140 mohou mít oba hodnotu blízkou vysoké tvrdosti Rockwell C, přesto se mohou lišit pevností v tahu a houževnatostí. Legující prvky mění prokalitelnost a odezvu při popouštění; stejná nominální hodnota HRC proto nezaručuje stejné tahové vlastnosti.

Popouštění rozkládá nebo modifikuje martenzit, snižuje zbytková napětí a mění rozložení karbidů. Popouštění při nízké teplotě může zachovat vysokou tvrdost a současně zmírnit část napětí po kalení. Popouštění při vyšší teplotě tvrdost snižuje, může však zlepšit houževnatost a vytvořit vztah mezi pevností a tvrdostí odlišný od vztahu ve stavu po kalení. Hřídel z oceli AISI 4140 po kalení a popouštění by se například měla porovnávat s převodními údaji pro podobnou slitinu a stejný stav, nikoli s obecnou tabulkou pro uhlíkovou ocel. I v rámci jedné jakosti může teplota a doba popouštění vést k různým kombinacím tvrdosti, meze kluzu, pevnosti v tahu a prodloužení.

Studie NIST týkající se empirických vztahů mezi tvrdostí Rockwell a Brinell, publikovaná v roce 1929, uváděla, že pevnost v tahu oceli lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella. Rozhodující je slovo „často“. Výsledek popisuje empirickou skupinu, nikoli fyzikální zákon platný při každé změně tepelného zpracování. Technická zpráva SAE z roku 1967 Hardness Tests and Hardness Number Conversions rovněž zdůraznila, že přesné převody musí být vypracovány pro konkrétní složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují příslušný vztah.

Povrchové kalení a gradienty napříč tloušťkou

Nauhličování, nitridace a indukční kalení činí jednu hodnotu tvrdosti ještě méně reprezentativní. Nauhličování obohacuje povrch nízkouhlíkové oceli uhlíkem, po němž následuje kalení za účelem vytvoření tvrdé martenzitické vrstvy na houževnatějším jádře s nižším obsahem uhlíku. Hodnota naměřená na povrchu může být 60 HRC nebo vyšší, zatímco jádro je výrazně měkčí. Převést tuto povrchovou hodnotu na pevnost v tahu celé součásti je chybou v určení kategorie: zkouška měří povrchovou vrstvu, nikoli nosný průřez jako homogenní materiál.

Nitridací vzniká difuzní zóna obohacená dusíkem a v blízkosti povrchu také vrstva sloučenin obsahující nitridy železa, například ε-Fe₂–₃N a γ′-Fe₄N. Tato vrstva může být velmi tvrdá a tenká. Konvenční zkoušky Rockwell nebo Brinell mohou být nevhodné, protože jejich vniknutí a plastická zóna zasahují pod ošetřenou oblast; k rozlišení profilu tvrdosti je často zapotřebí měření mikro-Vickers nebo Knoop. I hodnota získaná mikrotvrdostí může být zkreslena podkladovým materiálem, pokud je vtisk příliš hluboký vzhledem k tloušťce vrstvy.

Úroveň tvrdosti

Indukční kalení vytváří zónu kaleného martenzitu, jejíž hloubka závisí na frekvenci, výkonu, rychlosti posuvu, geometrii a podmínkách ochlazování. Tvrdost se od povrchu přes přechodovou oblast do měkčího jádra plynule mění. Uvedená hodnota „62 HRC“ je neúplná, není-li uvedeno místo a hloubka měření. U stejné součásti lze na povrchu, v efektivní hloubce zakalené vrstvy a v jádře získat různé převody.

Tyto gradienty ovlivňují také geometrii vtisku. Mělký vtisk umístěný v tvrdé vrstvě může být omezen měkčím materiálem pod touto vrstvou; hlubší vtisk představuje průměr z několika oblastí. Zakřivení povrchu, tloušťka průřezu, vzdálenost od hrany a hmotnost součásti mohou měnit napěťové pole. Tabulky ASTM E140-12 jsou určeny pro rozsahy materiálů a zkušební podmínky, které jsou v tabulkách zastoupeny, nikoli pro libovolné profily povrchově kalených vrstev. Požadavek normy ISO 18265:2013, podle něhož lze převod přímo použít pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen, je zde obzvláště relevantní.

Zrnitá struktura, fáze a morfologie vtisku

Tvrdost je lokální odpor proti vtisku, nikoli přímé měření pevnosti v tahu. Indentor vyvolává pružnou a plastickou deformaci v konečném objemu. Velikost zrna, krystalografická textura, fázová rozhraní, vměstky, karbidy a zbytková napětí tento objem ovlivňují. Jemná feriticko-perlitická struktura může rozdělovat deformaci jinak než hrubý perlit. Bainit, martenzit, ferit, zbytkový austenit a oblasti bohaté na karbidy mohou vytvářet podobné průměrné hodnoty tvrdosti prostřednictvím odlišných deformačních mechanismů.

Zbytkové tlakové napětí může zvýšit zdánlivý odpor proti vtisku, zatímco zbytkové tahové napětí jej může snížit nebo podpořit vznik trhlin. Popálení při broušení, oduhličení, kuličkování a poškození obráběním proto mohou změnit hodnotu naměřenou na povrchu, aniž by ve stejném poměru změnily objemové tahové vlastnosti. Důležité je také umístění vtisku: vtisk nad velkým karbidem, v blízkosti fázového rozhraní nebo v blízkosti předchozího vtisku nemusí reprezentovat matrici.

Další varování poskytuje morfologie vtisku. Metody Brinell a Vickers využívají velikost a tvar trvalého vtisku; metody Rockwell využívají hloubku vniknutí. Vytlačení materiálu kolem vtisku může způsobit, že kontaktní plocha bude menší, než předpokládá idealizovaná analýza, zatímco vmáčknutí materiálu ji činí větší. U anizotropních, vícefázových nebo výrazně deformačně zpevňujících ocelí tyto účinky mění vztah mezi tvrdostí a napětím při plastickém toku. Recenzovaná studie publikovaná v roce 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A uvedla, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. U některých vysokopevných tvárných kovových materiálů identifikovala přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS, tento výraz je však specifický pro danou třídu materiálů a nepředstavuje univerzální rovnici pro ocel.

Zpráva by proto měla uvádět jakost oceli, stav po tepelném zpracování, zkušební metodu, stupnici, místo měření a veškeré informace o hloubce povrchové vrstvy. Naměřená hodnota, například 245 HBW, není zaměnitelná s převedenou hodnotou, například 23 HRC, a ani jedna z nich automaticky nepředstavuje odhad pevnosti v tahu. Pokud na tahových vlastnostech závisí přejímka, riziko lomu nebo konstrukce, je vhodným postupem přímá zkouška tahem nebo validovaná korelace specifická pro danou jakost a stav materiálu, nikoli nepodložený převod z prakticky dostupné hodnoty tvrdosti.

Vztahy pro převod mezi stupnicemi Brinell, Rockwell a Vickers

Převodní tabulky tvrdosti neznamenají, že hodnoty HBW, HRC a HV jsou vzájemně zaměnitelná měření. Uvádějí odhadovanou hodnotu na jedné stupnici na základě naměřené hodnoty na jiné stupnici. Toto rozlišení je důležité, protože každá metoda používá jiný vnikací nástroj, sílu, geometrii kontaktu a postup výpočtu. Výsledek podle Brinella, například 220 HBW, se stanoví z průměru relativně velkého vtisku; hodnota 220 HBW převedená na 21 HRC je odhad z tabulky, nikoli výsledek druhé zkoušky podle Rockwella.

Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, superficial Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro stanovené kovy. Její tabulky pro ocel zahrnují homogenní uhlíkové oceli, legované oceli a nástrojové oceli. Důležitá je však uvedená podmínka: ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny složením slitiny, strukturou zrna a tepelným zpracováním“. Norma ISO 18265:2013 obdobně stanovuje zásady pro převod mezi stupnicemi tvrdosti a pro odhad pevnosti v tahu, zároveň však uvádí, že převedené hodnoty platí přímo pouze pro přesně tentýž zkoušený materiál. Tabulka tedy umožňuje srovnání v rámci uvedeného materiálu a rozsahu; nestanovuje fyzikální totožnost jednotlivých hodnot tvrdosti.

Jak číst tabulky převodu HBW na HRC a HRC na HBW

Nejprve určete skutečně provedenou zkoušku a její úplné označení. HBW znamená tvrdost podle Brinella měřenou kuličkou z karbidu wolframu; může být uveden také průměr kuličky a použitá síla, například 220 HBW 10/3000. HRC znamená tvrdost podle Rockwella na stupnici C, která se obvykle stanovuje diamantovým kuželem a celkovou silou 150 kgf podle Rockwellova postupu. Samotné označení „HB“ nebo „HR“ je pro technické vykazování neúplné, protože výsledek může ovlivnit materiál kuličky, její průměr, Rockwellova stupnice i zkušební síla.

Pro převod 220 HBW na HRC vyhledejte hodnotu 220 ve sloupci HBW příslušné tabulky podle ASTM E140-12 nebo ISO 18265:2013 a odečtěte odpovídající hodnotu ve sloupci HRC. Pokud řádek uvádí 21 HRC, správný zápis je přibližně 21 HRC převedených z 220 HBW, nikoli pouze „21 HRC“, jako by byla provedena zkouška Rockwell C. Zpětný převod vyžaduje stejnou pečlivost: vyjděte z naměřené hodnoty HRC, zvolte správnou tabulku pro ocel a odečtěte odpovídající odhad HBW. Zpětné vyhledání nemusí nutně reprodukovat původní číslo, protože tabulkový vztah je zaokrouhlený a může být sestaven na základě proloženého nebo empirického vztahu, nikoli z reverzibilní rovnice.

Sousední položky nejsou přesně ekvivalentní. Předpokládejme, že tabulka uvádí 210 HBW jako 19 HRC a 230 HBW jako 22 HRC. Naměřená hodnota 220 HBW leží mezi těmito řádky, neznamená však, že materiál má zároveň přesně 20,5 HRC a fyzicky ověřenou hodnotu podle Rockwella. Lineární interpolace může při splnění podmínek příslušné normy v daném rozsahu poskytnout přibližně 20,5 HRC jako pomůcku pro vykazování; výsledek však zůstává odhadem, jehož nejistota zahrnuje rozptyl převodního vztahu i nejistotu původního měření.

Třída materiálu musí odpovídat danému výrobku. Ocel 4140 kalená a popuštěná na martenzitickou strukturu nemusí vykazovat stejný vztah HBW–HRC jako normalizovaná AISI 1020, žíhaná AISI 1045 nebo vysokouhlíková nástrojová ocel. Důvod je mechanický, nikoli pouze tabulkový: odezva při vtlačování závisí na mezi kluzu, deformačním zpevnění, rozložení karbidů, zbytkovém austenitu, velikosti zrna, zbytkovém napětí a deformaci v okolí vtisku. Zpráva SAE International z roku 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, uvádí, že přesné převody je nutné vyvinout pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a výrobek, protože vztah ovlivňují rozměry, hmotnost, složení a způsob zpracování.

Zkoušení podle Rockwella je rychlé a praktické pro opakovanou kontrolu, může však být citlivé na podmínky, které velký Brinellův vtisk průměruje. Tenké části se mohou ohýbat nebo umožnit, aby napěťové pole vtisku ovlivnil protilehlý povrch. Nedostatečně podepřený zkušební vzorek může vést k chybnému výsledku. Důležitá je také volba stupnice: použití HRC tam, kde je vhodná HRB, nebo použití superficial Rockwell bez uvedení síly a vnikacího nástroje zneplatňuje srovnání. Povrchové okujení, oduhličení, drsnost, zakřivení a nedostatečné vzdálenosti mezi vtisky mohou změnit odečet. Převedená hodnota HRC nemůže napravit chybné měření HBW ani kompenzovat nevhodné nastavení zkoušky podle Rockwella.

Kdy Vickers poskytuje užitečný mezičlánek

Tvrdost podle Vickerse, uváděná jako HV s identifikací zkušební síly, pokud je to vyžadováno, využívá diamantový jehlan a tvrdost vypočítává ze dvou úhlopříček vtisku. Díky své geometrii je užitečná v širším rozsahu tvrdosti než jediná Rockwellova stupnice a také v případech, kdy je Brinellova kulička příliš velká. Vickersův vtisk může zkoumat malou kalenou vrstvu, svar nebo tepelně ovlivněnou oblast, jednotlivou oblast fáze nebo tenký průřez, pokud zkušební síla, příprava povrchu, rozestupy mezi vtisky a optické měření odpovídají příslušné metodě.

Vickersova metoda může sloužit jako mezičlánek, když jsou hodnoty HBW a HRC omezeny rozsahem příslušných stupnic. Například cementovaný povrch může být příliš tenký pro běžný Brinellův vtisk a při standardní zkoušce podle Rockwella může poskytovat nestabilní výsledky, pokud vtisk pronikne pod povrchovou vrstvu. Profil měření Vickersovou metodou při nízké síle může zobrazit gradient tvrdosti od povrchu do jádra. Tato informace je užitečnější než přiřazení jediné převedené hodnoty HRC vrstvené struktuře. Totéž platí pro svarový kov a tepelně ovlivněné oblasti, kde může v rozmezí několika milimetrů existovat několik mikrostruktur.

Vickersova metoda není automaticky přesnější. Měření úhlopříček ovlivňuje jakost povrchu, optické rozlišení, úsudek obsluhy, nahrnutí nebo vtažení materiálu a zvolená síla. U velmi malých vtisků se chyba měření zvětšuje. Lokálně naměřená hodnota HV může také reprezentovat karbid, ostrůvek martenzitu nebo oduhličené místo, nikoli objemovou ocel, kterou reprezentuje Brinellův vtisk. Převod z HV na HRC nebo HBW má proto význam pouze tehdy, pokud tabulka zahrnuje příslušnou třídu oceli, interval tvrdosti a podmínky zkušební síly.

Vzorce pro převod tvrdosti na pevnost vyžadují ještě větší opatrnost. Studie z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A identifikovala pro některé vysokopevnostní, tažné kovové materiály přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS a zároveň ukázala, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Nejde o obecnou rovnici pro uhlíkové a legované oceli. Norma ISO 18265:2013 označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody. Studie NIST z roku 1929 zjistila, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella, toto zjištění však podporuje řízený empirický odhad, nikoli univerzální náhradu zkoušky tahem.

Meze rozsahu, interpolace a nespojitosti

Převod používejte pouze v rozsahu tvrdosti a kategorii materiálu uvedených v tabulce. Pokud tabulka končí na hodnotě 60 HRC, naměřená hodnota 64 HRC se nesmí extrapolovat z posledních řádků. Pokud je výrobek z precipitačně vytvrzené korozivzdorné oceli, zatímco tabulka zahrnuje homogenní uhlíkové, legované a nástrojové oceli, výběr zdánlivě nejbližšího řádku nečiní převod platným. Samotné označení jakosti také nemusí být dostačující: normalizovaný, žíhaný, kalený, popuštěný, cementovaný a za studena tvářený stav mohou při stejném jmenovitém složení vést k odlišným vztahům.

Interpolace je přípustná pouze tehdy, pokud ji podporuje norma nebo schválený postup a pokud okolní položky tvoří vhodný spojitý úsek. Musí být označena jako interpolace a zaokrouhlena rozumným způsobem, který nevyvolává dojem nepodložené přesnosti. Uvádění hodnoty 21,37 HRC z Brinellovy tabulky obecně vyjadřuje větší jistotu, než může zdroj poskytnout. Nejprve uveďte naměřenou hodnotu, poté převedenou hodnotu a odkaz na zdroj, například „220 HBW; přibližně 21 HRC převedeno podle ASTM E140-12“.

Nespojitosti se mohou objevit v místech, kde tabulka mění třídu materiálu, Rockwellovu stupnici, vnikací nástroj nebo interval tvrdosti. Mohou také odrážet přechody v mechanice vtlačování, nikoli náhlou změnu vlastností oceli. Přes takovou hranici nevyhlazujte průběh ani neproměrujte hodnoty z oddělených tabulek. Pokud přijetí závisí na tahových vlastnostech, hloubce cementované vrstvy, kvalifikaci svaru nebo specifikovaném stavu jakosti, proveďte požadovanou přímou zkoušku. Převod je nástrojem pro srovnání; není důkazem, že neprovedená zkouška by vyhověla.

Tvrdost a pevnost v tahu: vztah, nikoli totožnost

Tvrdost a pevnost v tahu spolu souvisejí, protože obě závisí na odporu kovu proti plastické deformaci, nejde však o vzájemně zaměnitelné vlastnosti. Zkouška tvrdosti vytváří malý vtisk v jednom místě. Při zkoušce tahem se standardizovaný zkušební vzorek zatěžuje v podstatně větším objemu až do dosažení meze kluzu, plastického toku a lomu. Obě zkoušky proto zkoumají rozdílné objemy materiálu, vyvolávají odlišné stavy napětí a poskytují odlišné druhy měření.

Hodnota tvrdosti může být přímo naměřena na stupnici Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop nebo na jiné stupnici. Převedená hodnota tvrdosti se vypočítává z jiné naměřené stupnice pomocí zveřejněného vztahu. Odhadovaná pevnost v tahu představuje další krok: z tvrdosti odvozuje tahovou vlastnost. Každý krok přidává předpoklady a možné chyby. Zacházet s odhadovanou pevností v tahu, jako by šlo o výsledek zkoušky tahem, je nesprávná praxe při vykazování, zejména pokud specifikace, konstrukční výpočet nebo vyšetřování poruchy závisí na mezi kluzu, mezní pevnosti v tahu nebo prodloužení.

Co tvrdost mechanicky měří

Tvrdost je odolnost proti lokalizované plastické deformaci. Při zkoušce podle Vickerse se diamantový jehlan vtlačí do povrchu stanovenou silou a poté se změří obě úhlopříčky vtisku. Číslo tvrdosti podle Vickerse, $H_{\mathrm{V}}$, se vypočítá z působící síly a průmětu plochy vtisku. Při zkoušce podle Brinella se do materiálu vtlačuje kulička z karbidu a síla se vztahuje k průměru vzniklého vtisku. Při zkoušce podle Rockwella se naproti tomu měří hloubka vniknutí při stanoveném předběžném a hlavním zatížení, přičemž výsledek se uvádí na určené stupnici, například HRC nebo HRB.

Vnikací těleso vytváří pod kontaktem složité trojrozměrné napěťové pole. To zahrnuje tlakové, smykové a tahové složky a materiál v okolí vtisku může být vystaven značné plastické deformaci. Naměřenou odezvu ovlivňuje deformační zpevnění, elastické zotavení, tření, geometrie vnikacího tělesa, příprava povrchu a velikost plasticky deformované oblasti. Odezva rovněž odráží vlastnosti materiálu bezprostředně pod zkušebním povrchem, nikoli nutně průměrné vlastnosti celého dílu.

Tento lokální charakter vysvětluje, proč je tvrdost užitečná při kontrole gradientů a účinků zpracování. Vrstva z kaleného a popuštěného martenzitu, oduhličený povrch, tepelně ovlivněná oblast svaru nebo cementovaná vrstva mohou vykazovat hodnotu tvrdosti, která se výrazně liší od tvrdosti jádra. Výsledek mohou zkreslit také vzdálenost mezi vtisky, vzdálenost od okraje, tloušťka vzorku, zakřivení a drsnost povrchu. Číslo tvrdosti bez uvedení stupnice, zkušební metody, zatížení a stavu materiálu je neúplné. Hodnota „60“ může znamenat 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA nebo přibližně 60 HV při uvedeném zatížení; tyto hodnoty nejsou ekvivalentní.

Pevnost v tahu je naproti tomu nejvyšší smluvní napětí dosažené během jednoosé tahové zkoušky. Zkušební těleso se protahuje v měřené délce a uváděná mezní pevnost v tahu, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, se vypočítá jako maximální zatížení dělené původní plochou průřezu. Zkouška zachycuje deformaci v poměrně velkém objemu měřené části a poskytuje také další charakteristiky, včetně chování při mezi kluzu, rovnoměrného prodloužení, celkového prodloužení a zúžení průřezu. Vtisk po zkoušce tvrdosti tyto údaje o tahové deformaci neposkytuje.

Toto rozlišení je důležité u heterogenních ocelí. Při zkoušce tvrdosti povrchu může výsledek převážně určovat tenká zpevněná vrstva, i když má jádro nižší pevnost v tahu. Naopak oblast s hrubým zrnem, páskovaná mikrostruktura, množství vměstků nebo lokální odchylka v tepelném zpracování mohou ovlivnit tahovou zkušební tyč jinak než malý vtisk. Tvrdost a pevnost mohou v rámci kontrolované výrobní skupiny vykazovat vzájemnou korelaci, tato korelace je však empirickým výsledkem, nikoli definicí.

Přibližný vztah $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

Často opakované pravidlo uvádí:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

Pokud jsou tvrdost podle Vickerse a pevnost v tahu vyjádřeny v kompatibilních jednotkách, může být tento vztah někdy užitečný pro hrubé porovnání řádu velikosti. Například materiálu s hodnotou $H_{\mathrm{V}}=600$ může při vztahu tohoto typu odpovídat pevnost v tahu přibližně $2,000\text{MPa}$. Takový výpočet není materiálovým certifikátem a neměl by se za něj vydávat.

Tento vztah byl zjištěn u některých vysokopevných a tvárných kovových materiálů. Studie z roku 2012 publikovaná v časopise Materials Science and Engineering: A uvedla, že poměr tvrdosti k pevnosti závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Tyto podmínky jsou rozhodující. Faktor tři není obecnou rovnicí platnou pro všechny oceli, všechny stupnice tvrdosti ani všechna tepelná zpracování. Neplatí pouze proto, že naměřené číslo se označuje jako tvrdost podle Vickerse.

Z mechanického hlediska má tento odhad rozumný základ. Plastická deformace pod vnikacím tělesem vyžaduje vysoké reprezentativní napětí při plastickém toku, zatímco pevnost v tahu odráží úroveň napětí dosaženou při jednoosé deformaci a deformačním zpevnění. U omezené třídy materiálů, v níž existuje konzistentní vztah mezi reprezentativním tlakem při vtlačování, napětím při plastickém toku a tahovou odezvou, se může objevit téměř konstantní poměr. Pokud se změní mechanismus deformace nebo chování při deformačním zpevnění, změní se i tento poměr.

Stejná jakost oceli se může po použití různých způsobů zpracování od tohoto odhadu odchýlit. Feriticko-perlitická struktura, bainit, popuštěný martenzit a kalený martenzit se při zatěžování nezpevňují stejným způsobem. Zbytkový austenit, rozložení karbidů, velikost zrna, zbytkové napětí a předchozí deformace mohou změnit tvar vtisku i tahovou křivku. Nástrojová ocel s vysokým obsahem uhlíku, nízkouhlíková konstrukční ocel a austenitická korozivzdorná ocel mohou vykazovat odlišné poměry tvrdosti k pevnosti v tahu i při podobných jmenovitých hodnotách tvrdosti.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Publikované empirické práce podporují omezené použití závislé na konkrétních podmínkách, nikoli univerzální záměnu. Výzkum publikovaný v časopise Materials Today: Proceedings v roce 2023 zjistil obecně lineární vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u historických i současných nelegovaných konstrukčních ocelí ve stavu po výrobě nebo normalizačním žíhání. Tento výsledek je užitečný pro danou skupinu materiálů a daný stav. Nestanovuje však stejnou závislost pro zušlechtěnou legovanou ocel, za studena tvářený plech, cementované součásti nebo svařence.

Pozornost je třeba věnovat také jednotkám. Tvrdost podle Vickerse se běžně uvádí jako bezrozměrné číslo tvrdosti, ačkoli souvisí se silou na jednotku plochy. Pevnost v tahu se obvykle uvádí v MPa nebo N/mm². Protože $1{\text{kgf/mm}}^2$ odpovídá přibližně $9.807\text{MPa}$, může neopatrné míchání konvencí používaných pro tvrdost a jednotek napětí SI vést k chybě téměř o jeden řád. Správný protokol uvádí rovnici, jednotky, skupinu materiálů a nejistotu.

Proč jsou odhady pevnosti v tahu nejméně spolehlivými převody

Převod mezi stupnicemi tvrdosti a odhad pevnosti v tahu nejsou rovnocenné úlohy. Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi hodnotami podle Brinella, Vickerse, Rockwella, povrchového Rockwella, Knoopa, skleroskopu a Leeba pro stanovené kovy, včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM International uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrn a tepelným zpracováním“. Tabulky proto popisují definované empirické skupiny materiálů; nemění každou hodnotu tvrdosti v univerzální materiálovou vlastnost.

ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, stanovuje zásady pro převod hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu. Zároveň upozorňuje, že „převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen“, a označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody. Toto pořadí vyplývá z řetězce odvození. Převod HRC na HV již předpokládá vztah mezi dvěma metodami vtlačování. Odhad ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ z kterékoli z těchto hodnot navíc předpokládá vztah mezi lokalizovanou plasticitou při vtlačování a jednoosou deformací ve velkém objemu materiálu.

Studie NIST publikovaná v roce 1929 o empirických vztazích Rockwell–Brinell konstatovala, že pevnost v tahu oceli lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella. Jde o praktické zjištění, nikoli o prohlášení fyzikální totožnosti. To, co znamená „často“, závisí na skupině ocelí, jejich stavu a přípustné chybě. Zjištění NIST neodstraňuje potřebu ověřit tento vztah tahovými údaji pro příslušnou jakost a způsob zpracování.

Technická zpráva SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions, publikovaná v roce 1967, toto omezení formulovala ještě explicitněji: přesné převody je nutné vypracovat pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují daný vztah. Silný výkovek, tenký pás a malý tepelně zpracovaný čep mohou poskytovat odlišné korelace, i když jejich jmenovité jakosti jsou totožné. Geometrie mění omezení deformace v okolí vtisku, zatímco hmotnost a rozměr průřezu ovlivňují rychlost ochlazování, a tím i mikrostrukturu.

Pro účely přejímacích rozhodnutí musí být pevnost v tahu odvozená z tvrdosti označena jako odhad a doplněna o použitou stupnici, zkušební normu, místo měření, jakost materiálu, stav po tepelném zpracování, kalibrační skupinu materiálů a očekávanou nejistotu. Pokud výkres nebo materiálová specifikace vyžaduje pevnost v tahu, správným podkladem je tahová zkouška provedená podle příslušné normy, nikoli převedené číslo zvolené proto, že se zdá být blízké požadované hodnotě. Tvrdost může sloužit k předběžné kontrole, porovnávání a monitorování. Sama o sobě však nemůže prokázat úplné tahové chování ocelové součásti.

Geometrie, rozměry, hmotnost a místo zkoušky

Hodnota tvrdosti popisuje odezvu určitého objemu materiálu pod určitým vtlačovacím tělesem. Nepopisuje pouze jeho složení. Dva vzorky vyříznuté ze stejné tepelně zpracované oceli mohou vykázat odlišné hodnoty, pokud je jeden z nich tenký, nedostatečně podepřený, zakřivený, drsný, oduhličený nebo měřený v blízkosti dřívějšího vtisku. Naměřená hodnota se proto může změnit, i když se složení slitiny a tepelné zpracování nezměnily.

Na tom záleží ještě před jakýmkoli převodem. Převodní tabulka může dát do vztahu platné měření podle Brinella, Rockwella nebo Vickerse s přibližnou hodnotou na jiné stupnici; nemůže však napravit vtisk zkreslený průhybem, vibracemi, poškozením povrchu nebo nevhodně zvoleným místem zkoušky. Technická zpráva SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) konkrétně zdůrazňuje, že přesné vztahy musí být stanoveny pro konkrétní složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože výsledek ovlivňují rozměry, hmotnost, složení a způsob zpracování.

Minimální tloušťka a vzdálenost od okraje

Zkušební těleso musí být dostatečně tlusté, aby zóna plastické deformace pod vtiskem nedosáhla protilehlého povrchu. Pokud k tomu dojde, podkladový materiál již neomezuje vtisk stejným způsobem jako objemový vzorek. Vtlačovací těleso může proniknout hlouběji nebo se může změnit geometrie kontaktu, což vede k hodnotě tvrdosti nižší nebo jinak systematicky odchýlené od hodnoty naměřené na dostatečně tlustém průřezu. Přípustná minimální tloušťka závisí na stupnici tvrdosti, vtlačovacím tělese, použité síle a rozsahu tvrdosti; tenký plech vhodný pro zkoušení povrchovou metodou Rockwell nemusí být vhodný pro standardní zkoušení Rockwell nebo Brinell.

Malé součásti představují související problém. Součást s malou hmotností se může působením zkušební síly posouvat, naklánět nebo pružně deformovat. I malé posunutí mění hloubku vniknutí při zkoušce Rockwell a může ovlivnit měření průměru při zkoušce Brinell. Upínací přípravek může působit pevně, zatímco samotná součást se prohýbá. Zvláště citlivé jsou tenké příruby, úzká žebra a stěny dutých průřezů.

Důležitá je také vzdálenost od okraje. Vtisk umístěný příliš blízko okraje má k dispozici méně okolního materiálu, který by odolával plastickému toku. Materiál se může vyboulit směrem k volnému okraji a naměřená úhlopříčka nebo hloubka vtisku se může lišit od chování vtisku na neomezeném povrchu. Stejný problém se týká otvorů, drážek, perových drážek a náhlých změn průřezu. Hodnota naměřená vedle obráběné drážky nemusí automaticky reprezentovat přilehlou rovinnou plochu.

Vzájemně se mohou ovlivňovat i blízké vtisky. Plastická deformace po předchozím vtisku zanechává lokálně zpevněnou a přemístěnou oblast. Je-li následující vtisk příliš blízko, může se změnit jeho velikost nebo hloubka. Požadavky na rozteče se liší podle metody a tvrdosti, takže rozhodující musí být příslušná norma, nikoli praktické orientační pravidlo. Série těsně vedle sebe umístěných měření může vyvolat falešný dojem opakovatelnosti, protože každá zkouška ovlivňuje následující zkoušku.

Podepření, zakřivení a hmotnost součásti

Opěrný kovadlinový stolek je součástí měřicího systému. Tvrdá, stabilní a správně usazená opěra omezuje pohyb a poskytuje reakční sílu potřebnou pro řízený vtisk. Poddajná podložka, zachycené okuje, otřep, úlomek barvy nebo nerovnoměrný upínací přípravek umožňují lokální dosednutí. Vtlačovací těleso pak měří společnou odezvu oceli, opěry a jakéhokoli materiálu mezi nimi.

Podobný účinek mají vibrace. Zkoušení v blízkosti lisu, brusky nebo obráběcího stroje může narušit působení síly nebo měření hloubky. U lehké součásti mohou být vibrace zesíleny vlastní poddajností součásti. Hodnota získaná na masivním bloku a hodnota získaná na tenké součásti spočívající na pružném přípravku nejsou rovnocenné jen proto, že byla v obou případech použita stejná stupnice Rockwell.

Zakřivení mění geometrii kontaktu. Na vypuklém povrchu se vtlačovací těleso dotýká menšího množství okolního materiálu než na rovinném povrchu a povrch se může od působícího zatížení odklánět. Na vydutém povrchu mohou být obdobně problematické přístup a vyrovnání. Důležitý je poloměr zakřivení ve vztahu k velikosti vtisku: široké, mírné zakřivení může mít jen malý vliv, zatímco hřídel nebo trubka s malým poloměrem může způsobit značnou odchylku. Vtlačovací těleso musí být kolmé k místnímu povrchu, nikoli pouze vyrovnané podle celkové orientace součásti.

Válcové součásti vyvolávají také otázky ohledně místa měření. Hodnota naměřená na vrcholu hřídele, v blízkosti jeho boční části nebo na zploštěné zkušební plošce může odpovídat různým podmínkám omezujícím deformaci. Pokud je pro zkoušení obrobena ploška, může její odstranění odhalit jinou hloubku a výsledná hodnota již nemusí reprezentovat pracovní povrch. Protokol o zkoušce by měl uvádět místo měření, orientaci, tloušťku průřezu a podmínky podepření, aby bylo možné pozdější měření smysluplně porovnávat.

Tato omezení se s ještě větší důležitostí vztahují na převedené odhady tvrdosti a pevnosti. Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchovou Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro specifikované kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrna a tepelným zpracováním“. Chybu způsobenou geometrií nelze odstranit výběrem jiného sloupce v této tabulce.

Příprava povrchu a oduhličení

Stav povrchu může změnit výsledek ještě předtím, než vtlačovací těleso dosáhne reprezentativní oceli. Okuje, rez, pokovování, barva, stopy po obrábění a drsnost povrchu narušují dosednutí i optické měření vtisku Brinell nebo Vickers. Drsný povrch může ztížit určení okrajů malého vtisku, zatímco uvolněný úlomek okují se může působením zatížení zhroutit. Způsob přípravy musí odstranit nečistoty, aniž by změnil metalurgický stav měřeného materiálu.

Broušení není automaticky neškodné. Intenzivní broušení může vytvořit tepelně ovlivněnou vrstvu, lokální popuštění, zbytkové napětí nebo povrchovou vrstvu zpevněnou tvářením. Nadměrný tlak může vytvořit povrch, který je tvrdší nebo měkčí než materiál pod ním. Chlazení, malé úběry a dostatečné odstranění materiálu pomáhají toto riziko snižovat, avšak potřebná hloubka závisí na procesu a součásti. Leštěný povrch může zlepšit optické měření, ale pokud byla příprava příliš agresivní, může stále reprezentovat poškozený materiál.

Tepelné zpracování může rovněž vytvořit záměrné nebo náhodné gradienty tvrdosti. Cementovaná vrstva je tvrdší než její nízkouhlíkové jádro a mělký vtisk může měřit pouze tuto vrstvu. Jak se vtisk zvětšuje nebo prohlubuje, začíná výsledek ovlivňovat měkčí podklad. Převod založený na homogenní oceli je pak nevhodný. Oduhličení má opačný účinek: zahřívání v oduhličující atmosféře může z povrchu odstranit uhlík a zanechat měkkou vrstvu nad tvrdší ocelí. Zkouška povrchové tvrdosti proto může vést k nesplnění požadavku, i když vnitřní materiál požadavku vyhovuje, nebo může působit vyhovujícím dojmem, pokud zkušební síla pronikne pod tuto vrstvu.

Lokální měření vyžaduje ještě větší opatrnost. Svarový kov, hranice natavení a tepelně ovlivněná oblast mohou na velmi krátkých vzdálenostech obsahovat odlišné mikrostruktury a gradienty tvrdosti. Konvenční vtisk Brinell může být příliš velký na to, aby izoloval jednu z těchto oblastí, zatímco zkouška mikro-Vickers nebo Knoop může gradient rozlišit, avšak vyžaduje lepší přípravu a přesnější dodržení roztečí. Protokol by měl uvádět, zda hodnota pochází ze svarového kovu, z tepelně ovlivněné oblasti, z neovlivněného základního kovu nebo z určité vzdálenosti od linie natavení.

Norma ISO 18265:2013 stanovuje zásady pro převod stupnic tvrdosti a odhad pevnosti v tahu, zároveň však uvádí, že převedené hodnoty platí přímo pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen, a odhady pevnosti v tahu označuje za nejméně spolehlivé převody. Studie NIST o empirických vztazích mezi Rockwellem a Brinellem (1929) zjistila, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella; toto zjištění však neznamená, že měření povrchu zakřivené, oduhličené součásti je zkouškou pevnosti v tahu. Studie publikovaná v roce 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A identifikovala pro některé vysokopevnostní tvárné kovy přibližný vztah $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, zároveň však ukázala, že poměr závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Nejprve je nutné kontrolovat geometrii a přípravu. Jinak převod pouze přidává zdánlivou přesnost měření, které nikdy nereprezentovalo zamýšlený objem materiálu.

Gradienty tvrdosti, hloubka vrstvy a svařovaná nebo zpracovaná ocel

Převod tvrdosti je obzvláště nejistý, když se tvrdost mění během několika desetin milimetru. Cementované, nitridované, indukčně kalené, laserově zpracované, svařované a aditivně vyráběné oceli mohou v rámci velikosti jednoho vtisku nebo rozestupu používaného při běžné kontrole obsahovat několik mikrostrukturních oblastí. Uvedená „převedená pevnost v tahu“ pak vyvolává falešný dojem homogenity. Může popisovat pouze zkoušený povrch, vtisk ovlivněný dvěma zónami nebo průměr, který zakrývá oblast rozhodující pro vznik trhlin, opotřebení či deformaci.

ASTM E140-12, Standardní převodní tabulky tvrdosti pro kovy (2012), uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchový Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro stanovené kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. Její varování je zde zásadní: „Převody jsou ovlivněny složením slitiny, strukturou zrna a tepelným zpracováním.“ Gradient přidává další proměnnou: umístění. ISO 18265:2013 uvádí, že převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen, přičemž odhady pevnosti v tahu představují nejméně spolehlivý typ převodu. Lokální hodnota tvrdosti proto může být užitečná při ověřování procesu, aniž by představovala obhajitelný odhad objemové pevnosti součásti v tahu.

Profily povrchového kalení

Cementování vytváří povrch obohacený uhlíkem, který se po kalení obvykle transformuje na vysokouhlíkový martenzit, zatímco jádro s nižším obsahem uhlíku si zachovává odlišnou prokalitelnost a houževnatost. Nitridování vytváří sloučeninovou vrstvu a difuzní zónu, jejichž tvrdost s hloubkou klesá; profil závisí na chemickém složení oceli, nitridačním potenciálu, teplotě, době a předchozím popouštění. Indukční kalení vytváří nad přechodovou oblastí rychle zakalenou martenzitickou vrstvu a měkčí jádro. Laserové kalení nebo legování laserem může vytvářet ještě užší, nepravidelně tvarované zóny, zejména tam, kde se mění překrytí skenů, rychlost ochlazování nebo naředění.

Tvrdost povrchu a tvrdost jádra odpovídají na odlišné otázky. Měření v blízkosti povrchu může ověřit, zda cementovaná vrstva dosáhla stanovené tvrdosti, nemůže však zastupovat tahové vlastnosti nízkouhlíkového jádra. Naopak měření v jádře vypovídá jen málo o odolnosti pracovní plochy proti kontaktní únavě nebo adhezivnímu opotřebení. Jediný výsledek Rockwell C u tenké vrstvy je obzvláště náchylný k ovlivnění podkladem: deformační pole zasahuje pod kalenou vrstvu, takže měkčí jádro může snížit zdánlivou hodnotu. Další chyby mohou způsobit nadměrné zakřivení povrchu, nedostatečná opora nebo drsná sloučeninová vrstva.

Profil se obvykle vytváří přípravou příčného řezu, jeho pečlivým vyleštěním a umístěním Vickersových vtisků do změřených hloubek od povrchu. Zkušební zatížení musí vytvořit vtisky dostatečně velké pro spolehlivé měření, ale zároveň dostatečně malé pro rozlišení gradientu. Vtisky umístěné příliš daleko od sebe nezachytí přechod; vtisky umístěné příliš blízko se vzájemně ovlivňují překrývajícími se poli plastické deformace. ISO 6507-1 a ASTM E384 stanovují požadavky pro zkoušení podle Vickersa a Knoopa včetně limitů souvisejících s rozestupy, okraji a měřením. Použitá norma a zkušební síla by měly být zaznamenány, nikoli uvedeny pouze jako „mikrotvrdost“.

Hloubka vrstvy není pouze hloubkou místa s nejvyšší tvrdostí. Účinná hloubka vrstvy se běžně definuje jako hloubka, v níž tvrdost klesne na stanovenou mezní hodnotu, avšak tato hodnota závisí na specifikaci výrobku, oceli a metodě. Platná zpráva by měla uvádět přípravu povrchu, zkušební sílu, typ indentoru, počátek měření hloubky, rozestupy vtisků, stupnici tvrdosti a kritérium použité pro účinnou hloubku. Hladce působící křivka neodstraňuje nejistotu; rozptyl může odrážet rozložení karbidů, zadržený austenit, lokální oduhličení nebo rozlišení měření.

Svarový kov a tepelně ovlivněné oblasti

Příčný řez svarem představuje sled zón, nikoli jeden materiál. Tavný svarový kov se může složením a strukturou po ztuhnutí lišit od základní desky. Bezprostředně vedle něj může tepelně ovlivněná oblast (HAZ) obsahovat hrubozrnnou, jemnozrnnou, interkritickou a subkritickou oblast. U uhlíkových a nízkolegovaných ocelí může v rychle ochlazené hrubozrnné HAZ vzniknout tvrdý martenzit nebo bainit, zatímco popuštěná nebo interkritická oblast může být měkčí a náchylná k lokálnímu změkčení. Rozdílné hodnoty mohou poskytovat svarová housenka, kořen svaru, hranice natavení i neovlivněný základní kov.

Na poloze vtisku záleží. Vtisk umístěný na hranici natavení může zachytit smíšené deformační pole svarového kovu a HAZ, takže jeho hodnotu nelze spolehlivě přiřadit žádné z těchto zón. První vtisk musí být dostatečně vzdálen od linie natavení a okraje vzorku, aby splňoval požadavky příslušné zkušební normy, řada však zároveň musí být dostatečně blízko, aby rozlišila nejužší zónu. Praktické mapování používá zdokumentovanou síť nebo traversu s menšími rozestupy přes hranici natavení a přechody tvrdosti než v homogenním základním kovu. Přesné rozestupy musí odpovídat zvolené metodě a přejímací specifikaci; neměly by být voleny pouze z praktických důvodů.

Tvrdost svaru se často kontroluje kvůli řízení procesu, riziku vodíkového praskání nebo ověření kvalifikovaného postupu svařování. Tento účel z ní však nečiní tahovou zkoušku. Vysoká lokální tvrdost HAZ může signalizovat martenzitickou strukturu a zvýšenou náchylnost k praskání, zatímco nízká hodnota může ukazovat na nadměrné popuštění nebo ztrátu pevnosti. Ani jeden výsledek nestanovuje pevnost celého svařovaného spoje v tahu. Pevnost spoje závisí také na geometrii svaru, vadách, zbytkovém napětí, sevření, houževnatosti a nejslabší lokální oblasti.

Mapování lokální tvrdosti bez falešného průměrování

Mapování tvrdosti by mělo zachovávat informaci o umístění, nikoli všechny hodnoty slučovat do jednoho průměru. Zaznamenejte souřadnice vztažené k referenčnímu povrchu nebo středové linii svaru, identifikujte mikrostrukturní zónu a uveďte jednotlivé hodnoty nebo zobrazte profil tvrdosti v závislosti na hloubce. Průměr může zakrýt úzké maximum nebo minimum: deset měření v měkkém základním kovu může převážit nad dvěma kritickými měřeními v křehké HAZ. Pokud je průměr požadován, uveďte spolu s ním také rozsah, směrodatnou odchylku, počet měření a pravidla pro vyloučení hodnot.

Stejná zásada platí pro laserově zpracované dráhy a aditivně vyráběnou ocel. Hranice tavné lázně, rozhraní vrstev, rotace skenování, vady způsobené nedostatečným natavením, pórovitost a znovu ohřáté pásy mohou vytvářet tvrdost závislou na směru. Povrchová síť může přehlédnout podpovrchový pás; příčný řez může přehlédnout proměnlivost podél dráhy skenování. Pokud je anizotropie pravděpodobná, měla by měření proto sledovat geometrii procesu ve více než jednom směru.

Primárním výsledkem zůstává přímo změřená tvrdost. Převedená hodnota Brinell, Rockwell nebo Vickers by měla být označena jako převedená a spojena s uvedenou tabulkou, stavem materiálu a místem zkoušky. Studie NIST z roku 1929 zjistila, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti Brinell, a studie z roku 2023 zjistila obecně lineární vztah s tvrdostí Brinell u nelegovaných konstrukčních ocelí v surovém nebo normalizovaném stavu. Tato zjištění nepotvrzují převod tvrdosti vrstvy, HAZ nebo aditivně zpracovaného povrchu na objemovou pevnost v tahu. Dokonce i přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS uvedený ve studii z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A platí pro některé vysokopevnostní tvárné kovové materiály, nikoli pro každou ocel nebo mikrostrukturu. Pokud konstrukční návrh, přejímka nebo posouzení porušení závisí na tahových vlastnostech, proveďte tahovou zkoušku na reprezentativním materiálu.

Jak zvolit převod pro konkrétní ocel

Převod tvrdosti by měl vycházet z naměřeného výsledku, nikoli z hodnoty požadované specifikací. Přesně zaznamenejte původní stupnici — například 220 HBW, 32 HRC, 410 HV nebo 72 HRA — společně s metodou zkoušení, indentorem, zkušební silou, přípravou povrchu a místem měření. „Tvrdost“ bez uvedení stupnice je neúplná informace. Převedená hodnota není druhé měření; jde o odhad získaný z empirického vztahu.

Určete jakost, formu výrobku a stav

Nejprve identifikujte ocel tak přesně, jak to dostupné záznamy umožňují. Označení jako AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 nebo ASTM A681 W1 popisuje skupinu materiálů, samo o sobě však neurčuje vztah tvrdosti. Chemické složení v rámci rozsahu stanoveného specifikací může ovlivnit odezvu na vtlačování a dva výrobky se stejnou jmenovitou jakostí mohou mít odlišné rozložení uhlíku, velikost zrn, vměstky nebo zbytkové fáze.

Zaznamenejte formu výrobku: plech, tabuli, tyč, drát, trubku, výkovek, odlitek, svařenec nebo obráběnou součást. Tloušťka a místní rozměr průřezu jsou důležité, protože vtisk musí být podepřen dostatečným množstvím materiálu. Brinellův vtisk ve výkovku z tlusté oceli 4140 zkoumá větší objem než Vickersův vtisk v blízkosti povrchu plechu o tloušťce 1 mm. Tyto dva výsledky nemusí představovat tutéž mikrostrukturní oblast, i když jsou oba uváděny jako hodnoty tvrdosti.

Stejně důležitý je stav materiálu. Uveďte, zda je materiál žíhaný, normalizovaný, kalený a popuštěný, precipitačně vytvrzený, tvářený za studena, cementovaný, nitridovaný, indukčně kalený nebo jinak povrchově upravený. Například normalizovaná ocel AISI 1045 a kalená a popuštěná ocel AISI 1045 mohou mít odlišnou feriticko-perlitickou nebo martenzitickou strukturu, a tedy i odlišné vztahy mezi tvrdostí a pevností v tahu. Cementovaná součást z oceli AISI 8620 může vykazovat vysokou tvrdost povrchu, zatímco její jádro zůstává podstatně měkčí. Převod založený na homogenní oceli není přesným popisem takového gradientu.

Záznam by měl rovněž uvádět, zda byla zkouška provedena na broušeném, leštěném, oduhličeném, oxidovaném, pokoveném nebo kuličkováním zpevněném povrchu. Povrchové vrstvy mohou rozhodujícím způsobem ovlivnit měření malou hloubkou vtisku podle Vickerse, Knoopa nebo na povrchové stupnici Rockwell. Naproti tomu velký Brinellův vtisk může zprůměrovat vlastnosti povrchové vrstvy s vlastnostmi pod ní ležícího jádra. Pokud se měřené místo nachází v blízkosti svaru, tepelně ovlivněné oblasti, hrany, otvoru nebo ohybu, musí být tato poloha součástí výsledku.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrn a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Toto upozornění je pravidlem pro výběr, nikoli pouze obecným omezením. Hodnota v tabulce pro homogenní uhlíkové, legované nebo nástrojové oceli by neměla být automaticky použita pro cementovanou vrstvu, duplexní mikrostrukturu nebo oblast svaru.

Sladění původní a cílové stupnice

Dále určete, co má cílová hodnota vyjadřovat. Převod hodnoty 32 HRC na přibližně 300 HBW je porovnáním jedné stupnice s druhou. Převod hodnoty 32 HRC na odhad pevnosti v tahu je odlišný a méně spolehlivý postup. První výsledek by měl být uveden jako převedená tvrdost; druhý jako odhadovaná pevnost v tahu, včetně uvedení jeho základu a omezení.

Před výběrem převodní tabulky zvolte zkušební stupnici s ohledem na geometrii a stav materiálu. Brinellova zkouška, stanovená normou ASTM E10 nebo ISO 6506-1, je často vhodná pro dostatečně tlustou, relativně homogenní ocel, protože její větší vtisk zprůměruje místní odchylky. Není vhodná pro úzký průřez, tenkou stěnu, malý poloměr nebo povrch v blízkosti hrany. Stupnice Rockwell, upravené normou ASTM E18 nebo ISO 6508-1, poskytují rychlé výsledky, avšak zvolená stupnice musí odpovídat tvrdosti a tloušťce materiálu. Rockwell C není univerzální náhradou za každou zkoušku oceli; měkčí oceli mohou vyžadovat Rockwell B, zatímco tenké průřezy nebo mělce kalené vrstvy mohou vyžadovat povrchovou stupnici Rockwell.

Zkoušení podle Vickerse dle ASTM E384 nebo ISO 6507-1 je užitečné, pokud je dostupná plocha malá nebo pokud je třeba sledovat tvrdost v celé hloubce cementované vrstvy či svaru. Zkoušení podle Knoopa může být vhodnější pro velmi tenké vrstvy nebo úzké oblasti, protože jeho protáhlý vtisk umožňuje lokalizované měření. Přenosné zkoušení podle Leeba může pomoci u velkých součástí, které nelze přemístit ke stacionárnímu přístroji, avšak výsledek ovlivňuje stav povrchu, hmotnost součásti, zakřivení, podepření, směr rázu a kalibrace. Převod z Leebovy stupnice na Rockwell by proto měl být vázán na povolené zařízení Leeb a danou skupinu materiálů, nikoli považován za zaměnitelný s přímou zkouškou Rockwell.

Mechanika vtlačování rovněž omezuje porovnatelnost. Různé stupnice používají odlišné tvary indentorů a síly, čímž vytvářejí odlišné plastické zóny. Převod funguje pouze do té míry, do jaké se zkoušená ocel chová podobně jako materiály použité ke stanovení daného vztahu. Vysoká hodnota tvrdosti v blízkosti horní meze jedné stupnice nemusí být spolehlivě převeditelná na jinou stupnici, i když jsou oba údaje technicky v jejich jmenovitých rozsazích.

Vztah mezi tvrdostí a pevností v tahu je obzvláště podmíněný. Studie z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A identifikovala pro některé vysokopevnostní, tvárné kovové materiály přibližný vztah $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, zároveň však uvedla, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Tento výraz není univerzální rovnicí pro ocel. Podobně studie z roku 2023 týkající se historických a současných nelegovaných konstrukčních ocelí zjistila obecně lineární vztah mezi Brinellovou tvrdostí a parametry pevnosti v tahu u ocelí v surovém nebo normalizovaném stavu. Toto zjištění však nestanovuje stejný vztah pro kalenou a popuštěnou ocel 4340, nitridovanou ocel 4140 nebo martenzitickou nástrojovou ocel.

Ověřte rozsah platnosti a rozsah hodnot normy

Po identifikaci materiálu a výběru stupnic si prostudujte rozsah platnosti a poznámky příslušné normy. ASTM E140-12 uvádí přibližné vztahy mezi hodnotami podle Brinella, Vickerse, Rockwella, povrchového Rockwella, Knoopa, Scleroscope a Leeba pro stanovené kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. Tabulka musí zahrnovat jak příslušnou kategorii materiálu, tak naměřený rozsah tvrdosti. Neprovádějte extrapolaci za její krajní hodnoty pouze proto, že číselný trend vypadá plynule.

ISO 18265:2013 stanovuje zásady převodu hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a odhadu pevnosti v tahu. Uvádí, že převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen, a označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody. Při citování tabulky ISO jsou proto zásadními podklady jakost, stav a historie výrobku.

Publikované tabulky jsou nejlépe obhajitelné tehdy, když je ocel z hlediska složení a metalurgie podobná souboru materiálů, na němž byla tabulka založena, zkouška leží uvnitř uvedeného rozsahu, geometrie vzorku splňuje požadavky původní metody a výsledek není používán jako certifikát tahových vlastností. Převod z tabulky může být dostačující pro sledování procesu nebo předběžné porovnání. Sám o sobě však není dostačující, pokud na mezi kluzu, mezní pevnosti v tahu nebo lomových charakteristikách závisí smlouva, posouzení bezpečnosti nebo konstrukční výpočet.

U kritických rozhodnutí proveďte laboratorní korelaci. Zkoušejte reprezentativní kusy — nebo sousední vzorky ze stejné tavby, stejné formy výrobku a tloušťky a ze stejné dávky tepelného zpracování — původní metodou měření tvrdosti a požadovanou cílovou metodou nebo tahovou zkouškou. Párová měření by měla pokrývat skutečný provozní rozsah, zahrnovat opakovaná měření a měla by být analyzována pomocí predikčních mezí, nikoli jedinou proloženou přímkou. Technická zpráva SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) přímo uvádí hlavní zásadu: přesné převody musí být vypracovány pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují daný vztah. Studie NIST z roku 1929 zjistila, že pevnost oceli v tahu lze často pro komerční účely odhadnout z Brinellovy tvrdosti, tento výsledek však podporuje praktický odhad, nikoli univerzální zákon.

Nejprve uveďte původní naměřenou hodnotu, za ní převedenou hodnotu, použitou tabulku nebo model, stav materiálu a nejistotu či kvalifikaci výsledku. Například: „Naměřeno 32 HRC; přibližně 302 HBW podle ASTM E140-12 pro legovanou ocel, s ohledem na rozsah tabulky a omezení týkající se materiálu.“ Pokud je odvozována pevnost v tahu, výslovně ji označte jako odhadovanou. Pokud daná vlastnost rozhoduje o přijetí výrobku nebo o návrhu, proveďte vlastní tahovou zkoušku.

Validace, nejistota a rozhodnutí o přijetí

Převod tvrdosti je obhajitelný pouze tehdy, pokud jeho podklad odpovídá materiálu, který se hodnotí. Relevantní srovnání není mezi izolovanou hodnotou tvrdosti a hodnotou v tabulce; jde o porovnání naměřené tvrdosti s naměřeným chováním v tahu u materiálu se stejnou jakostí, tepelným zpracováním, rozměrem průřezu a výrobní historií. Převod odvozený z normalizovaného plechu by neměl být automaticky použit pro zušlechtěnou tyč, plech tvářený za studena, nauhličené součásti nebo materiál ovlivněný svařováním, a to ani tehdy, když je nominální chemická jakost shodná.

Párové zkoušení a regrese

Validace začíná u spárovaných zkušebních těles nebo spárovaných míst na reprezentativním materiálu. Tvrdost se měří předepsanou metodou — například podle Brinella, Rockwella nebo Vickerse — a zkoušky tahem se provádějí podle příslušné normy pro zkoušení tahem na materiálu odebraném ze stejné tavby, ve stejné formě výrobku, orientaci, rozsahu tlouštěk a při použití stejného výrobního postupu. Plán zkoušek by měl zachovat stav, který je rozhodující pro provoz: tyč z oceli 42CrMo4 ve zušlechtěném stavu není dostatečně reprezentována nesouvisející žíhanou ocelí 42CrMo4 a plech ASTM A36 by neměl být zařazen společně s normalizovanou konstrukční jakostí s vyšší pevností jen proto, že obě jsou uhlíkové oceli.

Před proložením jakéhokoli vztahu musí být postup měření tvrdosti řízen. Zaznamenejte stupnici, vnikací těleso, zkušební sílu, dobu působení, přípravu povrchu, rozteč vtisků a vzdálenost od hran nebo zakřivení. Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi hodnotami tvrdosti podle Brinella, Vickerse, Rockwella, povrchového Rockwella, Knoopa, Scleroskopu a Leeba pro specifikované kovy, včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrna a tepelným zpracováním“. Toto tvrzení představuje omezení tabulky, nikoli nepodstatnou výhradu.

Predikční intervalPredikční interval Interval vyjadřující očekávaný rozsah pro jednotlivý budoucí výsledek, který zahrnuje jak nejistotu modelu, tak rozptyl mezi jednotlivými materiály.

Naměřené veličiny lze následně propojit regresí. V závislosti na datech může být v omezeném rozsahu vhodný lineární model:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

kde $R_m$ je naměřená pevnost v tahu a $H$ je naměřená tvrdost na uvedené stupnici. Může být nezbytný nelineární model, model specifický pro danou jakost nebo samostatné modely pro různá tepelná zpracování. Model by měl být proložen párovými pozorováními, nikoli hodnotami tvrdosti opsanými z převodní tabulky. Uvádějte počet taveb, počet zkušebních těles na tavbu, rozsah tvrdosti, rozsah pevnosti v tahu, odhady koeficientů, reziduální směrodatnou odchylku a intervaly spolehlivosti pro odhadovaný průměr i pro individuální predikci.

Rozdíl mezi těmito intervaly je důležitý. Interval spolehlivosti kolem průměrné predikované pevnosti v tahu popisuje nejistotu odhadovaného průměrného vztahu. Individuální predikční interval zahrnuje také rozptyl mezi jednotlivými zkušebními tělesy, a proto je širší. Rozhodnutí o přijetí se týkají jednotlivého materiálu, nikoli abstraktního průměru. Úzká regresní přímka tedy může existovat současně s predikčním intervalem, který je příliš široký na podporu mezní hodnoty specifikace.

Systematickou odchylku je nutné kontrolovat odděleně od rozptylu. Pokud je převedená pevnost v tahu trvale vyšší než výsledky přímých zkoušek tahem, má převod kladnou systematickou odchylku a může vést k falešnému přijetí nedostatečně pevného materiálu. Porovnávejte rezidua v závislosti na tvrdosti, tavbě, tloušťce průřezu, orientaci a dávce tepelného zpracování. Graf reziduí může odhalit zakřivení, měnící se rozptyl nebo shluk spojený s jedním nástřelem pece. Jediný celkový korelační koeficient tyto účinky neodhalí.

Odlehlé hodnoty vyžadují prošetření, nikoli automatické odstranění. Extrémní výsledek může být způsoben nesprávně umístěným vtiskem, nedostatečnou přípravou povrchu, vadou zkušebního tělesa pro tahovou zkoušku, chybou při přepisu nebo skutečnou segregací a proměnlivostí mikrostruktury. Jeho vyloučení je oprávněné pouze na základě zdokumentovaného technického důvodu a pokud možno opakované zkoušky. V opačném případě je odlehlá hodnota součástí vztahu, kterému musí postup přijímání vyhovět.

Historické poznatky vysvětlují, proč mohou omezené modely fungovat. Studie z roku 2023 publikovaná v Materials Today: Proceedings zjistila obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u historických i současných nelegovaných konstrukčních ocelí ve výchozím nebo normalizovaném stavu. Toto zjištění nestanovuje stejnou přímku pro legované, zušlechtěné, precipitačně vytvrzené, nauhličené nebo silně tvářené oceli za studena. Studie NIST z roku 1929 obdobně uvedla, že pevnost oceli v tahu lze často pro komerční účely odhadnout z tvrdosti podle Brinella, avšak odhad užitečný pro třídění není univerzálním zákonem materiálu.

Opakovatelnost, reprodukovatelnost a nejistota

Opakovatelnost popisuje variabilitu, když stejný obsluha používá stejný přístroj a metodu na dostatečně podobných místech za přísně kontrolovaných podmínek. Reprodukovatelnost je širší pojem: zahrnuje změny obsluhy, přístroje, laboratoře, dne nebo uspořádání zkoušky. Tyto složky nesmějí být zaměňovány s rozptylem vztahu mezi tvrdostí a pevností.

Například pět opakovaných vtisků podle Vickerse může vykazovat malou variabilitu, což ukazuje na dobrou opakovatelnost, zatímco výsledky přímých zkoušek tahem jmenovitě podobných zkušebních těles se mohou výrazně lišit v důsledku rozteče feriticko-perlitických složek, popouštění martenzitu, páskovitosti, vměstků nebo lokální segregace. Naopak stabilní materiál může vykazovat špatnou opakovatelnost, protože povrch je drsný, součást je příliš tenká, vtisk je příliš blízko hrany nebo je vnikací těleso či ověření síly vadné. První problém náleží modelu převodu; druhý se týká především měřicího systému.

Rozpočet nejistoty by měl zahrnovat kalibraci, rozlišení přístroje, vlivy obsluhy a laboratoře, vlivy povrchu a geometrie, vzorkování a zbytkovou variabilitu empirického vztahu. Převedený výsledek proto není jednoduše „naměřená tvrdost ± nejistota přístroje“. Obsahuje také nejistotu způsobenou samotným převodem. Norma ISO 18265:2013 stanoví zásady pro převádění hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu a zároveň upozorňuje, že „převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně ten materiál, který byl zkoušen“. Rovněž označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody.

Výsledek často zásadně ovlivňuje vzorkování. Jeden vtisk tvrdosti reprezentuje malý objem, zatímco zkušební těleso pro tahovou zkoušku reprezentuje mnohem větší a jinak orientovaný objem. Několik měření z jednoho vhodně zvoleného povrchu nereprezentuje celý výkovek, plech, svařenec nebo svitek. Vzorkování by mělo zahrnovat tavby, místa, tloušťky a orientace, které může výrobní proces vytvářet. Pokud byl vztah validován pouze na materiálu z osy průřezu, neměl by bez výslovného uvedení platit také pro povrchově kalené nebo oduhličené oblasti.

Stejná opatrnost platí pro jednoduché vzorce. Studie z roku 2012 publikovaná v Materials Science and Engineering: A identifikovala pro některé vysokopevné, tvárné kovové materiály přibližný vztah $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$. Poměr mezi tvrdostí a pevností však závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku. Zacházení s tímto výrazem jako s obecnou rovnicí pro ocel může vést k výsledku působícímu přesně, avšak bez obhajitelného vyjádření nejistoty.

Kdy je převod nevhodný pro rozhodnutí o přijetí

Převod je nevhodný tehdy, když specifikace vyžaduje pevnost v tahu a převod nebyl validován pro přesně daný výrobek a stav. Přímá zkouška tahem provedená podle příslušné normy pro materiál by měla být rozhodující vždy, když přijetí závisí na mezi kluzu, pevnosti v tahu, prodloužení, kontrakci nebo jiné související tahové vlastnosti. Převedená hodnota může sloužit k monitorování procesu, třídění nebo šetření, neměla by však nahrazovat přejímací zkoušku jen proto, že měření tvrdosti je rychlejší.

Zvláštní opatrnost je nutná v blízkosti mezní hodnoty specifikace. Předpokládejme, že materiálová norma vyžaduje minimální pevnost v tahu $R_m$ a tabulka tvrdosti poskytne zdánlivě přesný ekvivalent. Tabulka nepřevádí tuto minimální hodnotu na přesný limit tvrdosti. Zaokrouhlení, systematická odchylka modelu, predikční nejistota a variabilita vzorkování mohou materiál posunout přes stanovenou mez. Hodnota tvrdosti jen nepatrně vyšší než převedený limit proto může znamenat významnou pravděpodobnost nesplnění požadavku přímé zkoušky tahem; hodnota jen nepatrně nižší nemusí prokazovat nesplnění.

Příslušná norma rovněž určuje, zda je převod vůbec povolen. ISO 18265:2013 a ASTM E140-12 uvádějí zásady nebo tabulkové přibližné vztahy, nikoli obecné oprávnění nahradit jednu zkoušku jinou. Technická zpráva SAE z roku 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, rovněž zdůrazňuje, že přesné převody musí být vyvinuty pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože vztah ovlivňují rozměry, hmotnost, složení a výrobní postup.

Postupy přijetí by měly uvádět, zda je oznámené číslo naměřená tvrdost, převedená tvrdost nebo odhadovaná pevnost v tahu. Tyto označení se nesmějí směšovat. Pokud orientační převod signalizuje možné nesplnění požadavku, proveďte předepsanou přímou zkoušku nebo schválené šetření. Pokud výsledky zkoušek tahem nejsou k dispozici, uveďte převod spolu s jeho zdrojem, rozsahem použití pro daný materiál, nejistotou a omezeními, místo abyste jej prezentovali jako zaručenou tahovou vlastnost.

Běžné chyby v převodních tabulkách tvrdosti

Převodní tabulky tvrdosti jsou užitečné pouze tehdy, pokud se naměřená hodnota, materiál, stav a zkušební metoda nacházejí v rozsahu, na němž je tabulka založena. Převedený výsledek není druhým měřením. Jedná se o odhad odvozený z empirického vztahu, který obvykle vykazuje větší rozptyl, pokud se materiál nebo zkušební podmínky liší od podmínek použitých při stanovení tohoto vztahu.

Norma ASTM E140-12, Standardní převodní tabulky tvrdosti kovů, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchovou Rockwell, Knoop, Scleroscope a Leeb pro stanovené kovy. Její rozsah zahrnuje homogenní uhlíkové, legované a nástrojové oceli, avšak tabulky neodstraňují rozdíly mezi těmito třídami. ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Norma ISO 18265:2013 uvádí stejný praktický závěr: převedené hodnoty se přímo vztahují pouze na přesně zkoušený materiál, přičemž odhady pevnosti v tahu představují nejméně spolehlivý typ převodu (ISO, 2013).

Považování ekvivalentních čísel za zaměnitelná

Údaj v tabulce, například 40 HRC ≈ 375 HBW, neznamená, že naměřená hodnota 40 HRC a hodnota 375 HBW jsou zaměnitelné skutečnosti. První hodnota je naměřený výsledek podle Rockwella C získaný pomocí diamantového kužele, stanoveného předběžného zatížení a stanoveného hlavního zatížení. Druhá hodnota je hodnota podle Brinella spojená s tvrdokovovou kuličkou, definovanou silou a průměrem vtisku. Jedná se o vzájemně související odhady, nikoli o duplicitní pozorování.

Toto rozlišení je důležité v kontrolních záznamech. Pokud výkres požaduje 35–40 HRC, může výsledek podle Brinella převedený do tohoto intervalu podpořit předběžné třídění, nemusí však nutně splňovat požadavek formulovaný pro zkoušku Rockwell C. Převod může zakrýt rozdíl způsobený hloubkou vtisku, lokální mikrostrukturou, stavem povrchu nebo rozptylem výsledků zkoušky. Pokud je stanovenou přejímací metodou Rockwell C, představuje přímé měření HRC příslušný důkaz.

Běžná je také opačná chyba: uživatel převede HRC na HBW mimo rozsah tabulky a extrapolované číslo uvede, jako by bylo v tabulce uvedeno. Vztah kalibrovaný například mezi 20 a 50 HRC by neměl být bez rozmyslu rozšiřován na povrch nástrojové oceli s tvrdostí 62 HRC. Při vysoké tvrdosti se může mechanika vtisku a zastoupení karbidů výrazně změnit, a tím se může prudce změnit i daný vztah. Koncové body tabulky nepředstavují přesné hranice v materiálu; jedná se o meze publikovaných údajů nebo doporučené korelace. Hodnota těsně za koncovým bodem není automaticky neplatná, tabulka ji však nepodporuje a je zapotřebí použít metodu vhodnou pro skutečný rozsah tvrdosti.

Původní měření musí zůstat zřejmé. Zápis „420 HBW převedeno na 44 HRC“ je podstatně lepší než pouhé uvedení „44 HRC“, protože čtenáři sděluje, že nebyla provedena žádná zkouška Rockwell. Kvalitní záznam obsahuje měřenou stupnici, převedenou stupnici, zkušební normu, místo měření a stav materiálu nebo tepelného zpracování.

Míchání stupnic, jednotek a podmínek použití indentoru

Označení tvrdosti obsahuje informace o zkoušce. Stupnice HRC, HRB a povrchové stupnice Rockwell nejsou zaměnitelnými variantami jednoho čísla Rockwell. HRC používá diamantový indentor a hlavní zatížení 150 kgf; HRB obecně používá kulový indentor a hlavní zatížení 100 kgf. Povrchové stupnice Rockwell používají nižší síly a mají vlastní označení, například 30N nebo 30T. Vynechání přípony může změnit dohledatelný výsledek v nejednoznačný údaj.

Stejné upozornění platí pro označení podle Brinella. HBW označuje kuličku z karbidu wolframu, zatímco starší záznamy mohou používat konvence HB nebo HBS, které neposkytují stejné informace o indentoru. Výsledek podle Brinella závisí také na průměru kuličky, zkušební síle, době působení zatížení a poměru síly k průměru vtisku. Dvě hodnoty zapsané jako „HB“ tedy nemusely být získány za rovnocenných podmínek.

Tvrdost podle Vickerse, zapisovaná jako HV s běžným uvedením zkušební síly v označení, je dalším častým zdrojem chyb. HV je číslo tvrdosti, nikoli hodnota pevnosti v tahu. Tvrzení typu „ocel s tvrdostí 650 HV má pevnost v tahu 650 MPa“ zaměňuje nesouvisející veličiny a může se výrazně mýlit. U některých vysokopevnostních, tvárných kovových materiálů výzkum stanovil přibližný vztah $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, avšak stejná studie uvádí, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku (Materials Science and Engineering: A, 2012). Tento vztah je proto omezeným empirickým přiblížením, nikoli převodním zákonem.

Jednotky představují další úskalí. Tvrdost podle Brinella není hodnotou napětí, přestože její číselná definice obsahuje sílu a plochu. Pevnost v tahu může být uváděna v MPa nebo ksi, zatímco stupnice tvrdosti jsou bezrozměrná zkušební čísla se specifickým významem pro danou stupnici. Tabulka, která odhaduje pevnost v tahu z hodnoty HBW, musí být označena jako odhad a musí u ní být uveden zdroj i rozsah materiálů.

Geometrie může zneplatnit jinak vhodnou stupnici. U tenkého plechu může být výsledek falešně vysoký nebo nízký, pokud je vtisk příliš hluboký nebo pokud není zajištěna dostatečná opora. Malá součást, zakřivený povrch, úzká hrana nebo lokálně vytvrzená vrstva nemusí poskytovat dostatek materiálu pro zamýšlený vtisk. Zpráva SAE Zkoušky tvrdosti a převody čísel tvrdosti (1967) uvádí, že přesné převody musí být vyvinuty pro konkrétní složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují daný vztah.

Extrapolace mezi jakostmi nebo tepelnými zpracováními

Nejnebezpečnější chyba nespočívá v aritmetice. Jde o nekritickou záměnu materiálu: použití vztahu stanoveného pro jednu ocel na jinou ocel jen proto, že obě jsou označeny jako „ocel“.

Korelace pro uhlíkovou ocel může poskytovat přiměřené výsledky u nelegované uhlíkové jakosti v normalizovaném stavu, ale selhat u vysoce legované nástrojové oceli, precipitačně vytvrzované korozivzdorné oceli nebo nízkouhlíkové cementované oceli. Oceli AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 a AISI 17-4 PH nemají společný vztah mezi tvrdostí a pevností. Jejich obsah legujících prvků, zastoupení karbidů nebo precipitátů, zbytkový austenit, velikost zrna a chování při deformaci mění jak průběh vtisku, tak chování při tahové zkoušce.

Tepelné zpracování může být rozhodující i v rámci jediné jakosti. Zušlechtěná ocel AISI 4140, žíhaná ocel AISI 4140 a indukčně kalená ocel AISI 4140 mohou na jednom místě vykazovat stejnou nominální objemovou tvrdost, ale lišit se rozložením pevnosti, zbytkovým napětím a chováním při porušení. Povrchové kalení lze snadno přehlédnout. Cementování, nitridování, indukční kalení a laserové kalení mohou vytvořit tvrdou vrstvu nad měkčím jádrem. Mělký vtisk Rockwell nebo Vickers může měřit povrchovou vrstvu, zatímco větší brinellovský vtisk může zahrnout i jádro. Převod kteréhokoli z těchto výsledků bez zaznamenání hloubky a místa měření vytváří falešné srovnání.

Výzkum historických i současných nelegovaných konstrukčních ocelí zjistil obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u ocelí v surovém nebo normalizovaném stavu (Materials Today: Proceedings, 2023). Toto zjištění podporuje řízené používání vztahu v rámci přesně vymezené skupiny ocelí; neodůvodňuje však přenos této přímky na kalenou nástrojovou ocel nebo korozivzdornou ocel. Studie NIST z roku 1929 rovněž uvádí, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella, přičemž tento vztah je považován za empirický, nikoli univerzální (NIST, 1929).

Pokud vlastnosti v tahu ovlivňují konstrukci, kvalifikaci svařování, posuzování lomu nebo přejímku, je nutná přímá tahová zkouška nebo validovaná korelace specifická pro danou jakost a stav materiálu. Tabulka má sloužit jako podklad pro rozhodování, nikoli nahrazovat zkoušku, na níž dané rozhodnutí skutečně závisí.

Správné uvádění tvrdosti a převedených vlastností

Údaje o tvrdosti by měly nejprve uvádět, co bylo skutečně změřeno, a teprve poté případný převod. Číslo tvrdosti bez uvedení stupnice, metody a zkušebních podmínek je neúplné: „tvrdost 42“ může znamenat 42 HRC, 42 HRB, 42 HV nebo 42 HBW, přičemž tyto hodnoty nepopisují stejnou odezvu materiálu. Protokol by měl také jasně uvádět, zda číslo pochází z indentační zkoušky, z publikované převodní tabulky, nebo z odhadu založeného na empirickém vztahu mezi tvrdostí a pevností.

Nejprve zaznamenejte původní výsledek zkoušky

První hodnotou v protokolu by měl být naměřený výsledek v původní stupnici a s původním označením. Například:

> Naměřená tvrdost: 58 HRC, ASTM E18, ocel AISI 4140, kalená a popuštěná při 540 °C; místo zkoušky: střední poloměr, 10 mm pod obráběným povrchem; povrch broušený; kalibrovaný tvrdoměr Rockwell, hlavní zatížení 150 kgf.

Toto sdělení identifikuje výsledek získaný zkouškou Rockwell. Nenahrazuje mlčky výsledek číslem podle Brinella nebo Vickerse. Pokud bylo provedeno několik vtisků, uveďte jednotlivé hodnoty nebo jejich průměr a rozpětí, například 58, 59, 58 HRC; průměr 58,3 HRC, rozpětí 1 HRC. Počet vtisků a jejich vzájemné vzdálenosti mohou být důležité, pokud má materiál gradient, hrubou mikrostrukturu, oduhličenou vrstvu nebo lokální tepelné zpracování.

Protokol by měl, pokud možno, přesně identifikovat jakost oceli podle příslušné materiálové normy. Označení „4140“ je méně přesné než SAE J404 Grade 4140 a označení „nerezová ocel“ není dostatečným popisem jakosti, pokud je materiál označen jako UNS S30400, AISI 304 nebo jiným specifikovaným označením. Zaznamenejte stav po tepelném zpracování: žíhaný, normalizačně žíhaný, kalený a popuštěný, cementovaný, nitridovaný nebo ve stavu dodání. Hodnota tvrdosti naměřená na nitridované vrstvě není zaměnitelná s hodnotou naměřenou v jádře.

Do záznamu patří také geometrie, protože tenké průřezy, malé součásti, zakřivené povrchy a zkušební tělesa s malou hmotností mohou zkreslit výsledky vtiskové zkoušky. Uveďte tloušťku, průměr, vzdálenost od hrany a zda byla zkouška provedena na rovném nebo zakřiveném povrchu. Důležitá je také příprava povrchu. Uveďte obrábění, broušení, leštění, odstranění povlaku a případnou viditelnou okujenou nebo oduhličenou vrstvu. Výsledek podle Rockwella, Brinella, Vickerse, Knoopa nebo Leeba by měl uvádět přístroj, případně alespoň zkušební metodu, zatížení, vnikací těleso a příslušnou normu.

Uveďte normu a základ převodu

Převedená hodnota musí následovat po původním měření, nikoli je nahrazovat. Například:

> Naměřeno: 58 HRC, ASTM E18. Převedeno: přibližně ekvivalentní hodnota podle Rockwella 615 HV podle ASTM E140-12, tabulka [příslušná tabulka], pro specifikovaný rozsah oceli; převod je přibližný a nejedná se o samostatné měření podle Vickerse.

Číslo tabulky nebo rovnice by měly být zaznamenány, pokud je zdroj uvádí. Pokud výsledek poskytl software, identifikujte software, databázi, revizi a zvolenou kategorii materiálu. Údaj „převedeno na 615 HV“ není dostačující, protože různé tabulky mohou poskytovat odlišné výsledky, zejména v blízkosti hranic uvedených rozsahů.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, poskytuje přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchového Rockwella, Knoop, Scleroscope a Leeb pro specifikované kovy, včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM uvádí, že „převody jsou ovlivněny složením slitiny, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Toto omezení je součástí výsledku. Mělo by být zachováno ve výkresech, kontrolních záznamech a certifikátech, nikoli odstraněno z důvodu snadnější prezentace.

ISO 18265:2013 stanovuje zásady pro převod hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu. Její varování je přísnější, než naznačují mnohé stručné převodní tabulky: převedené hodnoty se přímo vztahují pouze na přesně takový materiál, jaký byl zkoušen, a odhady pevnosti v tahu jsou nejméně spolehlivými převody (International Organization for Standardization, 2013). Protokol by proto měl výslovně uvádět základ převodu:

> Základ: ISO 18265:2013, převodní tabulka pro ocel, přibližná hodnota; použitelnost omezena na zkoušenou jakost a stav materiálu.

ASTM E140 a ISO 18265 nejsou oprávněním k převodu každé kombinace stupnic. Jejich tabulky mají kategorie materiálů, rozsahy a omezení zkušebních metod. Převod mimo tyto limity by měl být označen jako nepodložený, nebo by měl být vynechán.

Oddělujte naměřené, převedené a odhadované hodnoty

Pro tři různé druhy informací používejte samostatná označení:

> Naměřená tvrdost: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Převedená tvrdost: přibližně 22 HRC, ISO 18265:2013, příslušná tabulka pro ocel. > Odhadovaná pevnost v tahu: přibližně 760 MPa, empirický vztah mezi tvrdostí a pevností; nebyla změřena tahovou zkouškou.

Třetí hodnota nesmí být nikdy uvedena jako pevnost v tahu: 760 MPa, pokud ji nezískala tahová zkouška. ISO 18265 označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody. Studie NIST o empirických vztazích mezi tvrdostí podle Rockwella a Brinella, publikovaná v roce 1929, zjistila, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella. Toto zjištění však popisuje empirickou pomůcku, nikoli univerzální zákon. Přímá tahová zkouška je i nadále nezbytná, pokud konstrukční výpočet, certifikace materiálu, vyšetřování poruchy nebo rozhodnutí o převzetí závisí na mezi kluzu, pevnosti v tahu, prodloužení nebo kontrakci.

Některé vztahy jsou užitečné pouze v rámci stanovené třídy materiálů. Studie z roku 2012 publikovaná v časopise Materials Science and Engineering: A uvádí přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS pro některé vysokopevné a tvárné kovové materiály. Poměr se mění v závislosti na třídě materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku; neměl by být automaticky používán pro feriticko-perlitickou ocel ASTM A36, kalenou a popuštěnou ocel SAE J404 Grade 4140, martenzitickou nerezovou ocel ani nitridovaný povrch. Studie z roku 2023 zabývající se historickými a současnými nelegovanými konstrukčními ocelemi zjistila obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u surového nebo normalizačně žíhaného materiálu. Tento výsledek nestanovuje stejnou závislost pro kalenou a popuštěnou, za studena tvářenou, cementovanou nebo precipitačně vytvrzenou ocel.

Úplný záznam proto může vypadat takto:

> Materiál: SAE J404 Grade 4140, kalený a popuštěný při 540 °C; tyč o průměru 40 mm, zkouška ve středním poloměru; broušený povrch. Naměřeno: 31 HRC, ASTM E18, kalibrovaný tvrdoměr Rockwell. Převedeno: přibližně 295 HBW, ASTM E140-12, příslušná tabulka pro legované oceli; pouze přibližná hodnota. Odhadovaná pevnost v tahu: přibližně [hodnota] MPa podle [uvedená rovnice nebo tabulka]; pouze odhad, nikoli výsledek tahové zkoušky.

Tento formát zachovává důkazy, předpoklady i omezení převodu. Zároveň umožňuje pozdějšímu posuzovateli rozhodnout, zda je nutná přímá zkouška, místo aby zaměnil praktické ekvivalentní číslo za nové měření.

Praktická metalurgická srovnání bez falešné přesnosti

Přepočet tvrdosti se stává zavádějícím, pokud je číselná hodnota považována za identifikaci materiálu, nikoli za výsledek konkrétní zkoušky provedené na oceli v konkrétním stavu. Hodnota podle Brinella, naměřená na neporušeném homogenním průřezu, může v rámci kontrolované skupiny normalizovaných ocelí poměrně dobře korelovat s pevností v tahu. Stejná číselná hodnota tvrdosti u zušlechtěné oceli nebo u cementované vrstvy součásti však nemá stejný význam.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, uvádí přibližné vztahy mezi stupnicemi Brinell, Vickers, Rockwell, povrchovou Rockwellovou, Knoop, Scleroscope a Leeb pro specifikované kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. ASTM přímo uvádí, že „přepočty jsou ovlivněny složením slitiny, strukturou zrna a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Toto omezení se vztahuje na každé z níže uvedených srovnání.

Normalizovaná nelegovaná konstrukční ocel

Normalizovaná nelegovaná konstrukční ocel představuje případ, kdy může být vztah mezi tvrdostí podle Brinella a pevností poměrně konzistentní. Uvažujme například jakost ASTM A36 nebo jakost S275JR podle EN 10025-2, za předpokladu, že materiál je skutečně v normalizovaném nebo rovnocenném jemnozrnném stavu a zkoušený průřez je dostatečně homogenní. Normalizování zjemňuje a homogenizuje feriticko-perlitickou strukturu ohřevem nad kritický teplotní rozsah a ochlazením na vzduchu. Nezpůsobí, že každá tavba oceli bude identická, ale omezuje některé rozdíly ve stavu materiálu, které ztěžují interpretaci tvrdosti.

U této skupiny materiálů zkouška podle Brinella vzorkuje poměrně velký objem prostřednictvím vtisku kuličky. Výsledek proto účinněji průměruje vliv feritu, perlitu, vměstků a lokálních odchylek než velmi malý vtisk při zkoušce mikrotvrdosti. Pokud obsah uhlíku, obsah manganu, velikost zrna, tloušťka a historie zpracování zůstávají v rámci omezené skupiny materiálů, zvýšení tvrdosti podle Brinella bude obecně doprovázeno zvýšením meze kluzu a pevnosti v tahu. Studie zveřejněná v roce 2023 v časopise Materials Today: Proceedings zjistila obecně lineární empirický vztah mezi tvrdostí podle Brinella a parametry pevnosti v tahu u historických i současných nelegovaných konstrukčních ocelí ve stavu po válcování nebo v normalizovaném stavu (Materials Today: Proceedings, 2023).

„Obecně lineární“ však neznamená, že lze z jediného vtisku vypočítat zaručenou hodnotu pevnosti v tahu. Jde o popis proloženého vztahu pro určitou skupinu materiálů. I v rámci jakosti S275JR nebo ASTM A36 mohou výsledek posunout rozdíly v tloušťce plechu, způsobu dezoxidace, obsahu fosforu a síry, historii válcování a lokální segregaci. Hodnota tvrdosti naměřená v tepelně ovlivněné oblasti svaru není zaměnitelná s hodnotou naměřenou v základním materiálu plechu.

Starší studie NIST o empirických vztazích mezi stupnicemi Rockwell a Brinell dospěla k praktickému závěru, který je stále užitečný: pevnost v tahu oceli lze často pro komerční účely odhadnout z tvrdosti podle Brinella, tento odhad je však empirický, nikoli univerzální zákon (NIST, 1929). Převodní tabulka proto může pomoci při kontrole homogenity materiálu nebo při řízení procesu, pokud se skupina oceli a její stav shodují s údaji v tabulce. Nemůže však nahradit tahovou zkoušku v případech, kdy je rozhodující stanovená mez kluzu, pevnost v tahu, prodloužení nebo přejímací kritérium.

Zušlechtěná legovaná ocel

Zušlechtěná legovaná ocel odhaluje nedostatky široce pojatého převodu tvrdosti ještě výrazněji. SAE 4140 a 42CrMo4 podle EN 10083-3 mohou být obě popsány jako chrom-molybdenové oceli, jejich vztah mezi tvrdostí a pevností však silně závisí na způsobu austenitizace, intenzitě kalení, teplotě popouštění, době výdrže a rozměru průřezu. Stejná nominální jakost může obsahovat popuštěný martenzit v blízkosti kaleného povrchu, směs bainitu a martenzitu v mezilehlé oblasti a měkčí transformační strukturu směrem ke středu velké tyče.

Stav po popouštění je důležitý, protože tvrdost a tahové vlastnosti se v celém rozsahu popouštění nemění přesně ve stejném poměru. Martenzit popuštěný při nízké teplotě si může zachovat vysokou tvrdost při omezené houževnatosti; popouštění při vyšší teplotě snižuje tvrdost, současně však zlepšuje tažnost a uvolňuje zbytková napětí. Jednoduchý vztah mezi jedinou hodnotou tvrdosti a pevností mohou dále narušit sekundární vytvrzování, vylučování karbidů, zbytkový austenit a popouštěcí křehkost. Převod z HRC na HB může být přijatelný jako přibližné vyjádření stupnice u homogenního zkušebního tělesa, zatímco odhad pevnosti v tahu založený na takto převedené hodnotě HB může být zatížen podstatně větší nejistotou.

Stejně důležitý je rozměr průřezu. Malý vzorek z oceli 42CrMo4 může prokalit v celém průřezu, zatímco u velkého kovaného hřídele stejného označení může vzniknout gradient tvrdosti, protože jádro se ochlazuje pomaleji. Zkoušení povrchu a přiřazení tohoto výsledku celému průřezu může vést k nadhodnocení pevnosti jádra. Technická zpráva SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions uvádí, že přesné převody musí být stanoveny pro konkrétní chemické složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože vztah ovlivňují rozměry, hmotnost, složení a zpracování (SAE International, 1967).

Přibližný vztah Hᵥ ≈ 3σUTS, uvedený pro některé vysokopevné tažné kovové materiály ve studii z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A, ilustruje nebezpečí přenášení užitečné korelace mimo skupinu materiálů, pro kterou platí. Studie rovněž uvádí, že poměry mezi tvrdostí a pevností závisí na skupině materiálu, mikrostruktuře a morfologii vtisku (Materials Science and Engineering: A, 2012). Tento vztah by neměl být používán jako obecné pravidlo pro každý stav oceli 4140, tím méně pro řetězec převodů zahrnující několik stupnic tvrdosti.

Povrchově kalená ocel s měkkým jádrem

Cementovaná ocelová součást činí nahrazení pevnosti v tahu tvrdostí obzvláště riskantním. Uvažujme SAE 8620 nebo 20MnCr5 podle EN 10084 po cementování, kalení a popouštění. Obohacení povrchové vrstvy uhlíkem vytváří tvrdý martenzitický povrch, zatímco nízkouhlíkové jádro zůstává podstatně houževnatější a výrazně měkčí. Součást proto nemá jedinou hodnotu tvrdosti, která by reprezentovala její úplný mechanický stav.

Měření podle Rockwella C na povrchové vrstvě vyjadřuje odpor mělké oblasti povrchu. O mezi kluzu jádra, pevnosti v tahu jádra, prodloužení ani lomovém chování vypovídá jen málo. Pokud je povrchová vrstva ve vztahu k hloubce vtisku tenká nebo pokud zkušební zatížení zasahuje do přechodové oblasti, může být naměřená hodnota snížena vlivem měkkého podkladu. Povrchová zkouška Rockwell nebo zkouška podle Vickerse může povrchovou vrstvu rozlišit lépe, stále však charakterizuje pouze zkoušenou vrstvu, nikoli celý objem materiálu. Profily mikrotvrdosti mohou zmapovat tvrdost od povrchu směrem k jádru; samy o sobě však nemohou stanovit tahovou křivku napětí–deformace.

Toto rozlišení ovlivňuje také odběr vzorků. Odstranění povrchové vrstvy broušením před zkouškou podle Brinella může vést ke smysluplné hodnotě tvrdosti jádra, tento výsledek však musí být uveden jako měření v jádře. Pokud zůstane povrchová vrstva neporušená a měření se provede na povrchu, jde o výsledek pro povrchovou vrstvu. Označení kterékoli z těchto hodnot jako „tvrdost součásti“ zakrývá gradient vlastností.

ISO 18265:2013 stanoví zásady pro převod hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu, zároveň však uvádí, že převedené hodnoty se přímo vztahují pouze na přesně ten materiál, který byl zkoušen, a označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody (ISO, 2013). Cementovaný zub z oceli SAE 8620 není přesně tím homogenním materiálem, který představuje převodní tabulka pro uhlíkové oceli. ASTM E140-12 proto nemůže převést jeho hodnotu HRC povrchové vrstvy na obhajitelnou hodnotu pevnosti v tahu celého průřezu.

Pro konstrukční nebo přejímací rozhodnutí je správnou reakcí přesně definovat ověřovanou vlastnost: tvrdost povrchové vrstvy, účinnou hloubku cementované vrstvy, tvrdost jádra nebo tahové vlastnosti stanovené na samostatně připraveném vzorku. Přímá tahová zkouška, metalografické vyšetření a profilování tvrdosti v závislosti na hloubce odpovídají na různé otázky. Převedené číslo odpovídá pouze úzce vymezené otázce, kterou podporuje příslušná korelace pro konkrétní materiál.

Praktický referenční postup

Převod tvrdosti by měl začít rozhodnutím, jaká vlastnost je skutečně potřebná. Naměřená hodnota tvrdosti popisuje odezvu konkrétního povrchu, místa, vnikacího tělesa a zkušební síly. Převedená hodnota tvrdosti je odhadem na jiné stupnici tvrdosti. Odhad pevnosti v tahu je dalším odvozením a obvykle je méně spolehlivý než převod mezi stupnicemi tvrdosti. Tyto tři výsledky by neměly být uváděny, jako by byly vzájemně zaměnitelné.

Před zkoušením

Před výběrem zkoušky definujte technickou otázku. Pokud je požadavkem odolnost povrchu proti opotřebení, hloubka povrchové vrstvy, místní homogenita tepelného zpracování nebo hodnota pro výrobní kontrolu, může být tvrdost vhodnou přímo měřenou vlastností. Pokud je požadavkem mez kluzu, mez pevnosti v tahu, prodloužení, lomové chování nebo certifikace materiálu, je tvrdost pouze možným screeningovým měřením. Tahová zkouška je přímou metodou pro stanovení tahových vlastností.

Identifikujte jakost oceli a stav výrobku tak přesně, jak to záznamy umožňují. Označení „uhlíková ocel“ není dostačující. Zaznamenejte označení, například ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 nebo EN 1.2379, společně s formou výrobku, rozměrem průřezu, tepelným zpracováním, popouštěním, tvářením za studena a povrchovou úpravou. Vzorek z oceli 4140 zušlechtěné kalením a popouštěním při 540 °C nemá stejný vztah mezi tvrdostí a pevností jako žíhaná ocel 4140, přestože se obě označují jako 4140. Cementovaný povrch, oduhličená vrstva, tepelně ovlivněná oblast svaru a normalizovaný plech mohou každý vyžadovat odlišný plán měření.

Stupnici vybírejte podle geometrie a očekávané tvrdosti, nikoli podle pohodlnosti. Brinellova zkouška je vhodná pro mnoho větších, relativně homogenních průřezů, avšak kulový vtisk vyžaduje dostatečnou tloušťku a vzdálenost od okrajů nebo sousedních vtisků. Rockwellova zkouška je rychlejší a zanechává menší vtisk, zatímco stupnice povrchové Rockwellovy zkoušky jsou vhodné pro tenčí průřezy nebo mělké kalené vrstvy. Mikrotvrdost podle Vickerse a Knoopa umožňuje rozlišit malé oblasti, gradienty a jednotlivé fáze, avšak příprava povrchu a technika obsluhy jsou v tomto případě důležitější. Metody Leeb a Scleroscope jsou přenosné a užitečné ve vhodných podmínkách přímo v provozu, jejich hodnoty však silně závisí na hmotnosti, podepření, orientaci, stavu povrchu a nastavení přístroje.

Před vytvořením vtisku si prostudujte příslušnou zkušební normu. Norma ASTM E10 upravuje zkoušení tvrdosti podle Brinella, ASTM E18 zkoušení tvrdosti podle Rockwella a ASTM E384 zkoušení mikrotvrdosti vtlačováním; příslušná metoda ISO může být rovněž stanovena výkresem nebo materiálovou normou. Norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, obsahuje přibližné vztahy mezi hodnotami podle Brinella, Vickerse, Rockwella, povrchového Rockwella, Knoopa, Scleroscope a Leeba pro specifikované kovy včetně homogenních uhlíkových, legovaných a nástrojových ocelí. Nečiní však z jedné stupnice univerzální náhradu za jinou.

Naplánujte přípravu vzorku. Odstraňte okuje, rez, nátěr a otřepy, aniž by se broušením nebo nadměrným leštěním změnila tepelně zpracovaná vrstva. Zkušební povrch musí být rovný, čistý a dostatečně hladký pro zvolenou metodu. Vzorek pevně podepřete. Tenký plech, který se pod vnikacím tělesem prohýbá, může vést k falešně nízkému odečtu, zatímco zakřivená nebo nedostatečně podepřená součást může posunout výsledek kterýmkoli směrem.

Během měření

Ověřte přístroj pomocí požadovaných referenčních etalonů nebo ověřovacího postupu a zaznamenejte identifikaci stroje, typ vnikacího tělesa, sílu, dobu prodlevy, teplotu a místo zkoušky. Stupnice ani zatížení nekombinujte bez uvedení této skutečnosti. „HRC“ a „HRB“ jsou různé Rockwellovy stupnice, nikoli vzájemně zaměnitelná označení; „HV10“ a „HV0.2“ používají různé zkušební síly a mohou zkoumat odlišné objemy mikrostruktury.

Umísťujte vtisky v dostatečné vzdálenosti od okrajů, otvorů, hranic svarů a předchozích vtisků podle požadavků zkušební normy. U cementované součásti zmapujte vzdálenost od povrchu, místo abyste provedli jediný vhodně umístěný odečet. U segregované, páskované nebo vícefázové oceli může být k odlišení skutečné variability od rozptylu měření zapotřebí několik vtisků.

Měření opakujte. Tři odečty mohou být dostačující u homogenního laboratorního vzorku, zatímco svařovaný spoj, tenký povlak, gradient nebo velký výkovek mohou vyžadovat rozsáhlejší síť měřicích bodů. Vyloučení nevhodného odečtu bez zdokumentovaného pravidla je nesprávný postup. Uvádějte jednotlivé hodnoty, průměr, rozpětí nebo směrodatnou odchylku a veškerá vyloučení spolu s jejich důvody. Pokud se opakované vtisky významně liší, před jakýmkoli převodem prověřte stav povrchu, podepření, volbu stupnice, mikrostrukturu a techniku obsluhy.

Naměřený výsledek by si měl zachovat svou původní identitu: například 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 nebo 310 HV10. Převod by měl být uveden samostatně, například „přibližně 22 HRC, převedeno z 235 HBW podle ASTM E140-12“. Tím se zabrání záměně výstupu z tabulky za druhé měření.

Po převodu

Použijte převodní tabulku, která odpovídá skupině ocelí a naměřenému rozsahu. Norma ASTM E140-12 uvádí, že „převody jsou ovlivněny slitinou, strukturou zrn a tepelným zpracováním“ (ASTM International, 2012). Norma ISO 18265:2013 stanovuje zásady pro převod hodnot tvrdosti mezi stupnicemi a pro odhad pevnosti v tahu, zároveň však uvádí, že převedené hodnoty jsou přímo použitelné pouze pro přesně daný zkoušený materiál; rovněž označuje odhady pevnosti v tahu za nejméně spolehlivé převody (ISO, 2013). Hodnota z tabulky mimo její stanovený rozsah není platnější jen proto, že je uvedena s více desetinnými místy.

Odhady pevnosti v tahu považujte za screeningové výsledky. Studie NIST z roku 1929 uvedla, že pevnost oceli v tahu lze pro komerční účely často odhadnout z tvrdosti podle Brinella na základě empirických vztahů mezi Rockwellovou a Brinellovou tvrdostí (NIST, 1929). Toto zjištění podporuje praktickou korelaci, nikoli univerzální zákon. Zpráva SAE z roku 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, obdobně vysvětluje, že přesné převody musí být vyvinuty pro konkrétní složení oceli, tepelné zpracování a součást, protože velikost, hmotnost, složení a zpracování ovlivňují tento vztah.

Přibližný vztah $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ byl uváděn pro některé vysokopevnostní, tvárné kovové materiály, avšak studie z roku 2012 v časopise Materials Science and Engineering: A spojila poměry mezi tvrdostí a pevností s třídou materiálu, mikrostrukturou a morfologií vtisku (Materials Science and Engineering: A, 2012). Tento vztah nesmí být automaticky použit pro feriticko-perlitický plech, martenzitickou nástrojovou ocel, precipitačně vytvrzenou korozivzdornou ocel ani povrchovou vrstvu. Obdobně studie z roku 2023 zjistila obecně lineární vztah mezi tvrdostí podle Brinella a pevností v tahu u historických a současných nelegovaných konstrukčních ocelí v surovém nebo normalizovaném stavu, nikoli však u každé slitiny nebo každého stavu tepelného zpracování (Materials Today: Proceedings, 2023).

Zaznamenejte zdrojovou tabulku, vydání, původní stupnici, převedenou stupnici, označení oceli, stav, místo zkoušky, počet odečtů a nejistotu. Uveďte, zda je hodnota naměřená, převedená nebo odhadnutá. Zahrňte omezení, jako jsou účinky tenkého průřezu, gradienty na povrchu, neznámé tepelné zpracování, stav kalibrace a skutečnost, zda ocel spadá mimo rozsah zdrojových údajů.

Technický postup tedy spočívá v definování požadované vlastnosti; volbě platné přímé zkoušky, pokud je to možné; ověření jakosti a stavu oceli; přípravě a podepření vzorku; provedení opakovaných měření; konzultaci příslušné převodní normy; zaznamenání nejistoty a omezení; a přechodu k přímé tahové zkoušce, pokud výsledek ovlivňuje návrh, certifikaci nebo přejímku materiálu.

Zdroje

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897