Hardheidsconversie en verbanden tussen eigenschappen in staal

Wat hardheidsconversie daadwerkelijk betekent

Hardheidsconversie is een empirische omzetting tussen testscha­len. Het materiaal verandert er niet door, de oorspronkelijke indruk wordt niet gereproduceerd en er wordt geen verborgen “ware” hardheidswaarde onthuld. Wanneer een staal volgens de Brinell-methode wordt getest en wordt gerapporteerd als 210 HBW, is dat getal afkomstig van een vastgelegde indenter, kracht, houdtijd en meting van de indruk. Als hetzelfde resultaat via een conversietabel wordt gerapporteerd als ongeveer 21 HRC, is de Rockwell-test niet uitgevoerd. De HRC-waarde wordt afgeleid uit een relatie die is vastgesteld met behulp van vergelijkbare materialen en testomstandigheden.

Dit onderscheid is van belang omdat hardheidsschalen verwante maar verschillende reacties meten. De Brinell-hardheid gebruikt de diameter van een relatief grote indruk die met een hardmetalen kogel is gemaakt. De Vickers-hardheid gebruikt een diamantpiramide en berekent de hardheid aan de hand van de aangelegde kracht en de twee diagonalen van de indruk. De Rockwell-hardheid bepaalt de diepte onder gespecificeerde voor- en totaalkrachten; HRC gebruikt een diamantkegel en een totale kracht van 150 kgf. Hun getallen zijn geen verschillende eenheden van één universele fysische grootheid.

Gemeten hardheid versus omgerekende hardheid

Een gemeten waarde is gekoppeld aan de test die daadwerkelijk is uitgevoerd. Een laboratoriumrapport met de vermelding 210 HBW 10/3000 identificeert de Brinell-schaal, een hardmetalen kogel van 10 mm en een nominale kracht van 3000 kgf. “500 HV10” identificeert een Vickers-test die is uitgevoerd met een kracht van 10 kgf. “32 HRC” identificeert een Rockwell C-resultaat dat is verkregen onder de voor die schaal voorgeschreven omstandigheden. De achtervoegsels en testgegevens maken deel uit van het resultaat en zijn geen optionele versiering.

Omgerekende hardheid moet afzonderlijk van de rechtstreeks gemeten schaal worden gerapporteerd. Strong evidence

Een omgerekende waarde moet als zodanig worden gemarkeerd. Bijvoorbeeld: “210 HBW, ongeveer 21 HRC volgens ASTM E140-12” geeft twee afzonderlijke feiten weer: de eerste waarde is gemeten, terwijl de tweede is afgelezen of berekend op basis van een aanvaarde correlatie. Alleen “21 HRC” rapporteren kan een afgeleide waarde doen lijken op een rechtstreeks gemeten waarde. Dat is misleidend wanneer de toestand van het oppervlak, de doorsnededikte of de keuze van de schaal het resultaat kan beïnvloeden.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, geeft benaderende relaties tussen de Brinell-, Vickers-, Rockwell-, superficial-Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-schalen voor gespecificeerde metalen. De tabellen omvatten homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstalen, maar de aanwezigheid van een staalcategorie betekent niet dat elke kwaliteit onderling uitwisselbaar is. ASTM stelt dat “de conversies worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling” (ASTM International, 2012). Een gehard en getemperd 4140-staal, een genormaliseerd AISI 1020-staal en een koudbewerkt 301 roestvast staal kunnen verschillende relaties vertonen, zelfs wanneer hun metingen op één schaal vergelijkbaar zijn.

Ook de geometrie beïnvloedt of een meting geldig is voordat überhaupt een conversie wordt geprobeerd. Bij een dunne plaat kan de tegenoverliggende oppervlakte de resultaten van een Brinell- of Vickers-test bovenmatig beïnvloeden. Een gebogen onderdeel kan een gewijzigde indruk of een onjuist geïnterpreteerde Rockwell-diepte opleveren. Een kleine indruk die dicht bij een rand, een andere indruk, een las of een ontkoold oppervlak wordt geplaatst, vertegenwoordigt mogelijk niet het basismateriaal. Conversie kan een slecht gekozen of ongeldige testlocatie niet corrigeren.

Conversietabellen, correlaties en schattingen

Een conversietabel is een aangepaste samenvatting van testresultaten, meestal onderverdeeld naar materiaalgroep en hardheidsbereik. Het is geen wiskundige gelijkwaardigheid tussen schalen. Binnen het bereik dat is gebruikt om de tabel op te stellen, kan het gemiddelde verschil tussen de gemeten schalen klein zijn; buiten dat bereik kan de fout scherp toenemen. Interpolatie binnen een aangegeven bereik is doorgaans beter te verdedigen dan extrapolatie buiten dat bereik.

Vergelijkingen geven hetzelfde soort relatie in een andere vorm. Een correlatie kan over een beperkt bereik lineair zijn, polynomiaal zijn of gebaseerd zijn op een regressie die op een specifieke staalpopulatie is aangepast. De coëfficiënten beschrijven die populatie. Zij leggen geen natuurwet vast voor alle staalsoorten. Spreiding kan ontstaan door de geometrie van de indenter, elastisch herstel, plastische vloei, anisotropie, oppervlaktevoorbereiding en variaties in de microstructuur.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265 beperkt de directe toepasbaarheid van omgerekende waarden tot het exact beproefde materiaal en rangschikt schattingen van de treksterkte als het minst betrouwbaar. Strong evidence

ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, specificeert beginselen voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte. De norm waarschuwt dat “de omgerekende waarden uitsluitend rechtstreeks van toepassing zijn op het exact geteste materiaal” en identificeert schattingen van de treksterkte als de minst betrouwbare conversies (International Organization for Standardization, 2013). Die waarschuwing bepaalt de juiste mate van vertrouwen: een rechtstreeks hardheidsresultaat is het meest betrouwbaar, een conversie naar een andere hardheidsschaal is minder zeker en een schatting van de treksterkte is nog onzekerder.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

De oudere NIST-studie naar empirische Rockwell-Brinell-relaties, gepubliceerd in 1929, stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kon worden geschat aan de hand van de Brinell-hardheid. “Commerciële doeleinden” is een belangrijke beperking. De relatie ondersteunt screening, procescontroles en een globale materiaalvergelijking; zij vervangt geen trekproef wanneer een specificatie, ontwerpberekening, onderzoek naar een bezwijken of acceptatiebeslissing afhankelijk is van de vloeigrens, treksterkte, rek of insnoering.

De benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS geldt alleen voor sommige zeer sterke, taaie metallische materialen. Limited evidence

Een vaak herhaalde relatie is Hᵥ ≈ 3σUTS voor bepaalde zeer sterke, taaie metallische materialen, waarbij de hardheid wordt uitgedrukt in een compatibele spannings-eenheid. Onderzoek dat in 2012 is gepubliceerd in Materials Science and Engineering: A bracht deze benadering in verband met specifieke materiaalklassen en liet ook zien dat de verhouding tussen hardheid en sterkte afhankelijk is van de microstructuur en de vorm van de indruk. De uitdrukking moet daarom worden beschouwd als een klassespecifieke schatting en niet als een conversieregel voor elk koolstof- of gelegeerd staal.

Waarom één getal niet elk staal kan vertegenwoordigen

De staalsoort beschrijft de chemische samenstelling en de specificatie, niet één enkele mechanische toestand. AISI 1045 kan warmgewalst, genormaliseerd, gegloeid, gehard en getemperd of oppervlaktegehard worden geleverd. Elke toestand verandert de fasenverdeling, korrelgrootte, restspanning en het vervormingsgedrag. Dezelfde nominale kwaliteit kan daardoor verschillende relaties tussen hardheid en sterkte hebben. Een oppervlaktemeting op gecarburiseerd 8620 kan een martensitische laag beschrijven, terwijl een dieper uitgevoerde meting een kern met een lager koolstofgehalte beschrijft; één omgerekend getal kan beide gebieden niet vertegenwoordigen.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

Het SAE-technisch rapport Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) stelt dat nauwkeurige conversies moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en verwerking de relatie beïnvloeden. Dit is vooral relevant voor lasconstructies, smeedstukken, warmte-beïnvloede zones en onderdelen met sterke thermische gradiënten.

Onderzoek dat in 2023 is gerapporteerd in Materials Today: Proceedings vond een over het algemeen lineaire empirische relatie tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte voor historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen in de ruwe of genormaliseerde toestand. Dat resultaat is juist bruikbaar omdat de grenzen ervan zijn aangegeven. Het mag niet zonder validatie worden overgedragen op gehard en getemperd gereedschapsstaal, precipitatiegehard roestvast staal, bainitische plaat of een zwaar koudbewerkt product.

De praktische regel is eenvoudig: een conversie is alleen betekenisvol binnen de materiaalfamilie, toestand, testrange en geometrie waarvoor de relatie is ontwikkeld. Als een beslissing afhankelijk is van trekeigenschappen, voer dan een trekproef uit. Als een omgerekende hardheidswaarde moet worden gerapporteerd, behoud dan de rechtstreeks gemeten schaal, vermeld de conversienorm of vergelijking, geef de materiaaltoestand en het bereik aan en label het resultaat als benaderend.

De hardheidsschalen die voor staal worden gebruikt

Dynamische terugslaghardheidDynamische terugslaghardheid Hardheid die wordt afgeleid uit de verhouding tussen de inslag- en terugslagsnelheid, en niet uit een statische indruk.

De hardheid van staal wordt op verschillende schalen gerapporteerd, omdat geen enkele test geschikt is voor elke doorsnede, elk oppervlak of elke microstructuur. Het resultaat kan afkomstig zijn van een grote statische indruk, een kleine diamantindruk of een dynamische terugveerkrachtmeting. Deze metingen zijn per definitie niet onderling uitwisselbaar. Een waarde die als HRC is gemeten, is niet dezelfde fysische grootheid als een waarde die als HBW wordt gerapporteerd, ook wanneer een conversietabel er bij benadering gelijkwaardige getallen aan toekent.

De keuze van de schaal hangt af van de verwachte hardheid, de dikte van de doorsnede, de oppervlakteafwerking, de ondersteuning onder de testlocatie en de vraag of het staal lokale gradiënten bevat als gevolg van carboneren, nitreren, lassen of ontlaten. Een dun onderdeel kan onder een grote indenter buigen of vloeien. Een ruw oppervlak kan een fout veroorzaken bij een meting met geringe indringdiepte. Een microscopisch dunne geharde laag kan samen met de zachtere kern worden gemiddeld als de indruk te groot is.

Brinell-hardheid: HBW en grote indrukken

Bij de Brinell-methode wordt een harde kogel met een voorgeschreven kracht in het staal gedrukt, waarna de diameter van de blijvende, ongeveer cirkelvormige indruk wordt gemeten. Moderne aanduidingen gebruiken HBW, waarbij de W een wolfraamcarbidekogel aanduidt. Een volledig resultaat kan bijvoorbeeld worden geschreven als 220 HBW 10/3000, wat betekent: een Brinell-hardheid van 220, verkregen met een kogel van 10 mm en een nominale kracht van 3000 kgf. De testnorm is ASTM E10; ISO 6506 gebruikt dezelfde basismethode.

Veelgebruikte Brinell-kogels hebben diameters van 1, 2,5, 5 of 10 mm. De aangelegde kracht wordt gekozen in relatie tot de kogeldiameter en het materiaal; krachten zoals 500, 1500 en 3000 kgf zijn gebruikelijk bij staalonderzoek. De testmachine handhaaft de kracht gedurende een voorgeschreven houdtijd, waarna de operator of het optische systeem de diameter van de indruk meet. De HBW-waarde wordt berekend uit de kracht, de kogeldiameter en de indruktendiameter, en niet uitsluitend uit de indringdiepte.

De indruk is groot in vergelijking met indrukken die met Rockwell- of microhardheidstests worden gemaakt. Dat is nuttig wanneer het staal ferriet, perliet, bainiet of ontlaten martensiet bevat, verdeeld over een representatief volume, omdat het resultaat het gemiddelde van meerdere korrels en kleine lokale variaties weergeeft. Het is ook een beperking. Een kogel van 10 mm kan ongeschikt zijn nabij een rand, op een dunne plaat, naast een las of over een oppervlakkig geharde laag. De testlocatie moet voldoende dik zijn en stevig worden ondersteund, zodat het proefstuk tijdens het belasten niet buigt of vervormt. Het oppervlak moet redelijk vlak zijn en vrij van walshuid, ontkoling en diepe bewerkingssporen.

Brinell-tests worden veel gebruikt voor gietstukken, smeedstukken, genormaliseerde staalsoorten en andere onderdelen waarbij een groot representatief volume van belang is. De methode is minder geschikt voor zeer hard staal wanneer de kogel kan vervormen, voor kleine afgewerkte onderdelen en voor smalle warmte-beïnvloede zones. Een kleinere kogel en een lagere kracht kunnen de indruk verkleinen, maar het resultaat vereist dan een striktere controle van de onderlinge afstand, de dikte en de oppervlaktevoorbereiding.

Rockwell-hardheid: HRC, HRB en oppervlakkige schalen

Bij Rockwell-hardheid wordt de blijvende toename van de indringdiepte gemeten onder een voorbelasting, gevolgd door een hoofdbelasting. De diameter van de indruk wordt niet gemeten. De machine brengt eerst een voorbelasting van 10 kgf aan om een referentiepositie vast te leggen, brengt vervolgens de hoofdbelasting aan, verwijdert de hoofdbelasting terwijl de voorbelasting behouden blijft en zet de resterende diepte om in een hardheidsgetal. Op de gewone Rockwell-schalen komt één hardheidspunt overeen met een diepteverandering van 0,002 mm.

HRC gebruikt een diamantkegel van 120 graden, gewoonlijk een Brale-indenter genoemd, met een hoofdbelasting van 150 kgf. Deze schaal is bedoeld voor harder staal, waaronder gehard en ontlaten gereedschapsstaal en veel geharde gelegeerde staalsoorten. HRB gebruikt een wolfraamcarbidekogel of kogel van gehard staal met een diameter van 1/16 inch en een hoofdbelasting van 100 kgf. Daardoor is deze schaal geschikt voor zachter staal, gegloeide laagkoolstofstaalsoorten, koperlegeringen en vergelijkbare materialen. Bij andere gewone Rockwell-schalen worden andere kogels of belastingen gebruikt. De letter is daarom essentieel; “Rockwell 60” zonder vermelding van de schaal is onvolledig.

Het Rockwell-resultaat is snel, omdat de machine de diepte rechtstreeks afleest. De kleine indruk laat bovendien vaak een minder zichtbare markering achter dan de Brinell-methode. Dat kleine contactoppervlak maakt de test echter ook gevoelig voor oppervlakteruwheid, kromming, ontkoolde lagen en afzonderlijke harde of zachte bestanddelen. Het proefstuk moet dik en stijf genoeg zijn om beweging te voorkomen. Een meting die te dicht bij een rand, een andere indruk of een onderbreking in de ondersteuning wordt uitgevoerd, kan een te hoge of te lage waarde opleveren.

Bij de oppervlakkige Rockwell-schalen wordt hetzelfde diepteprincipe gebruikt, maar met lagere krachten voor dunne doorsneden, kleine onderdelen en oppervlaktelagen. Een voorbelasting van 3 kgf wordt gevolgd door een hoofdbelasting van 15, 30 of 45 kgf, afhankelijk van de gekozen schaal en indenter. Aanduidingen zoals 30N, 45N, 30T en 15T identificeren de kracht en de indenterfamilie. De schaalaanduiding moet exact worden gerapporteerd en mag niet worden vervangen door de gewone aanduiding HRC of HRB. Oppervlakkige tests verkleinen het risico dat een dunne geharde laag wordt doorboord of dat een dun onderdeel vervormt, maar leveren niet automatisch een nauwkeuriger resultaat op. Het oppervlak moet nog steeds geschikt worden voorbereid en de beïnvloede diepte moet voldoende groot zijn in verhouding tot de indruk.

Vickers- en Knoop-microhardheid

Bij de Vickers-methode wordt een vierkante diamantpiramide met een hoek van 136 graden tussen tegenoverliggende vlakken in het proefstuk gedrukt. Na het ontlasten meet de operator de twee diagonalen van de blijvende indruk optisch en berekent hij HV, de Vickers-hardheid. De testkrachten variëren van microhardheidsbelastingen van enkele gramkracht tot conventionele belastingen van ongeveer 100 kgf. Een aanduiding zoals 600 HV 0.5 vermeldt de hardheid en de testkracht van 0,5 kgf.

Omdat de diamant bij het normale bereik van staalhardheden niet van vorm verandert, kan de Vickers-methode zowel voor zacht als zeer hard staal worden gebruikt met één indentergeometrie. De methode is waardevol voor lasdoorsneden, controles op ontkoling, genitreerde lagen, gecarboneerde lagen en hardheidsprofielen over lokale gradiënten. De indruk is veel kleiner dan een Brinell-indruk, waardoor een gepolijste voorbereiding en zorgvuldige onderlinge afstand vereist zijn. Bij zeer lage belastingen kunnen oppervlakteruwheid, elastisch herstel, de meetresolutie en afzonderlijke fasen de waarde aanzienlijk beïnvloeden. Het staal moet stevig worden ondersteund; een dunne folie of een niet-ondersteunde rand kan buigen in plaats van een geldige indruk te ontvangen.

Bij Knoop-microhardheid wordt eveneens een diamant gebruikt, maar de vorm daarvan is langwerpig en asymmetrisch. De lange diagonaal van de indruk wordt gemeten, wat een Knoop-hardheidswaarde oplevert die gewoonlijk wordt aangeduid als HK. Knoop is bijzonder nuttig voor zeer dunne coatings, geringe geharde laagdiepten en brosse of kleine gebieden, omdat de indruk ondiep en langwerpig is. De geometrie maakt het resultaat gevoelig voor de oriëntatie, de oppervlaktevoorbereiding, scheurvorming en de richting van microstructurele kenmerken. Knoop- en Vickers-waarden mogen niet als identiek worden beschouwd alleen omdat bij beide diamantindringers worden gebruikt.

Leeb- en Scleroscope-methoden

Leeb-hardheid is een dynamische terugveermethode en geen statische indruktest. Een door een veer aangedreven impactlichaam, meestal voorzien van een wolfraamcarbidekogel of een andere voorgeschreven tip, raakt het oppervlak. Het instrument meet de impactsnelheid en de terugveersnelheid en rapporteert een Leeb-waarde, gewoonlijk HL, gebaseerd op hun verhouding. Het resulterende contactmerkteken is klein, maar de meting hangt sterk af van de oppervlakteafwerking, kromming, massa, dikte, ondersteuning en de richting van de impact. ASTM A956 behandelt Leeb-tests.

Leeb is nuttig voor grote smeedstukken, geïnstalleerde machines en locaties waar geen conventionele werkplaatstester kan worden geplaatst. Het onderdeel moet zwaar zijn of stevig zijn gekoppeld aan een starre ondersteuning; anders absorbeert trilling energie en daalt de terugveerwaarde. Voor de omrekening van HL naar HRC, HBW of een andere schaal zijn het juiste impactapparaat, de juiste richting en de juiste materiaalfamilie vereist. Leeb is geen directe vervanging voor een statische indruktest.

De Scleroscope-methode berust eveneens op terugvering. Een met diamant uitgeruste hamer wordt in een verticale buis vanaf een vaste hoogte losgelaten. Vervolgens wordt de hoogte waarop de hamer van het staaloppervlak terugveert, visueel of elektronisch gemeten. Het resultaat wordt uitgedrukt in Scleroscope-hardheidseenheden, gewoonlijk geschreven als HS. In tegenstelling tot Brinell of Vickers wordt de hardheid niet berekend uit een gemeten blijvende indruk. Oppervlaktereinheid, verticale uitlijning, massa, ondersteuning en ruwheid hebben daarom grote invloed.

ASTM E140-12 geeft benaderende verbanden tussen HBW, HV, Rockwell, oppervlakkige Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb-waarden voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstaalsoorten. ASTM vermeldt dat legering, korrelstructuur en warmtebehandeling invloed hebben op de omrekeningen. ISO 18265:2013 stelt eveneens beginselen vast voor omrekening en waarschuwt dat omgerekende waarden alleen rechtstreeks van toepassing zijn op exact het geteste materiaal; schattingen van treksterkte zijn de minst betrouwbare omrekeningen. De keuze van de schaal moet daarom in de eerste plaats een geldige gemeten waarde opleveren. Een omgerekend getal is secundair bewijs en geen vervanging voor directe tests wanneer de sterkte of acceptatie van staal daarvan afhangt.

ASTM E140 en ISO 18265: wat de normen toestaan

Hardheidsomzettingsnormen zetten één testresultaat niet om in een equivalente meting die met een andere methode is uitgevoerd. Ze bieden empirische verbanden tussen hardheidsschalen, doorgaans weergegeven in tabellen. Dit onderscheid is van belang: een gemeten waarde wordt rechtstreeks verkregen door een gespecificeerd indruklichaam, een bepaalde kracht, houdtijd en procedure op het onderdeel toe te passen; een omgerekende waarde wordt uit die meting berekend; en een geschatte treksterkte is een verdere afleiding op basis van de hardheid. Elke stap kan extra onzekerheid veroorzaken.

Het toepassingsgebied van ASTM E140-12

ASTM E140-12, Standaardtabellen voor de omzetting van hardheidswaarden van metalen, geeft benaderende verbanden tussen gespecificeerde hardheidsschalen voor gespecificeerde metalen. De tabellen omvatten waarden volgens Brinell, Vickers, Rockwell, oppervlakkige Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb. Het document is geen algemene vergelijking die iedere hardheidsschaal onderling uitwisselbaar maakt. Het is een referentie voor gevallen waarin het materiaal en de testomstandigheden binnen het ervaringsgebied van de toepasselijke tabel vallen.

Voor staal bevat de norm tabellen voor homogene koolstofstalen, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstalen. “Homogeen” is hierbij van belang. Er mag niet zonder meer worden aangenomen dat een tabel die is ontwikkeld voor een redelijk uniform staal, ook een gecarburiseerde laag, een ontkoold oppervlak, een warmte-beïnvloede zone van een las, een gebandeerd walsproduct of een onderdeel met een sterke hardheidsgradiënt beschrijft. Het indruklichaam kan slechts een ondiepe zone bemonsteren, terwijl de gevraagde omzetting impliciet uitgaat van uniform materiaal daaronder.

ASTM International stelt rechtstreeks dat “de omzettingen worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling” (2012). Deze variabelen veranderen het vervormingsgedrag onder het indruklichaam. Twee staalsoorten kunnen dezelfde Brinell-hardheid hebben, maar verschillende verhoudingen ferriet, perliet, bainiet, martensiet of achtergebleven austeniet. Daardoor kunnen zij verschillende treksterkten, vloeigedragingen en resultaten op een andere hardheidsschaal opleveren. Zelfs binnen één kwaliteit hoeven genormaliseerde, geharde en ontlaten, gegloeide en koudvervormde toestanden niet dezelfde omzettingscurve te volgen.

De tabellen zijn ook afhankelijk van het bestreken hardheidsbereik. Een omzetting rond het midden van een tabel is niet automatisch betrouwbaar aan de boven- of ondergrens ervan. Extrapolatie is geen toegestane vervanging voor een tabelwaarde. Evenmin mag een Rockwell C-resultaat naar Brinell worden omgerekend wanneer de indruk te dicht bij een rand, een andere indruk, een steunvlak of een lasgrens ligt. Een ogenschijnlijk nauwkeurige numerieke uitkomst corrigeert geen gebrekkige test.

De keuze van de schaal komt vóór de omzetting. Brinell is vaak bruikbaar voor relatief grofkorrelig, heterogeen of dik staal, omdat de grote indruk een groter volume middelt. Vickers bestrijkt een breed hardheidsbereik en kan bij lage belastingen worden toegepast, maar kleine indrukken zijn gevoeliger voor oppervlaktevoorbereiding, lokale fasen en de meetresolutie. Rockwell-methoden zijn snel en praktisch voor veel productiecontroles, terwijl oppervlakkige Rockwell-schalen de kracht en indringdiepte verminderen voor dunnere doorsneden of oppervlakkig behandelde lagen. Leeb- en Scleroscope-methoden zijn dynamische tests waarvan de aflezingen sterk afhankelijk zijn van massa, ondersteuning, oriëntatie, oppervlaktetoestand en instrumentkalibratie.

ASTM E140-12 heft deze methodeverschillen niet op. Een tabel kan bijvoorbeeld een benaderend verband tussen HRC en HB aangeven, maar kan niet vaststellen dat een bepaald onderdeel correct is getest of dat de microstructuur behoort tot de populatie waarop het verband is gebaseerd. Het gerapporteerde resultaat moet daarom de oorspronkelijke schaal en methode behouden. “62 HRC, omgerekend naar ongeveer 700 HV” verschaft meer informatie dan uitsluitend “700 HV” rapporteren, omdat de eerste waarde is gemeten en de tweede is afgeleid.

Dezelfde voorzichtigheid geldt wanneer hardheid wordt gebruikt om de treksterkte af te leiden. De NIST-studie naar empirische Rockwell-Brinell-verbanden, gepubliceerd in 1929, rapporteerde dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kan worden geschat op basis van de Brinell-hardheid. Die bevinding ondersteunt een praktische schatting binnen een geschikte staalpopulatie; zij stelt niet vast dat treksterkte een universele functie van HB is. Een trekproef meet breukgerelateerd gedrag in een gevormd proefstuk, terwijl een indrukproef de lokale plastische weerstand onder een andere spanningstoestand meet.

De principes in ISO 18265:2013

ISO 18265:2013, Metalen—Omzetting van hardheidswaarden, beschrijft principes voor het omzetten van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte. De norm behandelt omzetting als afhankelijk van het materiaal, de hardheidsmethode, het toepasselijke bereik en het bewijs waarop het verband berust. De norm is daarom eerder een kader voor verantwoord gebruik dan een bewering dat alle schalen één vaste wiskundige equivalentie hebben.

Een centrale beperking wordt expliciet vermeld: “De omgerekende waarden zijn uitsluitend rechtstreeks toepasbaar op het exact geteste materiaal” (International Organization for Standardization, 2013). In de praktijk omvat “exact materiaal” meer dan een nominale kwaliteits- of materiaalaanduiding zoals ASTM A36, AISI 4140 of UNS S30400. Het omvat de samenstelling binnen de relevante grenzen, de productvorm, de korrelstructuur, de oppervlaktetoestand, de warmtebehandeling, eerdere vervorming en—in veel gevallen—de specifieke productieroute. Een 4140-staaf die bij 600 °C is gehard en ontlaten, is niet uitwisselbaar met een gecarburiseerde tand van een 4140-tandwiel of een inductiegeharde as, alleen omdat zij dezelfde basisaanduiding voor de materiaalkwaliteit hebben.

ISO 18265:2013 identificeert schattingen van de treksterkte eveneens als de minst betrouwbare omzettingen. Die rangschikking is metallurgisch gezien logisch. De omzetting tussen twee indrukschalen is al afhankelijk van de manier waarop verschillende indruklichamen en belastingen op hetzelfde materiaal inwerken. De overgang van hardheid naar de ultieme treksterkte brengt bovendien extra afhankelijkheden met zich mee op het gebied van versteviging door rek, defecten, anisotropie, proefstukgeometrie en breukgedrag. Een hardheidsgetal kan een onjuiste warmtebehandeling aan het licht brengen, maar kan op zichzelf niet aantonen dat aan een gespecificeerd bereik voor de treksterkte wordt voldaan wanneer die eigenschap een ontwerp- of acceptatie-eis is.

Een vaak herhaald verband illustreert het gevaar van het weglaten van kwalificaties uit het bewijsmateriaal. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A identificeerde het benaderende verband $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ voor bepaalde zeer sterke, taaie metalen. Hierin is $H_V$ de hardheid, uitgedrukt in een compatibele spanningseenheid, en ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ de ultieme treksterkte. Het verband is specifiek voor een materiaalklasse en geen wet die voor alle staalsoorten geldt. Dezelfde studie rapporteerde dat de verhouding tussen hardheid en sterkte afhankelijk is van de materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie. Het zonder voorbehoud toepassen van de factor drie op gietijzer, zacht gegloeid koolstofarm staal, precipitatiegehard roestvast staal en ontlaten martensitisch gereedschapsstaal is niet verdedigbaar.

Er bestaan beperktere gevallen waarin een empirisch verband nuttig is. Een studie uit 2023 naar historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen vond een over het algemeen lineair verband tussen Brinell-hardheid en treksterkteparameters voor staal in de ruwe of genormaliseerde toestand. Dat resultaat kan een plantspecifieke of productfamiliespecifieke schatting ondersteunen wanneer het geteste materiaal binnen de onderzochte populatie blijft. Het rechtvaardigt niet dat de lijn wordt overgedragen op gehard en ontlaten gelegeerd staal, koudgetrokken draad of een gelast onderdeel.

Benaderende tabellen versus materiaalspecifieke kalibratie

Een gestandaardiseerde referentietabel en een kwalificatiecorrelatie beantwoorden verschillende vragen. ASTM E140-12 vraagt in wezen welke benaderende hardheidswaarde kan overeenkomen met een gemeten waarde voor een gespecificeerde metaalcategorie binnen het in de norm aangegeven toepassingsgebied. Een kwalificatiecorrelatie vraagt welk verband is aangetoond voor één welbepaald staal, één productieroute, één toestand en één onderdeel.

Een Fabrikant of laboratorium kan bijvoorbeeld genormaliseerd 1045-staal uit een benoemde productieroute van een staalproducent testen, de Brinell-hardheid en treksterkte op bij elkaar passende proefstukken meten en een regressie over het werkelijke productiegebied aanpassen. De resulterende vergelijking kan geschikt zijn voor die toestand van 1045-staal, mits zij aan de hand van nieuwe partijen wordt gecontroleerd en door een onzekerheidsanalyse wordt ondersteund. Zij mag niet automatisch worden toegepast op inductiegehard 1045-staal en mag evenmin trekproeven vervangen wanneer een contract de vloeigrens of ultieme sterkte rechtstreeks voorschrijft.

SAE’s technische rapport uit 1967, Hardheidstests en omzettingen van hardheidsgetallen, maakt dit punt in praktische termen duidelijk: nauwkeurige omzettingen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en bewerking het verband beïnvloeden. De afmetingen en massa van het onderdeel zijn vooral relevant voor dynamische methoden en voor dunne doorsneden die geen adequate ondersteuning kunnen bieden. Oppervlaktevoorbereiding, kromming, afstand tussen indrukken en de hardheid van het steunvlak kunnen de gemeten waarde eveneens verschuiven voordat enige omzetting wordt uitgevoerd.

Een verdedigbaar rapport vermeldt de gemeten hardheid, de norm en schaal, de testkracht of belasting, het indruklichaam, de meetlocatie, de oppervlaktetoestand, de materiaalkwaliteit en de toestand van de warmtebehandeling. Als een omgerekende waarde vereist is, moet deze als omgerekend worden aangeduid en worden gekoppeld aan ASTM E140-12 of ISO 18265:2013, met vermelding van de tabel of het bereik waar dat praktisch mogelijk is. Als de treksterkte wordt geschat, moet het rapport het empirische model, de kalibratiepopulatie, de spreiding en de gebruiksgrenzen vermelden.

Wanneer het resultaat gevolgen heeft voor een breukkritisch ontwerp, de vrijgave na een warmtebehandeling of formele acceptatie op basis van trekeigenschappen, is een rechtstreekse trekproef het geschikte bewijsmateriaal, tenzij een afzonderlijk gekwalificeerde procedure de correlatie heeft vastgesteld. Hardheidsomzetting is waardevol voor vergelijking en procesbeheersing. Zij vormt geen toestemming om een gemakkelijk verkregen getal als universele vervanging te behandelen.

Waarom staalsoort en chemische samenstelling de omzetting veranderen

Een hardheidsgetal beschrijft de weerstand tegen een bepaalde indenter onder een bepaalde belastingscyclus. Het identificeert niet de volledige sterkte, ductiliteit, het breukgedrag of de microstructuur van het staal. Twee proefstukken kunnen beide 200 HBW meten, terwijl die waarde tot stand komt door zeer verschillende mengsels van ferriet, perliet, bainiet, martensiet, carbiden en resterend austeniet. Hun treksterkten kunnen verschillen, en hun waarden op een andere hardheidsschaal hoeven niet overeen te komen met het getal dat door een algemene omzettingstabel wordt voorgesteld.

Dit onderscheid scheidt gemeten hardheid van omgerekende hardheid en van geschatte treksterkte. Een gemeten waarde van 200 HBW is het resultaat van een gedefinieerde Brinell-proef. Een waarde zoals 92 HRB die uit een tabel is verkregen, is een omgerekend resultaat. Een treksterkte die uit een van beide waarden wordt afgeleid, is een verdere schatting, met aanvullende onzekerheid. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, geeft benaderende relaties voor gespecificeerde metalen en hardheidsschalen, maar ASTM stelt uitdrukkelijk dat “the conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment” (ASTM International, 2012).

Koolstof, legeringselementen en hardbaarheid

Koolstof verandert de hardheid van staal via verschillende onderling verbonden mechanismen. In een ferritisch staal met een laag koolstofgehalte blijft een groot deel van de koolstof in het ferriet aanwezig of vormt zich een relatief kleine hoeveelheid perliet. Een hoger koolstofgehalte verhoogt over het algemeen de perlietfractie in een langzaam afgekoelde structuur en verhoogt het beschikbare koolstofgehalte voor de vorming van martensiet tijdens het afschrikken. Martensiet is veel harder dan ferriet, maar de hardheid ervan hangt ook sterk af van het koolstofgehalte en de ontlaatconditie. Een afgeschrikt staal met 0,40% C en een afgeschrikt staal met 0,20% C kunnen daarom niet dezelfde relatie tussen hardheid en treksterkte krijgen toegewezen, alleen omdat een meting aan het oppervlak toevallig vergelijkbaar is.

HardbaarheidHardbaarheid Het vermogen van een staal om bij een bepaalde afkoelingsconditie tot een bepaalde diepte martensiet te ontwikkelen; dit is niet hetzelfde als de maximale hardheid.

Legeringselementen veranderen zowel de aanwezige fasen als de weg waarlangs deze ontstaan. Mangaan, chroom, molybdeen en nikkel kunnen de omzettingen naar perliet en bainiet vertragen, waardoor de hardbaarheid toeneemt: de diepte tot waarop een staal bij een bepaalde afkoelsnelheid martensiet kan ontwikkelen. AISI 1045 kan in een doorsnede die aan het oppervlak snel afkoelt een hard martensitisch oppervlak en een zachtere ferritisch-perlitische kern vormen. AISI 4140, met toevoegingen van chroom en molybdeen, kan bij een vergelijkbare behandeling dieper harden. Als beide onderdelen dezelfde nominale afschrikbehandeling krijgen, kunnen hun hardheidsgradiënten en trekeigenschappen verschillen, zelfs wanneer één lokale indruk dezelfde HRC-waarde oplevert.

Het onderscheid tussen hardheid en hardbaarheid is van belang bij dikke doorsneden. Hardbaarheid betekent niet dat elk punt even hard wordt; het betekent dat het staal tijdens het afkoelen weerstand biedt tegen diffusionele omzetting. De doorsnede-afmetingen, het afschrikmedium, de agitatie en de geometrie van het onderdeel bepalen de afkoelgeschiedenis. Het technische rapport van SAE uit 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, stelt daarom dat nauwkeurige omzettingen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, aangezien afmetingen, massa, samenstelling en verwerking de relatie beïnvloeden (SAE International, 1967).

Carbiden vormen een andere bron van afwijkingen. Chroomrijke carbiden in gereedschapsstaal of roestvast staal, vanadiumcarbiden in bepaalde snelstaal- of poedermetallurgische kwaliteiten en ijzercarbiden in perliet reageren niet op dezelfde manier op een indruk als een homogene martensitische matrix. Een hoog carbidegehalte kan de weerstand tegen indrukking verhogen, terwijl de relatie tussen hardheid en trekvervorming van de matrix zwakker wordt. Resterend austeniet kan tot de tegenovergestelde complicatie leiden: een proefstuk kan na het afschrikken een hoge hardheid vertonen, terwijl een daaropvolgende omzetting tijdens gebruik of slijpen de afmetingen en de gemeten hardheid kan veranderen.

Ook de ontlaatbehandeling is van belang. Ontlaten martensiet, bainiet en fijn perliet kunnen overlappende hardheidsbereiken hebben, terwijl hun verhoudingen tussen rekgrens en treksterkte en hun breukreacties verschillen. Vervolgens beïnvloeden de afmetingen van de indruk, restspanningen, versteviging door vervorming en anisotropie de meting. Dezelfde nominale hardheid is geen faseanalyse.

Ongelegeerde constructiestalen en commerciële correlaties

Een algemene trend tussen hardheid en sterkte kan binnen een beperkte staalfamilie nog steeds nuttig zijn. Ongelegeerde constructiestalen in de ruwe of genormaliseerde toestand bevatten vaak ferriet en perliet, waarvan de verhoudingen veranderen met het koolstofgehalte en de afkoelgeschiedenis. Historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen die in 2023 zijn onderzocht, vertoonden onder die omstandigheden een over het algemeen lineaire empirische relatie tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte (Materials Today: Proceedings, 2023). Dit resultaat verklaart waarom op Brinell-hardheid gebaseerde schattingen van de sterkte redelijk kunnen werken voor een gecontroleerde groep gewone constructiestalen.

De relatie is empirisch en geen natuurwet. Voor kwaliteiten zoals EN 10025-2 S275JR en EN 10025-2 S355JR kan een hardheidsmeting een procescontrole of een globale screeningsschatting ondersteunen wanneer bekend is dat het materiaal ongelegeerd of laaggelegeerd constructiestaal is in de verwachte leveringstoestand. De meting kan zonder de vereiste trekproef niet aantonen dat wordt voldaan aan de gespecificeerde bereiken voor rekgrens en treksterkte. Normaliseren verfijnt de korrelstructuur en verandert de ferriet-perlietbalans; de walsgeschiedenis en segregatie kunnen het resultaat opnieuw veranderen.

Een NIST-onderzoek uit 1929 naar empirische Rockwell-Brinell-relaties rapporteerde dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kan worden geschat op basis van de Brinell-hardheid (NIST, 1929). “Vaak” vormt hierbij de operationele grens. Een dergelijke schatting is nuttig voor een benaderende correlatie binnen de populatie waaruit zij is afgeleid, maar niet als rechtvaardiging om voor alle staalsoorten een trekproef te vervangen.

ISO 18265:2013 stelt principes vast voor het omzetten van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte, maar waarschuwt dat omgerekende waarden rechtstreeks alleen toepasbaar zijn op exact het geteste materiaal en dat schattingen van de treksterkte de minst betrouwbare omzettingen zijn (ISO, 2013). Een tabelwaarde voor HBW naar HRC mag daarom niet worden beschouwd als bewijs dat de omgerekende HRC-waarde de treksterkte met een vergelijkbare mate van zekerheid voorspelt.

Gereedschapsstalen, roestvaste stalen en uitgesloten aannames

Gereedschapsstalen en roestvaste stalen laten de beperkingen van algemene correlaties voor koolstofstaal zien. AISI D2 kan een aanzienlijke hoeveelheid chroomrijke carbiden in een geharde en ontlaten matrix bevatten. AISI H13 kan na een behandeling voor warmwerkgereedschapsstaal ontlaten gelegeerd martensiet bevatten. AISI 420 roestvast staal kan variëren van relatief zacht gegloeid materiaal tot hard martensitisch materiaal na afschrikken en ontlaten. Elke toestand verandert de reactie op indrukking, en aan geen van deze materialen mag een omzetting voor koolstofstaal worden toegekend alleen omdat de HRC- of HV-waarde binnen hetzelfde numerieke bereik valt.

Austenitische roestvaste stalen zoals AISI 304 en AISI 316 vormen een ander probleem. Hun kubisch vlakgecentreerde matrix kan tijdens indrukking sterk verstevigen door vervorming, en koudvervorming kan bij sommige samenstellingen door vervorming geïnduceerd martensiet produceren. Een gemeten hardheid na koudvervorming weerspiegelt daarom zowel de oorspronkelijke samenstelling als de verwerkingsgeschiedenis. Ferritische, duplex-, precipitatiehardende en martensitische roestvaste kwaliteiten vereisen afzonderlijke aannames, omdat hun fasebalans en versterkingsmechanismen verschillen.

De vaak aangehaalde benadering Hᵥ ≈ 3σUTS is voor sommige zeer sterke, ductiele metalen materialen vastgesteld, maar een onderzoek uit 2012 in Materials Science and Engineering: A benadrukt dat de verhoudingen tussen hardheid en sterkte afhangen van de materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie (Materials Science and Engineering: A, 2012). Het is geen universele omzetting voor staal.

Rechtstreekse trekproeven blijven noodzakelijk wanneer trekeigenschappen bepalend zijn voor acceptatie, ontwerp of faalbeoordeling, tenzij een gekwalificeerde correlatie is goedgekeurd. Strong evidence

Rapporten moeten daarom de gemeten schaal, de proefnorm, de kracht of de kogelaanduiding waar relevant, de locatie en de materiaaltoestand vermelden. Als een omgerekende waarde wordt gerapporteerd, moet deze als omgerekend worden aangeduid en moet de toepasselijke tabel of norm worden vermeld. Als de treksterkte wordt geschat, moet dit als een schatting worden aangeduid en moet het materiaalbereik worden vermeld waarop de schatting berust. Wanneer acceptatie, ontwerpwaarden of een faalbeoordeling afhankelijk zijn van trekeigenschappen, blijft directe trekproef noodzakelijk.

Warmtebehandeling en microstructuur: de belangrijkste foutbronnen

Warmtebehandeling is een variabele van de eerste orde in elke hardheidsrelatie. Zij kan niet worden behandeld als een voetnoot onder de staalsoort. Twee proefstukken met dezelfde nominale chemische samenstelling kunnen na gloeien, normaliseren, afschrikken, ontlaten, carboneren, nitreren of inductieharden aanzienlijk verschillen in hardheid, treksterkte, ductiliteit en indrukkingsrespons. Een hardheidsconversie die geen rekening houdt met de toestand, kan een nauwkeurig ogend getal opleveren met weinig fysische zeggingskracht.

Dit onderscheid is van belang omdat drie verschillende grootheden vaak met elkaar worden verward. Gemeten hardheid is het resultaat dat met een gespecificeerde test wordt verkregen, zoals 220 HBW of 62 HRC. Geconverteerde hardheid is een benaderende schatting op een andere schaal, zoals een Rockwell C-waarde die uit de Vickers-hardheid is afgeleid. Geschatte treksterkte is een verdere afleiding uit de hardheid en is minder betrouwbaar dan een schaalconversie. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, geeft benaderende relaties tussen de schalen van Brinell, Vickers, Rockwell, oppervlakkige Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstalen. De norm stelt ook dat “de conversies worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling”.

ISO 18265:2013 maakt dezelfde beperking expliciet. De norm specificeert principes voor het converteren van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte, maar stelt dat geconverteerde waarden rechtstreeks uitsluitend toepasbaar zijn op het exact geteste materiaal. De schattingen van de treksterkte worden aangeduid als de minst betrouwbare conversies. Deze beperkingen zijn vooral belangrijk wanneer het gemeten oppervlak niet de volledige doorsnede vertegenwoordigt.

Gegloeide, genormaliseerde, afgeschrikte en ontlaten toestanden

Bij gegloeid staal leidt langzaam afkoelen doorgaans tot een relatief grove ferriet-perlietstructuur, of tot een andere verweekte structuur die is gekozen met het oog op verspaning en vervorming. Een Brinell-indruk in deze toestand bemonstert een betrekkelijk groot volume dat ferriet- en perlietkolonies bevat. De resulterende hardheid correleert binnen een beperkte familie van laagkoolstofstalen vaak redelijk met de treksterkte, maar de relatie verandert nog steeds met het koolstofgehalte, de perlietfractie, de kolonieafstand en de korrelgrootte. Een gegloeid laagkoolstofstaal en een gegloeid staal met een hoger koolstofgehalte kunnen vergelijkbare testoppervlakken hebben, maar verschillende verhoudingen tussen sterkte en hardheid.

Normaliseren verandert de vergelijking. Verhitten boven het kritische gebied, gevolgd door afkoelen in lucht, leidt doorgaans tot fijner ferriet en perliet dan langzaam afkoelen in een oven. Korrelverfijning kan de vloeigrens en treksterkte verhogen zonder een evenredige toename van de indrukkingshardheid te veroorzaken. De studie uit 2023 in Materials Today: Proceedings naar historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen vond een over het algemeen lineaire empirische relatie tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte voor stalen in de ruwe of genormaliseerde toestand. Dat resultaat ondersteunt praktische schattingen binnen de onderzochte populatie; het maakt de lijn niet overdraagbaar op vergroot en ontlaten gelegeerd staal of een oppervlaktegehard onderdeel.

Afschrikken creëert martensiet, vaak met achtergebleven austeniet en transformatiespanningen. De hardheid kan sterk toenemen doordat de indenter een fase met hoge sterkte en hoge weerstand tegen afschuiving aantreft, maar de trekrespons hangt ook af van het koolstofgehalte, de korrelgrootte van het voorafgaande austeniet, het oplossen van carbiden, achtergebleven austeniet en de gevoeligheid voor scheurvorming. Een afgeschrikt SAE 1045-proefstuk en een afgeschrikt AISI 4140-proefstuk kunnen beide een hoge Rockwell C-waarde aangeven, terwijl ze verschillen in treksterkte en taaiheid. Hun legeringselementen beïnvloeden de hardbaarheid en de respons op ontlaten; dezelfde nominale HRC garandeert daarom niet dezelfde trekeigenschappen.

Ontlaten ontleedt of wijzigt het martensiet, vermindert de restspanning en verandert de verdeling van de carbiden. Ontlaten bij lage temperatuur kan een hoge hardheid behouden en tegelijkertijd een deel van de afschrikspanning wegnemen. Ontlaten bij hogere temperatuur verlaagt de hardheid, maar kan de taaiheid verbeteren en een andere relatie tussen sterkte en hardheid opleveren dan in de afgeschrikte toestand. Een afgeschrikte en ontlaten AISI 4140-as moet bijvoorbeeld worden vergeleken met conversiegegevens voor een vergelijkbare legering en toestand, en niet met een generieke tabel voor koolstofstaal. Zelfs binnen één staalsoort kunnen de ontlaattemperatuur en -tijd het materiaal door verschillende combinaties van hardheid, vloeigrens, treksterkte en rek voeren.

De NIST-studie naar empirische Rockwell-Brinellrelaties, gepubliceerd in 1929, rapporteerde dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kan worden geschat. “Vaak” is daarbij het cruciale woord. Het resultaat beschrijft een empirische populatie en geen natuurkundige wet die iedere verandering in warmtebehandeling doorstaat. Het technische SAE-rapport uit 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, benadrukte eveneens dat nauwkeurige conversies moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en verwerking de relatie beïnvloeden.

Oppervlakteharding en gradiënten over de doorsnede

Carboneren, nitreren en inductieharden maken één enkele hardheidswaarde nog minder representatief. Bij carboneren wordt het oppervlak van laagkoolstofstaal verrijkt met koolstof, waarna wordt afgeschrikt om een harde martensitische laag te vormen boven een taaiere kern met een lager koolstofgehalte. Een meting aan het oppervlak kan 60 HRC of hoger bedragen, terwijl de kern veel zachter is. Het omzetten van die oppervlaktewaarde naar de treksterkte van het gehele onderdeel is een categoriefout: de test meet de laag en niet de dragende doorsnede als homogeen materiaal.

Nitreren produceert een stikstofverrijkte diffusiezone en, nabij het oppervlak, een verbindingslaag die ijzernitriden bevat, zoals ε-Fe₂–₃N en γ′-Fe₄N. De laag kan zeer hard en dun zijn. Conventionele Rockwell- of Brinell-tests kunnen ongeschikt zijn, omdat hun indringing en plastische zone zich onder het behandelde gebied uitstrekken; vaak is een micro-Vickers- of Knoop-profielmeting nodig om het hardheidsprofiel te bepalen. Zelfs een micro-indrukkingswaarde kan door het substraat worden vertekend als de indrukking te diep is in verhouding tot de laagdikte.

Hardheidsniveau

Inductieharden creëert een geharde martensitische zone waarvan de diepte afhangt van de frequentie, het vermogen, de scansnelheid, de geometrie en de afschrikomstandigheden. De hardheid verandert continu vanaf het oppervlak, door het overgangsgebied heen, tot in de zachtere kern. Een opgegeven “62 HRC” is onvolledig tenzij de locatie en meetdiepte worden vermeld. Hetzelfde onderdeel kan aan het oppervlak, op de effectieve laagdiepte en in de kern verschillende conversies opleveren.

Deze gradiënten beïnvloeden ook de geometrie van de indrukking. Een ondiepe indrukking in een harde laag kan worden begrensd door het zachtere materiaal eronder; een diepere indrukking middelt verschillende gebieden uit. Oppervlaktekromming, doorsnededikte, afstand tot de rand en massa van het onderdeel kunnen het spanningsveld veranderen. De tabellen van ASTM E140-12 zijn bedoeld voor de materiaalgebieden en testomstandigheden die door de tabellen worden vertegenwoordigd, en niet voor willekeurige geharde profielen. De eis van ISO 18265:2013 dat een conversie rechtstreeks uitsluitend op het exact geteste materiaal van toepassing is, is hier bijzonder relevant.

Korrelstructuur, fasen en indrukkingsmorfologie

Hardheid is een lokale weerstand tegen indrukking en geen directe meting van de treksterkte. De indenter veroorzaakt elastische en plastische vervorming over een eindig volume. Korrelgrootte, kristallografische textuur, fasegrenzen, insluitsels, carbiden en restspanningen beïnvloeden dat volume allemaal. Een fijne ferriet-perlietstructuur kan de vervorming anders verdelen dan grof perliet. Bainiet, martensiet, ferriet, achtergebleven austeniet en carbide-rijke gebieden kunnen vergelijkbare gemiddelde hardheidswaarden opleveren via verschillende vervormingsmechanismen.

Resterende drukspanning kan de schijnbare weerstand tegen indrukking verhogen, terwijl resterende trekspanning deze kan verlagen of scheurvorming kan bevorderen. Slijpbrand, ontkoling, kogelstralen en beschadiging door verspaning kunnen een oppervlaktewaarde daarom veranderen zonder de trekeigenschappen van het basismateriaal in dezelfde verhouding te wijzigen. Ook de plaats van de indrukking is van belang: een indrukking boven een groot carbide, nabij een fasegrens of dicht bij een eerdere indrukking hoeft de matrix niet te vertegenwoordigen.

De vorm van de indrukking vormt een extra waarschuwing. De Brinell- en Vickers-methoden berusten op de grootte en vorm van een blijvende indrukking; Rockwell-methoden berusten op de indringdiepte. Opstuwing rond een indrukking kan het contactoppervlak kleiner maken dan een geïdealiseerde analyse veronderstelt, terwijl inzinking het groter maakt. In anisotrope, meerfasige of sterk verstevigende stalen veranderen deze effecten de relatie tussen hardheid en vloeiingsspanning. Een peer-reviewed studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A rapporteerde dat de verhoudingen tussen hardheid en sterkte afhangen van de materiaalklasse, microstructuur en indrukkingsmorfologie. De studie identificeerde voor sommige sterke, ductiele metallische materialen de benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS, maar deze uitdrukking is specifiek voor een materiaalklasse en geen universele vergelijking voor staal.

Een rapport moet daarom de staalsoort, de warmtebehandelingstoestand, de testmethode, de schaal, de locatie en eventuele informatie over de laagdiepte vermelden. Een gemeten waarde zoals 245 HBW is niet uitwisselbaar met een geconverteerde waarde zoals 23 HRC, en geen van beide is automatisch een geschatte treksterkte. Wanneer acceptatie, breukrisico of constructief ontwerp afhankelijk is van de trekeigenschappen, bestaat de passende aanpak uit directe trektest of een gevalideerde correlatie die specifiek is voor de staalsoort en toestand — niet uit een niet-onderbouwde conversie van een gemakkelijk beschikbare hardheidswaarde.

Conversierelaties tussen Brinell, Rockwell en Vickers

Hardheidsconversietabellen maken HBW, HRC en HV niet tot onderling uitwisselbare metingen. Zij geven een geschatte waarde op de ene schaal op basis van een gemeten waarde op een andere schaal. Dit onderscheid is belangrijk omdat elke methode een andere indenter, kracht, contactgeometrie en berekeningsprocedure gebruikt. Een Brinell-resultaat zoals 220 HBW wordt bepaald aan de hand van de diameter van een relatief grote indruk; 220 HBW omgerekend naar 21 HRC is een tabelschatting, geen tweede Rockwell-test.

ASTM E140-12, Standaard-hardheidsconversietabellen voor metalen, geeft benaderende relaties tussen de schalen van Brinell, Vickers, Rockwell, oppervlakkige Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb voor gespecificeerde metalen. De tabellen voor staal omvatten homogene koolstofstalen, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstaal. Deze beperking is belangrijk: ASTM stelt dat “de conversies worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling.” ISO 18265:2013 stelt eveneens beginselen vast voor conversie tussen hardheidsschalen en voor het schatten van de treksterkte, maar vermeldt dat omgerekende waarden alleen rechtstreeks van toepassing zijn op het exact geteste materiaal. Een tabel ondersteunt dus vergelijking binnen het daarin vermelde materiaal en bereik; zij stelt geen fysische gelijkheid tussen hardheidsgetallen vast.

Tabellen voor HBW naar HRC en HRC naar HBW lezen

Bepaal eerst de feitelijk uitgevoerde test en de volledige aanduiding daarvan. HBW betekent Brinell-hardheid gemeten met een wolfraamcarbide kogel; ook de kogeldiameter en de uitgeoefende kracht kunnen worden vermeld, zoals bij 220 HBW 10/3000. HRC betekent Rockwell C-hardheid, die normaal wordt bepaald met een diamantkegel en een totale kracht van 150 kgf volgens de Rockwell-procedure. Een losstaand “HB” of “HR” is onvolledig voor technische rapportage, omdat het materiaal en de diameter van de kogel, de Rockwell-schaal en de testkracht het resultaat kunnen beïnvloeden.

Om 220 HBW naar HRC om te rekenen, zoekt u 220 op in de HBW-kolom van de toepasselijke tabel van ASTM E140-12 of ISO 18265:2013 en leest u de overeenkomstige waarde in de HRC-kolom af. Als de rij 21 HRC aangeeft, luidt de correcte rapportage ongeveer 21 HRC, omgerekend vanuit 220 HBW, en niet “21 HRC” alsof er een Rockwell C-test was uitgevoerd. Voor een omgekeerde conversie is dezelfde zorgvuldigheid vereist: begin met de gemeten HRC-waarde, selecteer de juiste staalsoortentabel en lees de overeenkomstige HBW-schatting af. De omgekeerde opzoeking zal niet noodzakelijk het oorspronkelijke getal reproduceren, omdat de tabelrelatie afgerond is en kan zijn opgesteld op basis van een aangepaste of empirische relatie in plaats van een omkeerbare vergelijking.

Aangrenzende waarden zijn geen exacte equivalenten. Stel dat een tabel 210 HBW als 19 HRC en 230 HBW als 22 HRC vermeldt. Een gemeten waarde van 220 HBW ligt tussen deze rijen, maar heeft niet zowel een exacte waarde van 20,5 HRC als een fysisch geverifieerde Rockwell-waarde. Lineaire interpolatie kan ongeveer 20,5 HRC opleveren als hulpmiddel bij de rapportage, indien de toepasselijke norm interpolatie binnen dat bereik toestaat. Het resultaat blijft echter een schatting waarvan de onzekerheid zowel de spreiding van de conversierelatie als de onzekerheid van de oorspronkelijke meting omvat.

De materiaalklasse moet overeenkomen met het onderdeel. Een 4140-staal dat is afgeschrikt en getemperd tot een martensitische structuur volgt niet noodzakelijk dezelfde HBW–HRC-relatie als genormaliseerd AISI 1020, gegloeid AISI 1045 of gereedschapsstaal met een hoog koolstofgehalte. De oorzaak is mechanisch en niet uitsluitend het gevolg van de tabel: de respons op indrukking hangt af van vloeigrens, versteviging door vervorming, verdeling van carbiden, resterend austeniet, korrelgrootte, restspanning en vervorming rond de indruk. Het rapport van SAE International uit 1967, Hardheidstests en conversies van hardheidsgetallen, stelt dat nauwkeurige conversies moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en bewerking de relatie beïnvloeden.

Rockwell-testen zijn snel en praktisch voor herhaalde inspecties, maar kunnen gevoelig zijn voor omstandigheden die door een grote Brinell-indruk worden uitgemiddeld. Dunne doorsneden kunnen doorbuigen of ervoor zorgen dat het spanningsveld rond de indruk in wisselwerking treedt met het tegenoverliggende oppervlak. Een onvoldoende ondersteund proefstuk kan een onjuist resultaat geven. Ook de keuze van de schaal is belangrijk: het gebruik van HRC waar HRB geschikt is, of het toepassen van een oppervlakkige Rockwell-schaal zonder de kracht en de indenter te specificeren, maakt de vergelijking ongeldig. Oppervlaktekal, ontkoling, ruwheid, kromming en onvoldoende afstand tussen de indrukken kunnen de aflezing verschuiven. Een omgerekende HRC-waarde kan een slechte HBW-meting niet corrigeren en evenmin een ongeschikte Rockwell-opstelling compenseren.

Wanneer Vickers een nuttige brug vormt

Vickers-hardheid, gerapporteerd als HV met vermelding van de testkracht wanneer dat vereist is, maakt gebruik van een diamantpiramide en berekent de hardheid aan de hand van de twee diagonalen van de indruk. Dankzij de geometrie is deze methode bruikbaar over een groter hardheidsbereik dan één afzonderlijke Rockwell-schaal en voor omstandigheden waarin een Brinell-kogel te groot is. Met een Vickers-indruk kan een kleine geharde laag, een las of warmtebeïnvloede zone, een afzonderlijk fasegebied of een dunne doorsnede worden onderzocht, mits de kracht, de oppervlaktevoorbereiding, de afstand tussen de indrukken en de optische meting voldoen aan de toepasselijke methode.

Vickers kan als brug fungeren wanneer HBW en HRC door beperkingen van de schalen niet goed op elkaar aansluiten. Zo kan een gecarburiseerde laag te dun zijn voor een conventionele Brinell-indruk en instabiele resultaten opleveren bij een standaard-Rockwell-test als de indruk tot voorbij de laag reikt. Een Vickers-meting met lage kracht over een meetlijn kan de hardheidsgradiënt van het oppervlak naar de kern weergeven. Die informatie is nuttiger dan het toekennen van één omgerekend HRC-getal aan een gelaagde structuur. Hetzelfde geldt voor lasmetaal en warmtebeïnvloede zones, waarin binnen enkele millimeters meerdere microstructuren kunnen voorkomen.

Vickers is niet automatisch nauwkeuriger. De meting van de diagonalen wordt beïnvloed door de oppervlakteafwerking, optische resolutie, het oordeel van de uitvoerder, opstuwing of inzinking van het materiaal en de gekozen kracht. Bij zeer kleine indrukken wordt de meetfout vergroot. Een lokaal gemeten HV-waarde kan bovendien een carbide, een martensieteilandje of een ontkoolde plek bemonsteren in plaats van het massieve staal dat door een Brinell-indruk wordt vertegenwoordigd. Conversie van HV naar HRC of HBW is daarom alleen zinvol wanneer de tabel de relevante staalklasse, het relevante hardheidsinterval en de relevante testkrachtcondities omvat.

Formules voor de conversie van hardheid naar sterkte vereisen nog grotere voorzichtigheid. Een onderzoek uit 2012 in Materials Science and Engineering: A beschreef voor sommige zeer sterke, taaie metalen materialen de benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS, en toonde daarbij aan dat verhoudingen tussen hardheid en sterkte afhangen van materiaalklasse, microstructuur en de morfologie van de indruk. Dit is geen algemene vergelijking voor koolstofstalen en gelegeerde staalsoorten. ISO 18265:2013 duidt schattingen van de treksterkte aan als de minst betrouwbare conversies. Een onderzoek van NIST uit 1929 stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kan worden geschat op basis van Brinell-hardheid, maar deze bevinding ondersteunt een gecontroleerde empirische schatting en geen universele vervanging van een trekproef.

Bereikslimieten, interpolatie en discontinuïteiten

Gebruik een conversie alleen binnen het in de tabel vermelde hardheidsbereik en de vermelde materiaalkategorie. Als een tabel eindigt bij 60 HRC, mag een gemeten waarde van 64 HRC niet worden geëxtrapoleerd op basis van de laatste rijen. Als het onderdeel bestaat uit precipitatiegehard roestvast staal, maar de tabel alleen homogene koolstofstalen, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstaal omvat, maakt het selecteren van de qua uiterlijk meest overeenkomende rij de conversie niet geldig. Ook een kwaliteitsaanduiding alleen kan onvoldoende zijn: genormaliseerde, gegloeide, afgeschrikte, getemperde, gecarburiseerde en koudvervormde toestanden kunnen bij dezelfde nominale samenstelling verschillende relaties opleveren.

Interpolatie is alleen toegestaan wanneer de norm of een goedgekeurde procedure dit ondersteunt en wanneer de omliggende waarden een geschikt continu deel vormen. Interpolatie moet als zodanig worden aangeduid, met een verstandige afronding die geen niet-onderbouwde nauwkeurigheid suggereert. Het rapporteren van 21,37 HRC op basis van een Brinell-tabel claimt doorgaans meer zekerheid dan de bron kan bieden. Rapporteer eerst de gemeten waarde, gevolgd door de omgerekende waarde en de referentie, bijvoorbeeld: “220 HBW; ongeveer 21 HRC, omgerekend volgens ASTM E140-12.”

Discontinuïteiten kunnen ontstaan wanneer een tabel van materiaalklasse, Rockwell-schaal, indenter of hardheidsinterval wisselt. Zij kunnen ook wijzen op overgangen in de mechanica van de indrukking en niet op een abrupte verandering in het staal. Maak een dergelijke grens niet glad en neem geen gemiddelde van waarden uit afzonderlijke tabellen. Wanneer de acceptatie afhankelijk is van trekeigenschappen, laagdikte, lasgoedkeuring of een gespecificeerde toestand van het materiaal, moet de vereiste directe test worden uitgevoerd. Conversie is een hulpmiddel voor vergelijking; zij vormt geen bewijs dat de niet-uitgevoerde test zou zijn geslaagd.

Hardheid en treksterkte: een relatie, geen gelijkheid

Hardheid en treksterkte houden verband met elkaar omdat beide afhangen van de weerstand van een metaal tegen plastische vervorming, maar het zijn geen onderling uitwisselbare eigenschappen. Bij een hardheidstest wordt op één locatie een kleine indruk gemaakt. Bij een trekproef wordt een gestandaardiseerd proefstuk door een veel groter volume belast totdat vloeien, plastische vloei en breuk optreden. De twee tests bemonsteren daarom verschillende materiaalvolumes, leggen verschillende spanningstoestanden op en leveren verschillende soorten metingen op.

Een hardheidswaarde kan rechtstreeks worden gemeten op de Vickers-, Brinell-, Rockwell-, Knoop- of een andere schaal. Een omgerekende hardheidswaarde wordt berekend vanuit een andere gemeten schaal met behulp van een gepubliceerde relatie. Een geschatte treksterkte is een verdere stap: daarbij wordt een trekeigenschap afgeleid uit de hardheid. Elke stap voegt aannames en mogelijke fouten toe. Het behandelen van een geschatte treksterkte alsof het een resultaat van een trekproef is, is een gebrekkige rapportagepraktijk, vooral wanneer een specificatie, ontwerpberekening of faalonderzoek afhankelijk is van vloeigrens, ultieme treksterkte of rek.

Wat hardheid mechanisch meet

Hardheid is de weerstand tegen plaatselijke plastische vervorming. Bij een Vickers-proef wordt een diamantpiramide met een voorgeschreven kracht in het oppervlak gedrukt, waarna de twee diagonalen van de indrukking worden gemeten. Het Vickers-hardheidsgetal, $H_{\mathrm{V}}$, wordt berekend uit de uitgeoefende kracht en het geprojecteerde oppervlak van de indrukking. Bij een Brinell-proef wordt een hardmetalen kogel in het materiaal gedrukt en wordt de kracht gerelateerd aan de diameter van de ontstane indrukking. Bij een Rockwell-proef wordt daarentegen de indringdiepte gemeten onder vastgelegde voor- en hoofdbelastingen; het resultaat wordt gerapporteerd op een specifieke schaal, zoals HRC of HRB.

De indringer veroorzaakt onder het contact een complex driedimensionaal spanningsveld. Dit omvat druk-, afschuif- en trekcomponenten, en het materiaal nabij de indrukking kan een zeer grote plastische rek ondervinden. De gemeten respons wordt beïnvloed door versteviging door vervorming, elastisch herstel, wrijving, de geometrie van de indringer, de oppervlaktevoorbereiding en de omvang van de plastisch vervormde zone. De respons weerspiegelt bovendien het materiaal direct onder het testoppervlak en niet noodzakelijk de gemiddelde eigenschappen van een volledig onderdeel.

Dit lokale karakter verklaart waarom hardheid nuttig is voor het controleren van gradiënten en verwerkingseffecten. Een geharde en ontlaten martensitische laag, een ontkoold oppervlak, een door warmte beïnvloede zone van een las of een gecarburiseerde laag kan een hardheidswaarde vertonen die sterk afwijkt van die van de kern. Ook de afstand tussen indrukken, de randafstand, de proefstukdikte, de kromming en de oppervlakteruwheid kunnen het resultaat vervormen. Een hardheidsgetal zonder vermelding van de schaal, de proefmethode, de belasting en de toestand is onvolledig. “60” kan 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA of bij een aangegeven belasting ongeveer 60 HV betekenen; deze waarden zijn niet gelijkwaardig.

Treksterkte is daarentegen de maximale technische spanning die tijdens een uniaxiale trekproef wordt bereikt. Het proefstuk wordt over een meetlengte uitgetrokken en de gerapporteerde treksterkte, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, wordt berekend door de maximale kracht te delen door het oorspronkelijke dwarsdoorsnedeoppervlak. De proef registreert vervorming over een relatief groot meetvolume en maakt aanvullende eigenschappen zichtbaar, waaronder het vloeigedrag, de gelijkmatige rek, de totale rek en de insnoering. Een hardheidsindrukking kan deze metingen van trekrek niet leveren.

Dit onderscheid is van belang bij heterogeen staal. Een hardheidsproef aan het oppervlak kan worden gedomineerd door een dunne geharde laag, ook wanneer de kern een lagere treksterkte heeft. Omgekeerd kunnen een grofkorrelige zone, een gebande microstructuur, de aanwezigheid van insluitsels of plaatselijke variaties in de warmtebehandeling een trekproefstuk anders beïnvloeden dan een kleine indrukking. Hardheid en sterkte kunnen binnen een gecontroleerde productfamilie een vergelijkbaar verloop vertonen, maar dat verband is een empirisch resultaat en geen definitie.

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

Een vaak herhaalde vuistregel luidt:

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

Wanneer Vickers-hardheid en treksterkte in onderling compatibele eenheden worden uitgedrukt, kan deze relatie soms nuttig zijn als een ruwe vergelijking van de orde van grootte. Zo kan een materiaal met $H_{\mathrm{V}}=600$ volgens een dergelijke relatie worden geassocieerd met een treksterkte van ongeveer $2,000\text{MPa}$. Deze berekening is geen materiaalcertificaat en mag niet als zodanig worden gepresenteerd.

De relatie is vastgesteld voor bepaalde zeer sterke, ductiele metalen. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A rapporteerde dat de verhouding tussen hardheid en sterkte afhankelijk is van de materiaalklasse, de microstructuur en de morfologie van de indrukking. Deze voorwaarden zijn doorslaggevend. De factor drie is geen algemene vergelijking voor alle staalsoorten, alle hardheidsschalen of alle warmtebehandelingen. De relatie is niet geldig uitsluitend omdat het gemeten getal Vickers-hardheid wordt genoemd.

Mechanisch gezien heeft de benadering een plausibele basis. Plastische vervorming onder een indringer vereist een hoge representatieve vloeispanning, terwijl de treksterkte de spanning weergeeft die tijdens uniaxiale vervorming en versteviging door vervorming wordt bereikt. Binnen een beperkte materiaalklasse, waarin een consistent verband bestaat tussen de representatieve indrukkingsdruk, de vloeispanning en de trekrespons, kan een vrijwel constante verhouding ontstaan. Wanneer het vervormingsmechanisme of het verstevigingsgedrag verandert, verandert ook de verhouding.

Eenzelfde staalsoort kan na verschillende verwerkingsroutes van deze benadering afwijken. Ferriet-perliet, bainiet, ontlaten martensiet en geharde martensiet verstevigen tijdens belasting niet op dezelfde wijze. Achtergebleven austeniet, de verdeling van carbiden, de korrelgrootte, restspanningen en voorafgaande vervorming kunnen de vorm van de indrukking en de trekcurve beïnvloeden. Een hoogkoolstof-gereedschapsstaal, een laagkoolstof-constructiestaal en een austenitisch roestvast staal kunnen verschillende verhoudingen tussen hardheid en treksterkte vertonen, zelfs bij vergelijkbare nominale hardheidswaarden.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Gepubliceerd empirisch onderzoek ondersteunt een beperkt, toestandsspecifiek gebruik en geen universele vervanging. Onderzoek dat in 2023 in Materials Today: Proceedings werd gerapporteerd, vond een over het algemeen lineair verband tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte voor historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen in de ruwe of genormaliseerde toestand. Dat resultaat is bruikbaar voor die materiaalpopulatie en toestand. Het stelt niet dezelfde rechte relatie vast voor gehard en ontlaten gelegeerd staal, koudvervormde plaat, gecaseharde componenten of lasverbindingen.

Ook met de eenheden moet zorgvuldig worden omgegaan. Vickers-hardheid wordt conventioneel gerapporteerd als een dimensieloos hardheidsgetal, hoewel dit gerelateerd is aan kracht per oppervlakteeenheid. Treksterkte wordt gewoonlijk gerapporteerd in MPa of N/mm². Omdat $1{\text{kgf/mm}}^2$ ongeveer $9.807\text{MPa}$ is, kan het onzorgvuldig mengen van hardheidsconventies en SI-eenheden voor spanning een fout van bijna een orde van grootte veroorzaken. Een deugdelijk rapport vermeldt de vergelijking, de eenheden, de materiaalpopulatie en de onzekerheid.

Waarom schattingen van de treksterkte de minst betrouwbare omzettingen zijn

Omzetting tussen hardheidsschalen en schatting van de treksterkte zijn geen gelijkwaardige taken. ASTM E140-12, Norm voor hardheidsomzettabellen voor metalen, geeft benaderende verbanden tussen Brinell-, Vickers-, Rockwell-, oppervlakkige Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-waarden voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstalen. ASTM International stelt dat “de omzettingen worden beïnvloed door de legering, de korrelstructuur en de warmtebehandeling.” De tabellen beschrijven daarom vastgelegde empirische materiaalpopulaties; zij maken niet van iedere hardheidswaarde een universele materiaaleigenschap.

ISO 18265:2013, Metalen — Omzetting van hardheidswaarden, specificeert beginselen voor het omzetten van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte. De norm waarschuwt ook dat “de omgerekende waarden rechtstreeks alleen van toepassing zijn op het exact geteste materiaal” en kwalificeert schattingen van de treksterkte als de minst betrouwbare omzettingen. Die rangorde volgt uit de gevolgde keten van afleidingen. Het omzetten van HRC naar HV veronderstelt al een verband tussen twee indrukkingsmethoden. Het schatten van ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ uit een van beide waarden veronderstelt bovendien een verband tussen plaatselijke plastische vervorming door indrukking en uniaxiale vervorming over een groot volume.

De NIST-studie uit 1929 naar empirische Rockwell-Brinell-verbanden stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kan worden geschat. Dit is een praktische waarneming en geen verklaring dat beide fysisch identiek zijn. “Vaak” hangt af van de staalpopulatie, de toestand en de toegestane fout. De waarneming van NIST neemt niet weg dat het verband moet worden gevalideerd aan de hand van trekgegevens voor de relevante staalsoort en verwerkingsroute.

Het SAE-technisch rapport Hardheidsproeven en omzettingen van hardheidsgetallen, gepubliceerd in 1967, maakte dezelfde beperking explicieter: nauwkeurige omzettingen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en verwerking het verband beïnvloeden. Een dik smeedstuk, een dunne strip en een kleine warmtebehandelde pen kunnen verschillende correlaties opleveren, zelfs wanneer hun nominale staalsoorten identiek zijn. De geometrie verandert de mate van omsluiting rond de indrukking, terwijl massa en doorsnedeafmetingen de afkoelsnelheid en daardoor de microstructuur beïnvloeden.

Voor acceptatiebeslissingen moet een uit hardheid afgeleide treksterkte als een schatting worden aangeduid en vergezeld gaan van de gemeten schaal, de proefnorm, de locatie, de materiaalsoort, de toestand na warmtebehandeling, de kalibratiepopulatie en de verwachte onzekerheid. Als een tekening of materiaalspecificatie treksterkte vereist, bestaat het juiste bewijs uit een trekproef volgens de toepasselijke norm, niet uit een omgerekend getal dat is gekozen omdat het dicht bij de eis lijkt te liggen. Hardheid kan worden gebruikt voor screening, vergelijking en monitoring. Zij kan op zichzelf niet het volledige trekgedrag van een stalen onderdeel aantonen.

Geometrie, afmetingen, massa en testlocatie

Een hardheidswaarde beschrijft de reactie van een bepaald materiaalvolume onder een bepaalde indenter. De waarde beschrijft niet uitsluitend de samenstelling. Twee proefstukken die uit hetzelfde warmtebehandelde staal zijn gesneden, kunnen verschillende meetwaarden opleveren wanneer één ervan dun is, slechts licht wordt ondersteund, gekromd of ruw is, ontkoold is, of wordt gemeten in de buurt van een eerdere indruk. De gemeten waarde kan daardoor veranderen, ook al zijn de legering en de warmtebehandeling ongewijzigd.

Dit is van belang voordat enige omzetting wordt uitgevoerd. Een omrekentabel kan een geldige Brinell-, Rockwell- of Vickers-meting relateren aan een benaderende waarde op een andere schaal; de tabel kan echter geen indruk corrigeren die is vervormd door buiging, trillingen, oppervlakteschade of een ongeschikte testlocatie. Het SAE-technisch rapport Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) benadrukt specifiek dat nauwkeurige relaties moeten worden ontwikkeld voor de betreffende staalsamenstelling, warmtebehandeling en het betreffende onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en bewerking het resultaat beïnvloeden.

Minimale dikte en afstand tot randen

Het proefstuk moet dik genoeg zijn zodat de zone van plastische vervorming onder de indruk het tegenoverliggende oppervlak niet bereikt. Als dat wel gebeurt, begrenst het steunmateriaal de indruk niet langer op dezelfde wijze als bij een massief proefstuk. De indenter kan dieper doordringen of de contactgeometrie kan veranderen, waardoor een hardheidswaarde ontstaat die lager is of op andere wijze afwijkt van de waarde voor een voldoende dik gedeelte. De toegestane minimale dikte hangt af van de hardheidsschaal, de indenter, de uitgeoefende kracht en het hardheidsbereik; een dunne plaat die geschikt is voor oppervlakkige Rockwell-beproeving, is mogelijk niet geschikt voor standaard-Rockwell- of Brinell-beproeving.

Kleine onderdelen veroorzaken een verwant probleem. Een onderdeel met een geringe massa kan onder de testkracht bewegen, kantelen of elastisch vervormen. Zelfs een kleine verplaatsing verandert de indringdiepte bij een Rockwell-test en kan de diameter met beïnvloeden bij een Brinell-test. De opspanning kan stevig lijken terwijl het onderdeel zelf doorbuigt. Dunne flenzen, smalle ribben en de wanden van holle profielen zijn bijzonder gevoelig.

Ook de afstand tot een rand is van belang. Een indruk die te dicht bij een rand wordt geplaatst, heeft minder omringend materiaal om de plastische vloeiing tegen te werken. Het materiaal kan in de richting van de vrije rand uitbollen en de gemeten diagonaal of indringdiepte kan afwijken van het gedrag van een indruk in een onbeperkt oppervlak. Hetzelfde geldt voor gaten, sleuven, spiebanen en abrupte veranderingen in doorsnede. Een meetwaarde naast een machinale groef is niet automatisch representatief voor het aangrenzende vlakke gebied.

Ook nabijgelegen indrukken kunnen elkaar beïnvloeden. Plastische rek van een eerdere indruk laat een plaatselijk verstevigd en verplaatst gebied achter. Als de volgende indruk te dichtbij wordt geplaatst, kunnen de afmetingen of de diepte ervan veranderen. De afstandseisen variëren per methode en hardheid; daarom moet de toepasselijke norm leidend zijn en niet een handige vuistregel. Een reeks dicht bij elkaar geplaatste meetpunten kan een valse indruk van herhaalbaarheid wekken, omdat elke test de volgende beïnvloedt.

Ondersteuning, kromming en massa van het onderdeel

Het ondersteunende aambeeld maakt deel uit van het meetsysteem. Een harde, stabiele en correct geplaatste ondersteuning beperkt beweging en levert de reactiekracht die nodig is voor een gecontroleerde indruk. Een meegevende onderlaag, ingesloten walshuid, braam, verfschilfer of ongelijke opspanning maakt plaatselijke zetting mogelijk. De indenter meet dan de gecombineerde reactie van het staal, de ondersteuning en al het materiaal daartussen.

Trillingen hebben een vergelijkbaar effect. Beproeving naast een pers, slijpmachine of werktuigmachine kan de krachtuitoefening of de dieptemeting verstoren. Bij een licht onderdeel kunnen de trillingen worden versterkt door de eigen flexibiliteit van het onderdeel. Een meetwaarde die is verkregen op een massief blok en een meetwaarde die is verkregen op een dun onderdeel dat op een flexibele opspanning rust, zijn niet gelijkwaardig alleen omdat voor beide dezelfde Rockwell-schaal is gebruikt.

Kromming verandert de contactgeometrie. Op een convex oppervlak raakt de indenter minder omringend materiaal dan op een vlak oppervlak en kan het oppervlak van de belasting weg vervormen. Op een concaaf oppervlak kunnen toegang en uitlijning eveneens problematisch zijn. De kromtestraal ten opzichte van de grootte van de indruk is belangrijk: een brede, flauwe kromming heeft mogelijk weinig effect, terwijl een as of buis met een kleine straal een aanzienlijke afwijking kan veroorzaken. De indenter moet loodrecht op het plaatselijke oppervlak staan en niet slechts met het gehele onderdeel zijn uitgelijnd.

Cilindrische onderdelen roepen ook vragen op over de locatie. Een meetwaarde op de kruin van een as, dicht bij de zijkant ervan of op een afgevlakt testvlak kan verschillende begrenzingscondities vertegenwoordigen. Als voor het testen een vlak wordt machinaal bewerkt, kan door het verwijderen daarvan een andere diepte worden blootgelegd, waardoor het vlak mogelijk niet langer het functionele oppervlak vertegenwoordigt. Het testrapport moet de locatie, oriëntatie, doorsnededikte en ondersteuningsconditie vermelden, zodat latere meetwaarden zinvol kunnen worden vergeleken.

Deze beperkingen gelden in versterkte mate voor omgerekende schattingen van hardheid en sterkte. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, geeft benaderende relaties tussen de Brinell-, Vickers-, Rockwell-, oppervlakkige Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-schalen voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, legerings- en gereedschapsstalen. ASTM stelt dat “the conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment.” Een door geometrie veroorzaakte fout wordt niet opgeheven door een andere kolom in die tabel te kiezen.

Oppervlaktevoorbereiding en ontkoling

De toestand van het oppervlak kan het resultaat beïnvloeden voordat de indenter representatief staal bereikt. Oxidehuid, roest, galvanische of andere bekleding, verf, bewerkingssporen en oppervlakteruwheid verstoren het goed plaatsen van de indenter en de optische meting van een Brinell- of Vickers-indruk. Een ruw oppervlak kan het moeilijk maken om de randen van een kleine indruk te lokaliseren, terwijl een los oxidefragment onder belasting kan bezwijken. De voorbereidingsmethode moet verontreinigingen verwijderen zonder de metallurgische toestand die wordt gemeten te veranderen.

Slijpen is niet automatisch onschadelijk. Zwaar slijpen kan een warmtebeïnvloede laag, plaatselijk ontlaten, restspanningen of een door koudvervorming verharde huid veroorzaken. Buitensporige druk kan een oppervlak creëren dat harder of zachter is dan het materiaal eronder. Koeling, lichte slijpgangen en het verwijderen van voldoende materiaal helpen dit risico te beperken, maar de vereiste diepte hangt af van het proces en het onderdeel. Een gepolijst oppervlak kan de optische meting verbeteren en toch beschadigd materiaal vertegenwoordigen wanneer de voorbereiding te agressief was.

Een warmtebehandeling kan ook opzettelijke of onbedoelde hardheidsgradiënten veroorzaken. Een gecarboneerde laag is harder dan de koolstofarme kern, en een ondiepe indruk kan uitsluitend de laag meten. Naarmate de indruk groter of dieper wordt, begint het zachtere substraat het resultaat te beïnvloeden. Een omzetting die is gebaseerd op homogeen staal is dan ongeschikt. Ontkoling heeft het tegenovergestelde effect: verwarming in een ontkolende atmosfeer kan koolstof aan het oppervlak onttrekken, waardoor een zachte laag boven harder staal ontstaat. Een oppervlaktehardheidsmeting kan daardoor ten onrechte niet aan een specificatie voldoen, ook wanneer het inwendige eraan voldoet, of aanvaardbaar lijken wanneer de testkracht tot voorbij de laag doordringt.

Plaatselijke metingen vereisen nog meer zorgvuldigheid. Een lasmetaal, smeltgrens en warmte-beïnvloede zone kunnen over zeer korte afstanden verschillende microstructuren en hardheidsgradiënten bevatten. Een conventionele Brinell-indruk kan te groot zijn om één zone afzonderlijk te meten, terwijl een micro-Vickers- of Knoop-test de gradiënt wel kan onderscheiden, maar een betere voorbereiding en een striktere controle van de afstand vereist. Het rapport moet vermelden of de waarde afkomstig is van het lasmetaal, de HAZ, het onaangetaste basismetaal of een gespecificeerde afstand vanaf de smeltlijn.

ISO 18265:2013 stelt beginselen vast voor het omrekenen van hardheidsschalen en het schatten van treksterkte, maar vermeldt dat omgerekende waarden rechtstreeks alleen van toepassing zijn op het exact geteste materiaal en dat schattingen van de treksterkte de minst betrouwbare omzettingen zijn. De NIST-studie naar empirische Rockwell-Brinell-relaties (1929) stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kan worden geschat; die vaststelling maakt van een oppervlaktetest op een gekromd, ontkoold onderdeel echter geen trekproef. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A identificeerde voor sommige zeer sterke, taaie metalen de benaderende relatie $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, en liet tegelijk zien dat de verhouding afhangt van de materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie. Geometrie en voorbereiding moeten eerst worden beheerst. Anders voegt de omzetting slechts schijnprecisie toe aan een meting die nooit het beoogde materiaalvolume heeft vertegenwoordigd.

Hardheidsgradiënten, hardingsdiepte en gelast of bewerkt staal

Een hardheidsconversie wordt bijzonder onzeker wanneer de hardheid over enkele tienden van een millimeter verandert. Gecarburiseerde, genitreerde, inductiegeharde, laserbewerkte, gelaste en additief vervaardigde staalsoorten kunnen binnen de afmetingen van één indrukking of binnen de afstand die voor routinematige inspectie wordt gebruikt, meerdere microstructurele gebieden bevatten. Een gerapporteerde “geconverteerde treksterkte” wekt dan een misleidende indruk van uniformiteit. Zij kan alleen het geteste oppervlak beschrijven, een indrukking die door twee zones is beïnvloed, of een gemiddelde dat het gebied verhult dat bepalend is voor scheurvorming, slijtage of vervorming.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals (2012), geeft benaderende relaties tussen de schalen van Brinell, Vickers, Rockwell, superficial Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstofstaalsoorten, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstaal. De waarschuwing daarin is hier essentieel: “The conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment.” Een gradiënt voegt daar nog een variabele aan toe: de locatie. ISO 18265:2013 stelt dat geconverteerde waarden alleen rechtstreeks toepasbaar zijn op exact het geteste materiaal, terwijl schattingen van de treksterkte het minst betrouwbare type conversie zijn. Een lokale hardheidswaarde kan dus nuttig zijn voor procescontrole zonder een verdedigbare schatting van de treksterkte van het massieve onderdeel te vormen.

Profielen van de geharde laag

Carbureren creëert een koolstofverrijkt oppervlak dat na afschrikken gewoonlijk transformeert tot martensiet met een hoog koolstofgehalte, terwijl de koolstofarmere kern een andere hardbaarheid en taaiheid behoudt. Nitrideerbehandelingen produceren een verbindingslaag en een diffusiezone waarvan de hardheid met de diepte afneemt; het profiel hangt af van de chemische samenstelling van het staal, het nitreerpotentieel, de temperatuur, de tijd en de voorafgaande ontlaatbehandeling. Inductieharden produceert boven een overgangsgebied een door snel afschrikken gevormde martensitische laag en een zachtere kern. Laserharden of laserlegeren kan nog smallere, onregelmatig gevormde zones creëren, vooral wanneer de overlap van de scans, de afkoelsnelheid of de verdunning varieert.

Oppervlaktehardheid en kernhardheid beantwoorden verschillende vragen. Een meting nabij het oppervlak kan aantonen dat een gecarburiseerde laag de gespecificeerde hardheid heeft bereikt, maar kan niet in de plaats komen van de trekeigenschappen van de koolstofarme kern. Omgekeerd zegt een meting in de kern weinig over de weerstand tegen contactmoeheid of adhesieve slijtage aan het werkoppervlak. Eén Rockwell C-resultaat op een dunne geharde laag is bijzonder gevoelig voor de invloed van het substraat: het vervormingsveld reikt onder de geharde laag door, zodat de zachtere kern de schijnbare waarde kan verlagen. Overmatige kromming van het oppervlak, onvoldoende ondersteuning of een ruwe verbindingslaag kan verdere fouten veroorzaken.

Een profiel wordt gewoonlijk opgesteld door een dwarsdoorsnede te maken, deze zorgvuldig te polijsten en Vickers-indrukken te plaatsen op gemeten diepten vanaf het oppervlak. De testbelasting moet indrukken opleveren die groot genoeg zijn om betrouwbaar te worden gemeten, maar klein genoeg om de gradiënt op te lossen. Indrukken die te ver uit elkaar liggen, missen de overgang; indrukken die te dicht bij elkaar liggen, beïnvloeden elkaar via overlappende plastische rekvelden. ISO 6507-1 en ASTM E384 specificeren eisen voor Vickers- en Knoop-beproevingen, waaronder limieten met betrekking tot onderlinge afstand, randen en meting. De toepasselijke norm en testkracht moeten worden vastgelegd, in plaats van de test alleen als “microhardheid” te rapporteren.

De hardingsdiepte is niet eenvoudigweg de diepte van het hardste punt. Een effectieve hardingsdiepte wordt gewoonlijk gedefinieerd als de diepte waarop de hardheid tot een gespecificeerde grenswaarde is gedaald, maar die grenswaarde hangt af van de productspecificatie, het staal en de methode. Een geldig rapport moet de oppervlaktevoorbereiding, de testkracht, het type indenter, het referentiepunt voor de diepte, de afstand tussen de indrukken, de hardheidsschaal en het gebruikte criterium voor de effectieve diepte vermelden. Een glad uitziende curve neemt de onzekerheid niet weg; spreiding kan het gevolg zijn van de verdeling van carbiden, behouden austeniet, plaatselijke ontkoling of de meetresolutie.

Lasmetaal en warmte-beïnvloede zones

Een dwarsdoorsnede van een las bestaat uit een opeenvolging van zones en niet uit één materiaal. Lasmetaal dat door smelten is gevormd, kan qua samenstelling en stollingsstructuur verschillen van de oorspronkelijke plaat. Direct ernaast kan de warmte-beïnvloede zone (HAZ) grove-korrelige, fijnkorrelige, interkritische en subkritische gebieden bevatten. In koolstofstaal en laaggelegeerd staal kan een snel afgekoelde grove-korrelige HAZ hard martensiet of bainiet vormen, terwijl een ontlaten of interkritisch gebied zachter kan zijn en vatbaar kan zijn voor plaatselijke verwekingsverschijnselen. De lasrups, de laswortel, de smeltgrens en het onaangetaste basismetaal kunnen elk verschillende meetwaarden opleveren.

De positie van de indrukking is van belang. Een indrukking die gecentreerd is op de smeltgrens kan een gemengd vervormingsveld van lasmetaal en HAZ bemonsteren, waardoor het getal niet met zekerheid aan een van beide zones kan worden toegewezen. De eerste indrukking moet ver genoeg van de smeltlijn en de rand van het proefstuk liggen om aan de geldende testnorm te voldoen, terwijl de meetreeks toch dicht genoeg bij elkaar moet liggen om de smalste zone op te lossen. Een praktische kaart maakt gebruik van een gedocumenteerd raster of meettraject, met kleinere onderlinge afstanden over de smeltgrens en bij hardheidsovergangen dan in uniform basismetaal. De exacte afstand moet de gekozen methode en acceptatiespecificatie volgen; zij mag niet uitsluitend uit praktisch gemak worden gekozen.

De hardheid van lassen wordt vaak gecontroleerd voor procesbeheersing, beoordeling van het risico op waterstofscheuren of bevestiging van een gekwalificeerde lasprocedure. Dat doel maakt er geen trekproef van. Een hoge lokale HAZ-hardheid kan wijzen op een martensitische structuur en een verhoogde gevoeligheid voor scheurvorming, terwijl een lage waarde kan duiden op overontlaten of sterkteverlies. Geen van beide resultaten stelt de treksterkte van de volledige gelaste verbinding vast. De sterkte van de verbinding hangt ook af van de lasgeometrie, defecten, restspanningen, opsluiting, taaiheid en de zwakste lokale zone.

Lokale hardheid in kaart brengen zonder vals middelen

Bij het in kaart brengen van de hardheid moet de locatie behouden blijven in plaats van elke meetwaarde tot één gemiddelde samen te voegen. Leg coördinaten vast ten opzichte van een referentieoppervlak of de hartlijn van de las, identificeer de microstructurele zone en toon afzonderlijke waarden of een uitgezet diepteprofiel. Het gemiddelde kan een smal maximum of minimum verbergen: tien metingen in zacht basismetaal kunnen twee kritische metingen in een brosse HAZ overheersen. Als een gemiddelde vereist is, rapporteer dan daarnaast het bereik, de standaardafwijking, het aantal metingen en de regels voor uitsluiting.

Hetzelfde beginsel geldt voor laserbewerkte banen en additief vervaardigd staal. Grenzen van smeltbaden, laaginterfaces, scanrotaties, bindingsfouten, porositeit en opnieuw verwarmde banden kunnen richtingafhankelijke hardheid veroorzaken. Een raster op het oppervlak kan een ondergrondse band missen; een dwarsdoorsnede kan variaties langs het scantraject missen. Metingen moeten daarom, wanneer anisotropie aannemelijk is, de procesgeometrie in meer dan één richting volgen.

Rechtstreeks gemeten hardheid blijft het primaire resultaat. Een geconverteerde Brinell-, Rockwell- of Vickers-waarde moet als geconverteerd worden aangeduid en worden gekoppeld aan de gespecificeerde tabel, de materiaaltoestand en de testlocatie. De NIST-studie uit 1929 stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kon worden geschat op basis van de Brinell-hardheid, en een studie uit 2023 vond een over het algemeen lineaire Brinell-relatie voor ongelegeerde constructiestaalsoorten in ruwe of genormaliseerde toestand. Deze bevindingen rechtvaardigen niet de conversie van een geharde laag, HAZ of additief bewerkt oppervlak naar de treksterkte van het massieve materiaal. Zelfs de benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS die in een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A werd gerapporteerd, is van toepassing op bepaalde sterke, ductiele metalen materialen en niet op elk staal of elke microstructuur. Wanneer ontwerp, acceptatie of faalbeoordeling afhankelijk is van trekeigenschappen, moet een trekproef op representatief materiaal worden uitgevoerd.

Hoe u een conversie voor een specifiek staal kiest

Een hardheidsconversie moet beginnen met het gemeten resultaat, niet met het getal dat volgens een specificatie vereist is. Leg de oorspronkelijke schaal exact vast—zoals 220 HBW, 32 HRC, 410 HV of 72 HRA—samen met de beproevingsmethode, indenter, beproevingskracht, oppervlaktevoorbereiding en meetlocatie. “Hardheid” zonder schaal is onvolledige informatie. Een omgerekende waarde is geen tweede meting; het is een schatting die is verkregen uit een empirische relatie.

Identificeer de kwaliteit, productvorm en toestand

Identificeer het staal eerst zo nauwkeurig als de beschikbare documentatie toelaat. Een aanduiding zoals AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 of ASTM A681 W1 beschrijft een materiaalfamilie, maar legt op zichzelf niet de hardheidsrelatie vast. De chemische samenstelling binnen een specificatiebereik kan de reactie op indrukking veranderen, en twee producten met dezelfde nominale kwaliteit kunnen verschillende koolstofverdelingen, korrelgroottes, insluitsels of behouden fasen hebben.

Leg de productvorm vast: plaat, blad, staaf, draad, buis, smeedstuk, gietstuk, lasconstructie of machinaal bewerkt onderdeel. Dikte en lokale doorsnede zijn van belang, omdat de indrukking door voldoende materiaal moet worden ondersteund. Een Brinell-indruk in een dik smeedstuk van 4140-staal bemonstert een groter volume dan een Vickers-indruk nabij het oppervlak van een plaat van 1 mm. De twee resultaten vertegenwoordigen mogelijk niet hetzelfde microstructurele gebied, ook al worden beide als hardheidsgetallen gerapporteerd.

De toestand is even belangrijk. Vermeld of het materiaal gegloeid, genormaliseerd, gehard en ontlaten, precipitatiebehandeld, koudvervormd, gecarboneerd, genitreerd, inductiegehard of op een andere wijze oppervlakkig behandeld is. Genormaliseerd AISI 1045 en gehard en ontlaten AISI 1045 kunnen bijvoorbeeld verschillende ferriet-perliet- of martensitische structuren hebben en daardoor verschillende relaties tussen hardheid en treksterkte. Een gecarboneerd onderdeel van AISI 8620 kan een hoge oppervlaktehardheid vertonen, terwijl de kern veel zachter blijft. Een conversie die is gebaseerd op homogeen staal geeft geen betrouwbare beschrijving van die gradiënt.

In de documentatie moet ook worden vermeld of de test is uitgevoerd op een geslepen, gepolijst, ontkoold, geoxideerd, geplateerd of gestraald oppervlak. Oppervlaktelagen kunnen een ondiep Vickers-, Knoop- of Rockwell-oppervlakteresultaat overheersen. Omgekeerd kan een grote Brinell-indruk de oppervlaktelaag middelen met de onderliggende kern. Als de gemeten locatie zich nabij een las, warmtebeïnvloede zone, rand, gat of buiging bevindt, moet die locatie bij het resultaat worden vermeld.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, stelt dat “the conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment” (ASTM International, 2012). Die waarschuwing is een selectieregel en niet slechts een algemene nuancering. Een tabelwaarde voor homogeen koolstofstaal, gelegeerd staal of gereedschapsstaal mag niet automatisch worden toegepast op een geharde oppervlaktelaag, een duplexmicrostructuur of een laszone.

Stem de oorspronkelijke en doel­schalen op elkaar af

Bepaal vervolgens wat de doelwaarde moet communiceren. De omzetting van 32 HRC naar ongeveer 300 HBW is een vergelijking van schaal naar schaal. De omzetting van 32 HRC naar een geschatte treksterkte is een andere en minder betrouwbare bewerking. Het eerste moet worden gerapporteerd als omgerekende hardheid; het tweede als geschatte treksterkte, met vermelding van de grondslag en beperkingen.

Kies de testschaal op basis van geometrie en materiaaltoestand voordat u een conversietabel kiest. Brinell, gespecificeerd in ASTM E10 of ISO 6506-1, is vaak geschikt voor staal dat voldoende dik en relatief homogeen is, omdat de grotere indruk lokale variatie middelt. De methode is minder geschikt voor een smalle doorsnede, een dunne wand, een kleine radius of een oppervlak dat zich dicht bij een rand bevindt. Rockwell-schalen, behandeld in ASTM E18 of ISO 6508-1, leveren snel resultaten, maar de gekozen schaal moet geschikt zijn voor de hardheid en dikte van het materiaal. Rockwell C is geen algemene vervanging voor elke staaltest; zachtere staalsoorten kunnen Rockwell B vereisen, terwijl dunne doorsneden of ondiepe geharde lagen mogelijk een oppervlakkige Rockwell-schaal vereisen.

Vickers-testen volgens ASTM E384 of ISO 6507-1 zijn nuttig wanneer het beschikbare oppervlak klein is of wanneer de hardheid door een geharde laag of las heen moet worden bepaald. Knoop-testen kunnen de voorkeur hebben voor zeer dunne lagen of smalle gebieden, omdat de langwerpige indruk een gelokaliseerde meting mogelijk maakt. Draagbare Leeb-testen kunnen helpen bij grote onderdelen die niet naar een vaste machine kunnen worden gebracht, maar de toestand van het oppervlak, de massa van het onderdeel, de kromming, de ondersteuning, de inslagrichting en de kalibratie beïnvloeden het resultaat. Een Leeb-naar-Rockwell-conversie moet daarom worden gekoppeld aan het toegestane Leeb-apparaat en de materiaalklasse en mag niet worden beschouwd als uitwisselbaar met een directe Rockwell-test.

Ook de mechanica van indrukking beperkt de vergelijking. Verschillende schalen gebruiken verschillende indenter-vormen en krachten, waardoor verschillende plastische zones ontstaan. Een conversie werkt slechts voor zover het geteste staal zich gedraagt als de materialen die zijn gebruikt om de relatie vast te stellen. Een hoge hardheidswaarde nabij de bovengrens van een schaal kan mogelijk niet betrouwbaar naar een andere schaal worden omgerekend, ook al vallen beide metingen technisch binnen hun nominale bereiken.

De relatie tussen hardheid en treksterkte is bijzonder voorwaardelijk. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A beschreef voor sommige sterke, taaie metallische materialen de benaderende relatie $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, maar rapporteerde ook dat de verhoudingen tussen hardheid en sterkte afhangen van materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie. De uitdrukking is geen universele staalvergelijking. Evenzo vond een studie uit 2023 van historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestaalsoorten een over het algemeen lineaire relatie tussen Brinell-hardheid en treksterkteparameters voor staal in de ruwe of genormaliseerde toestand. Die bevinding legt niet dezelfde relatie vast voor gehard en ontlaten 4340, genitreerd 4140 of martensitisch gereedschapsstaal.

Controleer het toepassingsgebied en bereik van de norm

Lees na identificatie van het materiaal en selectie van de schalen het toepassingsgebied en de opmerkingen van de toepasselijke norm. ASTM E140-12 geeft benaderende relaties tussen Brinell-, Vickers-, Rockwell-, oppervlakkige Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-waarden voor gespecificeerde metalen, waaronder homogeen koolstofstaal, gelegeerd staal en gereedschapsstaal. De tabel moet zowel de relevante materia categorie als het gemeten hardheidsbereik omvatten. Extrapoleer niet buiten de eindpunten alleen omdat de numerieke trend er vloeiend uitziet.

ISO 18265:2013 stelt beginselen vast voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte. De norm vermeldt dat omgerekende waarden alleen rechtstreeks toepasbaar zijn op het exact geteste materiaal en identificeert schattingen van de treksterkte als de minst betrouwbare conversies. Hierdoor zijn de kwaliteit, toestand en productgeschiedenis essentieel bewijsmateriaal wanneer naar een ISO-tabel wordt verwezen.

Gepubliceerde tabellen zijn het best verdedigbaar wanneer het staal qua samenstelling en metallurgie vergelijkbaar is met de populatie waarop de tabel is gebaseerd, de test ruim binnen het opgegeven bereik valt, de geometrie van het proefstuk aan de oorspronkelijke methode voldoet en het resultaat niet wordt gebruikt als certificaat van trekeigenschappen. Een tabelconversie kan toereikend zijn voor procesbewaking of een voorlopige vergelijking. Op zichzelf is zij niet toereikend wanneer een contract, veiligheidsbeoordeling of ontwerpberekening afhankelijk is van vloeigrens, ultieme treksterkte of breukgedrag.

Voer voor kritieke beslissingen een laboratoriumcorrelatie uit. Test representatieve stukken—of aangrenzende proefstukken uit dezelfde smelt, met dezelfde productvorm en dikte en uit dezelfde warmtebehandelingsbatch—met de oorspronkelijke hardheidsmethode en de gewenste doelmethode of trekproef. De gepaarde metingen moeten het werkelijke toepassingsbereik bestrijken, herhaalde metingen omvatten en worden geanalyseerd met voorspellingsgrenzen in plaats van met één enkele aangepaste rechte lijn. Het SAE-technische rapport Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) formuleert het centrale punt rechtstreeks: nauwkeurige conversies moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, omdat grootte, massa, samenstelling en verwerking de relatie beïnvloeden. Een NIST-studie uit 1929 stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kon worden geschat, maar dat resultaat ondersteunt een praktische schatting en geen universele wet.

Rapporteer eerst de oorspronkelijke gemeten waarde, gevolgd door de omgerekende waarde, de gebruikte tabel of het gebruikte model, de materiaaltoestand en een onzekerheid of kwalificatie. Bijvoorbeeld: “Gemeten 32 HRC; ongeveer 302 HBW volgens ASTM E140-12 voor gelegeerd staal, onder voorbehoud van het bereik van de tabel en de beperkingen voor het materiaal.” Als de treksterkte wordt afgeleid, vermeld dan uitdrukkelijk dat het om een schatting gaat. Wanneer de eigenschap bepalend is voor acceptatie of ontwerp, voer dan de trekproef zelf uit.

Validatie, onzekerheid en beslissingen over acceptatie

Een hardheidsomrekening is alleen verdedigbaar wanneer de basis ervan overeenkomt met het materiaal dat wordt beoordeeld. De relevante vergelijking is niet die tussen een geïsoleerd hardheidsgetal en een tabelwaarde, maar die tussen gemeten hardheid en gemeten trekgedrag van materiaal met dezelfde materiaalsoort, warmtebehandeling, doorsnede en productiegeschiedenis. Een omrekening die is ontwikkeld op basis van genormaliseerde plaat mag niet automatisch worden toegepast op gehard en ontlaten stafmateriaal, koudvervormde plaat, gecarburiseerde onderdelen of door lassen beïnvloed materiaal, zelfs niet wanneer de nominale chemische materiaalsoort identiek is.

Gepaard testen en regressie

Validatie begint met gepaarde proefstukken of gepaarde meetlocaties in representatief materiaal. Meet de hardheid volgens de voorgeschreven methode—zoals Brinell, Rockwell of Vickers—en voer trekproeven uit volgens de geldende trekproefnorm op materiaal dat afkomstig is uit dezelfde smelt, productvorm, oriëntatie, dikteklasse en verwerkingsroute. Het testplan moet de toestand behouden die in bedrijf van belang is: een staaf van 42CrMo4 in de geharde en ontlaten toestand wordt niet afdoende vertegenwoordigd door niet-gerelateerd gegloeid 42CrMo4, en ASTM A36-plaat mag niet worden samengevoegd met een genormaliseerde constructiestaalsoort met hogere sterkte, alleen omdat beide koolstofstaal zijn.

De hardheidsprocedure moet worden beheerst voordat een verband wordt aangepast. Registreer de schaal, indringer, testkracht, houdtijd, oppervlaktevoorbereiding, afstand tussen de meetpunten en de afstand tot randen of krommingen. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, behandelt benaderende verbanden tussen Brinell-, Vickers-, Rockwell-, oppervlakkige Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-hardheidswaarden voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, legerings- en gereedschapsstalen. ASTM vermeldt dat “the conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment.” Die verklaring vormt een beperking van de tabel, geen ondergeschikte nuancering.

VoorspellingsintervalVoorspellingsinterval Een interval dat het verwachte bereik voor een afzonderlijk toekomstig resultaat weergeeft, met inbegrip van zowel modelonzekerheid als spreiding tussen materialen.

Vervolgens kan een regressie de gemeten grootheden aan elkaar relateren. Afhankelijk van de gegevens kan over een beperkt bereik een lineair model geschikt zijn:

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

waarbij $R_m$ de gemeten treksterkte is en $H$ de gemeten hardheid op een aangegeven schaal. Een niet-lineair model, een materiaalsoortspecifiek model of afzonderlijke modellen voor verschillende warmtebehandelingen kunnen noodzakelijk zijn. Het model moet worden aangepast aan gepaarde waarnemingen, niet aan hardheidswaarden die uit een omrekentabel zijn overgenomen. Rapporteer het aantal smelten, het aantal proefstukken per smelt, het hardheidsbereik, het treksterktebereik, de geschatte coëfficiënten, de residuele standaardafwijking en de betrouwbaarheidsintervallen voor het aangepaste gemiddelde en voor een afzonderlijke voorspelling.

Het onderscheid tussen die intervallen is van belang. Een betrouwbaarheidsinterval rond de gemiddeld voorspelde treksterkte beschrijft de onzekerheid in de geschatte gemiddelde relatie. Een voorspellingsinterval voor een afzonderlijke waarneming omvat ook de variatie van proefstuk tot proefstuk en is daarom breder. Acceptatiebeslissingen hebben betrekking op afzonderlijk materiaal, niet op een abstract gemiddelde. Een smalle regressielijn kan dus samengaan met een voorspellingsinterval dat te breed is om een specificatiegrens te onderbouwen.

Bias moet afzonderlijk van spreiding worden gecontroleerd. Als de omgerekende treksterkte consequent hoger is dan de rechtstreeks bepaalde trekresultaten, vertoont de omrekening een positieve bias en kan zij zwak materiaal ten onrechte accepteren. Vergelijk residuen voor verschillende hardheden, smelten, doorsnededikten, oriëntaties en warmtebehandelingsbatches. Een residuplot kan kromming, veranderende variantie of een cluster aan het licht brengen dat met één ovenlading samenhangt. Eén algemene correlatiecoëfficiënt brengt die effecten niet aan het licht.

Uitschieters moeten worden onderzocht en niet automatisch worden verwijderd. Een extreme uitslag kan het gevolg zijn van een verkeerd geplaatste indruk, gebrekkige oppervlaktevoorbereiding, een defect in het trekproefstuk, een overschrijffout of werkelijke segregatie en microstructurele variatie. Uitsluiting is alleen gerechtvaardigd wanneer daarvoor een gedocumenteerde technische reden bestaat en, waar mogelijk, een herhalingsproef is uitgevoerd. Anders maakt de uitschieter deel uit van het verband waaraan de acceptatieprocedure bestand moet zijn.

De historische gegevens verklaren waarom beperkte modellen kunnen werken. Een studie uit 2023 in Materials Today: Proceedings vond een over het algemeen lineair empirisch verband tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte voor historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen in de ruwe of genormaliseerde toestand. Die bevinding stelt niet dezelfde lijn vast voor gelegeerde, geharde en ontlaten, precipitatiegeharde, gecarburiseerde of sterk koudvervormde staalsoorten. Evenzo rapporteerde een NIST-studie uit 1929 dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kan worden geschat, maar een schatting die bruikbaar is voor screening vormt geen universele materiaalkundige wet.

Herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid en onzekerheid

Herhaalbaarheid beschrijft de variatie wanneer dezelfde operator hetzelfde instrument en dezelfde methode gebruikt op voldoende vergelijkbare locaties onder nauw beheerde omstandigheden. Reproduceerbaarheid is ruimer: zij omvat veranderingen in operator, instrument, laboratorium, dag of testopstelling. Deze componenten mogen niet worden verward met de spreiding in het verband tussen hardheid en sterkte.

Zo kunnen vijf herhaalde Vickers-indrukken weinig variatie vertonen, wat op goede herhaalbaarheid wijst, terwijl rechtstreeks bepaalde trekresultaten van nominaal vergelijkbare proefstukken aanzienlijk variëren door de afstand tussen ferriet en perliet, het ontlaten van martensiet, banding, insluitsels of lokale segregatie. Omgekeerd kan een stabiel materiaal een slechte herhaalbaarheid vertonen doordat het oppervlak ruw is, het onderdeel te dun is, de indruk te dicht bij een rand ligt of de indringer- of krachtverificatie gebrekkig is. Het eerste probleem behoort tot het omrekenmodel; het tweede behoort voornamelijk tot het meetsysteem.

Een onzekerheidsbegroting moet kalibratie, instrumentresolutie, effecten van operator en laboratorium, effecten van oppervlak en geometrie, bemonstering en de residuele variatie van het empirische verband omvatten. Een omgerekend resultaat is dus niet eenvoudigweg “gemeten hardheid ± instrumentonzekerheid”. Het bevat ook onzekerheid die uit de omrekening zelf voortkomt. ISO 18265:2013 specificeert beginselen voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte, en waarschuwt daarbij dat “the converted values are directly applicable only to the exact material tested.” De norm identificeert schattingen van de treksterkte bovendien als de minst betrouwbare omrekeningen.

Bemonstering bepaalt het resultaat vaak in belangrijke mate. Eén hardheidsindruk bemonstert een klein volume, terwijl een trekproefstuk een veel groter en anders georiënteerd volume bemonstert. Verschillende metingen vanaf één gemakkelijk bereikbare oppervlakte vertegenwoordigen geen volledige smeedstukken, platen, lasconstructies of coils. De bemonstering moet smelten, locaties, dikten en oriëntaties omvatten die het productieproces kan voortbrengen. Als een verband uitsluitend op materiaal op de hartlijn is gevalideerd, mag het niet stilzwijgend worden toegepast op oppervlakkig geharde of ontkoolde zones.

Dezelfde voorzichtigheid geldt voor eenvoudige formules. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A identificeerde voor sommige zeer sterke, taaie metallische materialen het benaderende verband $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$. De verhouding tussen hardheid en sterkte hangt echter af van de materiaalklasse, microstructuur en geometrie van de indruk. Wanneer die uitdrukking als een algemene staalvergelijking wordt behandeld, kan dat een nauwkeurig ogend resultaat opleveren zonder een verdedigbare onzekerheidsverklaring.

Wanneer een omrekening ongeschikt is voor acceptatie

Een omrekening is ongeschikt wanneer de specificatie treksterkte vereist en de omrekening niet is gevalideerd voor het exacte product en de exacte toestand. Rechtstreekse trekproeven, uitgevoerd volgens de geldende materiaalnorm, moeten leidend zijn wanneer acceptatie afhankelijk is van vloeigrens, treksterkte, rek, insnoering of een verwante trekeigenschap. Een omgerekende waarde kan procesbewaking, sortering of onderzoek ondersteunen, maar mag de acceptatieproef niet vervangen alleen omdat hardheidsmetingen sneller zijn.

Bijzondere voorzichtigheid is vereist nabij een specificatiegrens. Stel dat een materiaalnorm een minimale treksterkte van treksterkte $R_m$ vereist en een hardheidstabel een ogenschijnlijk exact equivalent oplevert. De tabel zet die minimumwaarde niet om in een exacte hardheidsgrens. Afronding, modelbias, voorspellingsonzekerheid en bemonsteringsvariatie kunnen materiaal over de grens heen brengen. Een hardheidswaarde die marginaal boven de omgerekende drempel ligt, kan daarom nog steeds een betekenisvolle kans hebben om niet aan de rechtstreekse trekeis te voldoen; een waarde die er marginaal onder ligt, bewijst niet noodzakelijk dat het materiaal faalt.

De geldende norm bepaalt ook of omrekening überhaupt is toegestaan. ISO 18265:2013 en ASTM E140-12 geven beginselen of getabelleerde benaderende verbanden, geen algemene toestemming om de ene proef door een andere te vervangen. SAE’s technische rapport uit 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, benadrukt eveneens dat nauwkeurige omrekeningen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en verwerking het verband beïnvloeden.

Acceptatieprocedures moeten aangeven of een gerapporteerd getal gemeten hardheid, omgerekende hardheid of geschatte treksterkte is. Die aanduidingen mogen niet worden samengevoegd. Als een omrekening voor screening op een mogelijke afwijking wijst, moet de voorgeschreven rechtstreekse proef of een goedgekeurd onderzoek worden uitgevoerd. Als trekresultaten niet beschikbaar zijn, rapporteer de omrekening met de bron, het toepassingsgebied voor het materiaal, de onzekerheid en de beperkingen ervan, in plaats van haar als een gegarandeerde trekeigenschap te presenteren.

Veelvoorkomende fouten in hardheidsomrekentabellen

Hardheidsomrekentabellen zijn alleen bruikbaar wanneer de gemeten waarde, het materiaal, de toestand en de beproevingsmethode binnen de grondslag van de tabel vallen. Een omgerekend resultaat is geen tweede meting. Het is een schatting die is afgeleid van een empirische relatie, doorgaans met een spreiding die toeneemt wanneer het materiaal of de beproevingsomstandigheden afwijken van die waarop de relatie is gebaseerd.

ASTM E140-12, Standaardhardheidsomrekentabellen voor metalen, geeft benaderende relaties tussen de schalen van Brinell, Vickers, Rockwell, Oppervlakkige Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb voor gespecificeerde metalen. Het toepassingsgebied omvat homogene koolstofstalen, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstalen, maar de tabellen nemen de verschillen tussen deze klassen niet weg. ASTM vermeldt dat “de omrekeningen worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling” (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 maakt hetzelfde praktische punt: omgerekende waarden zijn alleen rechtstreeks van toepassing op het exact onderzochte materiaal, terwijl schattingen van de treksterkte het minst betrouwbare type omrekening vormen (ISO, 2013).

Gelijkwaardige getallen behandelen alsof ze uitwisselbaar zijn

Een tabelvermelding zoals 40 HRC ≈ 375 HBW betekent niet dat een meting van 40 HRC en een meting van 375 HBW uitwisselbare feiten zijn. De eerste is een gemeten Rockwell C-resultaat, verkregen met een diamantkegel, een gespecificeerde voorbelasting en een gespecificeerde hoofdbelasting. De tweede is een Brinell-waarde die samenhangt met een hardmetalen kogel, een vastgelegde kracht en een indrukkingsdiameter. Het zijn gerelateerde schattingen, geen dubbele waarnemingen.

Dit onderscheid is van belang in inspectierapporten. Als een tekening 35–40 HRC voorschrijft, kan een naar dat interval omgerekend Brinell-resultaat een voorlopige controle ondersteunen, maar het voldoet niet noodzakelijk aan een eis die voor een Rockwell C-proef is opgesteld. De omrekening kan een verschil verhullen dat wordt veroorzaakt door de indrukkingsdiepte, de lokale microstructuur, de toestand van het oppervlak of de spreiding van de proefresultaten. Een directe HRC-meting is het geschikte bewijsmateriaal wanneer Rockwell C als voorgeschreven acceptatiemethode geldt.

De omgekeerde fout komt eveneens vaak voor: een gebruiker rekent HRC om naar HBW buiten het bereik van de tabel en rapporteert het geëxtrapoleerde getal alsof het in de tabel stond. Een relatie die bijvoorbeeld is gekalibreerd tussen 20 en 50 HRC mag niet zonder meer worden doorgetrokken naar een oppervlak van gereedschapsstaal met 62 HRC. Bij hoge hardheden kunnen de mechanica van de indrukking en de hoeveelheid carbiden de relatie sterk veranderen. De eindpunten van een tabel zijn geen exacte grenzen in het materiaal; het zijn de limieten van de gepubliceerde gegevens of de aanbevolen correlatie. Een waarde die net voorbij een eindpunt ligt, is niet automatisch ongeldig, maar wordt door die tabel niet ondersteund en vereist een methode die geschikt is voor het werkelijke hardheidsbereik.

De oorspronkelijke meting moet zichtbaar blijven. “420 HBW omgerekend naar 44 HRC” is wezenlijk beter dan alleen “44 HRC” rapporteren, omdat daarmee wordt aangegeven dat er geen Rockwell-proef is uitgevoerd. Een deugdelijk rapport bevat de gemeten schaal, de omgerekende schaal, de beproevingsnorm, de locatie en de toestand van het materiaal of de warmtebehandeling.

Schalen, eenheden en omstandigheden van het indruklichaam door elkaar halen

Hardheidsaanduidingen bevatten informatie over de proef. De schalen HRC, HRB en Oppervlakkige Rockwell zijn geen onderling uitwisselbare varianten van één Rockwell-getal. Bij HRC wordt een diamantindruklichaam gebruikt en bedraagt de hoofdbelasting 150 kgf; bij HRB wordt doorgaans een kogelindruklichaam gebruikt en bedraagt de hoofdbelasting 100 kgf. Oppervlakkige Rockwell-schalen gebruiken lagere krachten en hebben hun eigen aanduidingen, zoals 30N of 30T. Het weglaten van het achtervoegsel kan een traceerbaar resultaat veranderen in een ambigu resultaat.

Dezelfde waarschuwing geldt voor de Brinell-notatie. HBW duidt op een wolfraamcarbide kogel, terwijl oudere rapporten gebruik kunnen maken van de conventies HB of HBS, die niet dezelfde informatie over het indruklichaam geven. Een Brinell-resultaat hangt bovendien af van de kogeldiameter, de beproevingskracht, de houdtijd en de verhouding tussen kracht en indrukkingsdiameter. Twee waarden die als “HB” zijn genoteerd, zijn mogelijk niet onder gelijkwaardige omstandigheden verkregen.

De Vickers-hardheid, geschreven als HV waarbij de beproevingskracht vaak in de aanduiding wordt opgenomen, is een andere veelvoorkomende bron van fouten. HV is een hardheidsgetal, geen waarde voor de treksterkte. Een bewering zoals “staal met 650 HV heeft een treksterkte van 650 MPa” verwart niet-gerelateerde grootheden en kan aanzienlijk onjuist zijn. Voor sommige zeer sterke, taaie metalen materialen heeft onderzoek de benaderende relatie $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ vastgesteld, maar dezelfde studie meldt dat verhoudingen tussen hardheid en sterkte afhangen van de materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie (Materials Science and Engineering: A, 2012). De uitdrukking is daarom een beperkte empirische benadering en geen omrekeningswet.

Eenheden vormen een andere valkuil. Brinell-hardheid is geen spanningswaarde, ook al bevat de numerieke definitie ervan kracht en oppervlakte. Treksterkte kan worden uitgedrukt in MPa of ksi, terwijl hardheidsschalen dimensieloze proefgetallen zijn met een betekenis die specifiek is voor de betreffende schaal. Een tabel die de treksterkte op basis van HBW schat, moet als een schatting worden aangeduid, waarbij de bron en het materia bereik worden vermeld.

De geometrie kan een verder geschikte schaal ongeschikt maken. Een dunne plaat kan een ten onrechte hoge of lage waarde opleveren wanneer de indruk te diep is of de ondersteuning onvoldoende. Een klein onderdeel, een gekromd oppervlak, een smalle rand of een plaatselijk geharde laag biedt mogelijk niet genoeg materiaal voor de beoogde indruk. Het SAE-rapport Hardheidsproeven en omrekeningen van hardheidsgetallen (1967) vermeldt dat nauwkeurige omrekeningen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en bewerking de relatie beïnvloeden.

Extrapoleren tussen staalsoorten of warmtebehandelingen

De gevaarlijkste fout is geen rekenfout. Het is een ondoordachte materiaalvervanging: een relatie die voor de ene staalsoort is vastgesteld toepassen op een andere omdat beide als “staal” worden aangeduid.

Een correlatie voor koolstofstaal kan redelijk goed werken voor een ongelegeerde koolstofstaalsoort in genormaliseerde toestand en falen voor een hooggelegeerd gereedschapsstaal, een precipitatiehardend roestvast staal of een gecarburiseerd laagkoolstofstaal. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 en AISI 17-4 PH hebben niet één gemeenschappelijke relatie tussen hardheid en treksterkte. Hun gehalte aan legeringselementen, populaties van carbiden of precipitaten, achtergebleven austeniet, korrelgrootte en vervormingsgedrag veranderen zowel het indrukgedrag als het trekgedrag.

Warmtebehandeling kan zelfs binnen één staalsoort doorslaggevend zijn. Afschrikken en ontlaten van AISI 4140, gloeien van AISI 4140 en inductieharden van AISI 4140 kunnen op één locatie dezelfde nominale bulkhardheid opleveren, terwijl ze verschillen in sterkteverdeling, restspanning en bezwijkgedrag. Oppervlakteharding wordt bijzonder gemakkelijk over het hoofd gezien. Carbureren, nitreren, inductieharden en laserharden kunnen een harde laag boven een zachtere kern creëren. Een ondiepe Rockwell- of Vickers-indruk kan de laag meten; een grotere Brinell-indruk kan ook de kern omvatten. Het omrekenen van een van beide resultaten zonder de diepte en locatie vast te leggen, creëert een valse vergelijking.

Onderzoek naar historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen vond een over het algemeen lineaire empirische relatie tussen Brinell-hardheid en parameters van de treksterkte voor staalsoorten in ruwe of genormaliseerde toestand (Materials Today: Proceedings, 2023). Deze bevinding ondersteunt gecontroleerd gebruik binnen een welomschreven populatie van staalsoorten; zij rechtvaardigt niet dat de lijn wordt overgebracht naar gehard gereedschapsstaal of roestvast staal. Een NIST-onderzoek uit 1929 rapporteerde eveneens dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak op basis van Brinell-hardheid kan worden geschat, waarbij de relatie als empirisch en niet als universeel werd beschouwd (NIST, 1929).

Wanneer trekeigenschappen van invloed zijn op het ontwerp, de kwalificatie van lasverbindingen, de beoordeling van breuk of de acceptatie, zijn een directe trekproef of een gevalideerde correlatie die specifiek is voor de staalsoort en de toestand vereist. De tabel moet het oordeel ondersteunen en niet de proef vervangen waarvan de beslissing daadwerkelijk afhankelijk is.

Hardheid en omgerekende eigenschappen correct rapporteren

Hardheidsgegevens moeten eerst weergeven wat daadwerkelijk is gemeten, voordat een eventuele omrekening wordt vermeld. Een hardheidsgetal zonder schaal, methode en testconditie is onvolledig: “hardheid 42” kan 42 HRC, 42 HRB, 42 HV of 42 HBW betekenen, en die waarden beschrijven niet dezelfde materiaalrespons. Het rapport moet ook duidelijk maken of het getal afkomstig is van een indruktest, een gepubliceerde omrekentabel of een schatting op basis van een empirische sterkte-relatie.

Registreer eerst het oorspronkelijke testresultaat

De eerste waarde in een rapport moet het gemeten resultaat in de oorspronkelijke schaal en aanduiding zijn. Bijvoorbeeld:

> Gemeten hardheid: 58 HRC, ASTM E18, AISI 4140-staal, gehard en ontlaten bij 540 °C; testlocatie: halverwege de straal, 10 mm onder het machinaal bewerkte oppervlak; oppervlak geslepen; gekalibreerde Rockwell-hardheidsmeter, hoofdbelasting 150 kgf.

Deze verklaring identificeert een resultaat dat met een Rockwell-test is verkregen. Het resultaat wordt niet stilzwijgend vervangen door een Brinell- of Vickers-getal. Als meerdere indrukken zijn gemaakt, rapporteer dan de afzonderlijke aflezingen of het gemiddelde en de spreiding, bijvoorbeeld 58, 59, 58 HRC; gemiddelde 58,3 HRC, spreiding 1 HRC. Het aantal indrukken en de onderlinge afstand kunnen van belang zijn wanneer het materiaal een gradiënt, grove microstructuur, ontkoling of plaatselijke warmtebehandeling heeft.

Het rapport moet de staalsoort waar mogelijk exact identificeren volgens de toepasselijke materiaalnorm. “4140” is minder nauwkeurig dan SAE J404 Grade 4140, en “roestvast staal” is geen adequate kwaliteitsbeschrijving wanneer het materiaal UNS S30400, AISI 304 of een andere gespecificeerde aanduiding heeft. Registreer de toestand na warmtebehandeling: gegloeid, genormaliseerd, gehard en ontlaten, gecarburiseerd, genitreerd of in de leveringstoestand. Een hardheidsmeting van een genitreerde laag is niet uitwisselbaar met een meting in de kern.

Geometrie hoort in de registratie te worden opgenomen, omdat dunne doorsneden, kleine onderdelen, gebogen oppervlakken en proefstukken met een geringe massa de resultaten van een indruktest kunnen vertekenen. Vermeld de dikte, diameter, afstand tot een rand en of de test op een vlak of gebogen oppervlak is uitgevoerd. Ook de oppervlaktevoorbereiding is van belang. Vermeld bewerking, slijpen, polijsten, verwijderen van een coating en eventuele zichtbare walshuid of ontkoolde laag. Een Rockwell-, Brinell-, Vickers-, Knoop- of Leeb-resultaat moet het instrument of ten minste de testmethode, belasting, indenter en relevante norm vermelden.

Vermeld de norm en de basis van de omrekening

Een omgerekende waarde moet volgen op de oorspronkelijke meting en deze niet vervangen. Bijvoorbeeld:

> Gemeten: 58 HRC, ASTM E18. Omgerekend: ongeveer Rockwell-equivalente 615 HV volgens ASTM E140-12, Tabel [toepasselijke tabel], voor het gespecificeerde staalbereik; de omrekening is bij benadering en is geen afzonderlijke Vickers-meting.

Het tabelnummer of de vergelijking moet worden geregistreerd wanneer de bron deze vermeldt. Als de software het resultaat heeft geleverd, vermeld dan de software, database, revisie en geselecteerde materia categorie. “Omgerekend naar 615 HV” is onvoldoende, omdat verschillende tabellen verschillende resultaten kunnen opleveren, vooral nabij de uiteinden van de vermelde bereiken.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, verschaft benaderende relaties tussen Brinell-, Vickers-, Rockwell-, superficial-Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-schalen voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, legerings- en gereedschapsstalen. ASTM vermeldt dat “de omrekeningen worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling” (ASTM International, 2012). Die beperking maakt deel uit van het resultaat. Zij moet in tekeningen, inspectieregistraties en certificaten worden behouden en niet voor het gemak van de presentatie worden verwijderd.

ISO 18265:2013 stelt beginselen vast voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte. De waarschuwing daarin is strenger dan veel korte omrekentabellen suggereren: omgerekende waarden zijn rechtstreeks alleen van toepassing op het exact geteste materiaal, en schattingen van de treksterkte zijn de minst betrouwbare omrekeningen (International Organization for Standardization, 2013). Een rapport moet de basis van de omrekening daarom expliciet vermelden:

> Basis: ISO 18265:2013, omrekentabel voor staal, benaderende waarde; toepasbaarheid beperkt tot de geteste staalsoort en toestand.

ASTM E140 en ISO 18265 vormen geen toestemming om elke combinatie van schalen om te rekenen. Hun tabellen hebben materia alcategorieën, bereiken en beperkingen voor de testmethode. Een omrekening buiten deze beperkingen moet als niet-onderbouwd worden gemarkeerd of worden weggelaten.

Scheid gemeten, omgerekende en geschatte waarden

Gebruik afzonderlijke labels voor drie verschillende soorten informatie:

> Gemeten hardheid: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Omgerekende hardheid: ongeveer 22 HRC, ISO 18265:2013, toepasselijke staal tabel. > Geschatte treksterkte: ongeveer 760 MPa, empirische hardheid-sterkte-relatie; niet gemeten met een trektest.

De derde waarde mag nooit worden gepresenteerd als treksterkte: 760 MPa, tenzij deze door een trektest is verkregen. ISO 18265 identificeert schattingen van de treksterkte als de minst betrouwbare omrekeningen. De NIST-studie naar empirische Rockwell-Brinell-relaties, gepubliceerd in 1929, stelde vast dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak uit de Brinell-hardheid kan worden geschat, maar deze bevinding beschrijft een empirisch hulpmiddel en geen universele wet. Rechtstreekse trekproeven blijven noodzakelijk wanneer een ontwerpberekening, materiaalcertificering, onderzoek naar bezwijken of acceptatiebeslissing afhankelijk is van de vloeigrens, ultieme treksterkte, rek of insnoering.

Sommige relaties zijn alleen bruikbaar binnen een gespecificeerde materiaalklasse. Een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A identificeerde de benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS voor sommige sterke, ductiele metalen. De verhouding verandert met de materiaalklasse, microstructuur en indrukmorfologie; zij mag niet automatisch worden toegepast op ferritisch-perlitisch ASTM A36, gehard en ontlaten SAE J404 Grade 4140, martensitisch roestvast staal of een genitreerd oppervlak. Een studie uit 2023 naar historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen vond een over het algemeen lineaire empirische relatie tussen Brinell-hardheid en treksterkteparameters in ruw of genormaliseerd materiaal. Dat resultaat stelt niet dezelfde lijn vast voor gehard en ontlaten, koudvervormd, gecarburiseerd of precipitatiegehard staal.

Een volledige registratie kan daarom als volgt luiden:

> Materiaal: SAE J404 Grade 4140, gehard en ontlaten bij 540 °C; staaf van 40 mm, test halverwege de straal; geslepen oppervlak. Gemeten: 31 HRC, ASTM E18, gekalibreerde Rockwell-hardheidsmeter. Omgerekend: ongeveer 295 HBW, ASTM E140-12, toepasselijke tabel voor gelegeerd staal; uitsluitend bij benadering. Geschatte treksterkte: ongeveer [waarde] MPa volgens [benoemde vergelijking of tabel]; uitsluitend een schatting, geen resultaat van een trektest.

Dit format bewaart het bewijsmateriaal, de aannames en de beperkingen van de omrekening. Het stelt een latere beoordelaar ook in staat te bepalen of een rechtstreekse test vereist is, in plaats van een praktisch equivalent getal ten onrechte aan te zien voor een nieuwe meting.

Uitgewerkte metallurgische vergelijkingen zonder schijnprecisie

Een hardheidsconversie wordt misleidend wanneer het getal wordt opgevat als de identiteit van een materiaal, in plaats van als het resultaat van een specifieke test op staal in een specifieke toestand. Een Brinell-waarde die is gemeten op een gezond, homogeen gedeelte kan binnen een gecontroleerde groep genormaliseerde staalsoorten redelijk correleren met de treksterkte. Dezelfde numerieke hardheid van een geharde en ontlaten staalsoort, of van de gecarboneerde laag van een gecarburiseerd onderdeel, heeft niet dezelfde betekenis.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, geeft benaderende verbanden tussen de schalen van Brinell, Vickers, Rockwell, superficial Rockwell, Knoop, Scleroscope en Leeb voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstaalsoorten. ASTM stelt rechtstreeks dat “the conversions are affected by alloy, grain structure, and heat treatment” (ASTM International, 2012). Die beperking is van toepassing op elk van de onderstaande vergelijkingen.

Genormaliseerd ongelegeerd constructiestaal

Genormaliseerd ongelegeerd constructiestaal is het geval waarin een verband tussen Brinell-hardheid en sterkte relatief consistent kan zijn. Denk aan een staalsoort zoals ASTM A36, of aan een staalsoort volgens EN 10025-2 zoals S275JR, mits het materiaal daadwerkelijk verkeert in een genormaliseerde of gelijkwaardige fijnkorrelige toestand en het geteste gedeelte voldoende homogeen is. Normaliseren verfijnt en homogeniseert de ferriet-perlietstructuur door het staal boven het kritische gebied te verhitten en in lucht af te koelen. Hierdoor wordt niet elke charge staal identiek, maar bepaalde variaties in de toestand die de interpretatie van de hardheid bemoeilijken, worden wel verminderd.

Bij deze materiaalklasse bemonstert de Brinell-hardheidsmeting met een kogelindrukking een relatief groot volume. Het resultaat middelt daardoor ferriet, perliet, insluitsels en lokale variaties effectiever uit dan een zeer kleine microhardheidsindruk. Als het koolstofgehalte, mangaangehalte, de korrelgrootte, de dikte en de verwerkingsgeschiedenis binnen een beperkte populatie blijven, zal een toenemende Brinell-hardheid over het algemeen samengaan met een toenemende rekgrens en treksterkte. Een studie uit 2023 in Materials Today: Proceedings vond een over het algemeen lineair empirisch verband tussen Brinell-hardheid en parameters voor de treksterkte van historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestaalsoorten in de ruwe of genormaliseerde toestand (Materials Today: Proceedings, 2023).

“Over het algemeen lineair” betekent niet dat uit één enkele indrukking een gegarandeerde treksterkte mag worden berekend. Het beschrijft een gefit verband voor een bepaalde materiaalverzameling. Zelfs binnen S275JR of ASTM A36 kunnen verschillen in plaatdikte, deoxidatiemethode, fosfor- en zwavelgehalte, walsgeschiedenis en lokale segregatie het resultaat verschuiven. Een hardheidswaarde die uit een door warmte beïnvloede zone van een las is verkregen, is niet uitwisselbaar met een waarde die uit de moedermateriaalplaat is verkregen.

De oudere NIST-studie naar empirische verbanden tussen Rockwell- en Brinell-hardheid kwam tot een praktisch standpunt dat nog steeds bruikbaar is: de treksterkte van staal kan voor commerciële doeleinden vaak worden geschat op basis van de Brinell-hardheid, maar de schatting is empirisch en geen universele wet (NIST, 1929). Een conversietabel kan dus helpen bij het beoordelen van de materiaaluniformiteit of bij procesbeheersing wanneer de staalfamilie en de toestand overeenkomen met die van de tabel. De tabel kan een trekproef echter niet vervangen wanneer een gespecificeerde rekgrens, treksterkte, rek of acceptatiecriterium van belang is.

Gehard en ontlaten gelegeerd staal

Gehard en ontlaten gelegeerd staal brengt de zwakke punten van een brede hardheidsconversie duidelijker aan het licht. SAE 4140 en EN 10083-3 42CrMo4 kunnen beide worden omschreven als chroom-molybdeenstaal, maar hun verband tussen hardheid en sterkte hangt sterk af van de austenitiseermethode, de hardheid van het afschrikmedium, de ontlaattemperatuur, de houdtijd en de doorsnedeafmetingen. Dezelfde nominale staalsoort kan nabij een afgeschrikt oppervlak ontlaten martensiet bevatten, op een tussenliggende positie een mengsel van bainiet en martensiet, en naar het midden van een grote staaf toe een zachtere transformatiestructuur.

De ontlaatconditie is van belang omdat hardheid en trekgedrag niet gedurende het volledige ontlaatbereik precies evenredig veranderen. Martensiet dat bij lage temperatuur is ontlaten, kan een hoge hardheid behouden maar een beperkte taaiheid hebben; ontlaten bij hogere temperatuur verlaagt de hardheid, terwijl de rekbaarheid verbetert en restspanningen worden verminderd. Secundaire hardingsreacties, carbideprecipitatie, achtergebleven austeniet en ontlaatbrosheid kunnen een eenvoudige relatie tussen één hardheidsgetal en sterkte verder verstoren. Een conversie van HRC naar HB kan als benadering van de schaal aanvaardbaar zijn voor een homogeen proefstuk, terwijl een op die omgerekende HB-waarde gebaseerde schatting van de treksterkte aanzienlijk grotere onzekerheid kan hebben.

De doorsnedeafmetingen zijn even belangrijk. Een klein 42CrMo4-proefstuk kan door de volledige doorsnede harden, terwijl een grote gesmede as met dezelfde aanduiding een hardheidsgradiënt kan ontwikkelen omdat de kern langzamer afkoelt. Door het oppervlak te testen en dat resultaat aan de volledige doorsnede toe te schrijven, kan de kernsterkte worden overschat. Het SAE-technical report Hardness Tests and Hardness Number Conversions stelt dat nauwkeurige conversies moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, aangezien afmetingen, massa, samenstelling en verwerking het verband beïnvloeden (SAE International, 1967).

De benaderende relatie Hᵥ ≈ 3σUTS, die in een studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A voor sommige zeer sterke, ductiele metalen materialen wordt gerapporteerd, illustreert het gevaar van het toepassen van een bruikbare correlatie buiten de materiaalklasse waarvoor deze is vastgesteld. De studie vermeldt ook dat de verhouding tussen hardheid en sterkte afhankelijk is van de materiaalklasse, de microstructuur en de geometrie van de indrukking (Materials Science and Engineering: A, 2012). Deze relatie mag niet als algemene regel worden toegepast op iedere toestand van 4140, en al helemaal niet op een conversieketen waarbij meerdere hardheidsschalen betrokken zijn.

Oppervlaktegehard staal met een zachte kern

Een gecarburiseerd stalen onderdeel maakt het bijzonder riskant om hardheid in de plaats van treksterkte te gebruiken. Neem SAE 8620 of EN 10084 20MnCr5 na carbureren, afschrikken en ontlaten. Door de verrijking met koolstof ontstaat een harde martensitische laag, terwijl de koolstofarme kern veel taaier en aanzienlijk zachter blijft. Het onderdeel heeft daardoor geen enkele hardheidswaarde die de volledige mechanische toestand ervan vertegenwoordigt.

Een Rockwell C-meting op de laag geeft de weerstand van een ondiepe oppervlaktelaag weer. Zij zegt weinig over de rekgrens, treksterkte, rek of het breukgedrag van de kern. Als de laag dun is ten opzichte van de indringdiepte of als de testbelasting de overgangszone bereikt, kan de gemeten waarde door het zachte substraat worden verlaagd. Een superficial Rockwell- of Vickers-test kan de laag beter onderscheiden, maar karakteriseert nog steeds alleen de geteste laag en niet het massieve materiaal. Microhardheidsprofielen kunnen de hardheid vanaf het oppervlak tot in de kern in kaart brengen; daarmee kan echter niet zelfstandig een trekspannings-rekdiagram worden vastgesteld.

Dit onderscheid heeft ook gevolgen voor de bemonstering. Door vóór een Brinell-test de laag weg te slijpen, kan een betekenisvolle kernhardheid worden verkregen, maar dat resultaat moet als een kernmeting worden gerapporteerd. Als de laag intact blijft en een oppervlaktemeting wordt uitgevoerd, levert dat een laagresultaat op. Door een van beide waarden “de hardheid van het onderdeel” te noemen, wordt de eigenschapsgradiënt verhuld.

ISO 18265:2013 specificeert beginselen voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte, maar stelt dat omgerekende waarden rechtstreeks alleen van toepassing zijn op het exact geteste materiaal en merkt schattingen van de treksterkte aan als de minst betrouwbare conversies (ISO, 2013). Een gecarburiseerde tand van SAE 8620 is niet het exacte homogene materiaal dat door een conversietabel voor koolstofstaal wordt vertegenwoordigd. ASTM E140-12 kan de HRC-waarde van de laag daarom niet omzetten in een verdedigbare waarde voor de treksterkte van het massieve materiaal.

Voor een ontwerp- of acceptatiebeslissing bestaat de juiste aanpak erin de te verifiëren eigenschap vast te leggen: laaghardheid, effectieve laagdiepte, kernhardheid of trekeigenschappen van een afzonderlijk geprepareerd proefstuk. Directe trekproeven, metallografisch onderzoek en hardheidsprofielen over de diepte beantwoorden verschillende vragen. Een omgerekend getal beantwoordt alleen de beperkte vraag die door de toepasselijke materiaalspecifieke correlatie wordt ondersteund.

Een praktische workflow voor referentiedoeleinden

De omzetting van hardheidswaarden moet beginnen met een beslissing over de eigenschap die daadwerkelijk nodig is. Een gemeten hardheidswaarde beschrijft de respons van een specifiek oppervlak, een specifieke locatie, indruklichaam en testkracht. Een omgerekende hardheidswaarde is een schatting op een andere hardheidsschaal. Een geschatte treksterkte is een verdere afleiding en is doorgaans minder betrouwbaar dan een omzetting tussen hardheidsschalen. Deze drie resultaten mogen niet worden gerapporteerd alsof ze onderling uitwisselbaar zijn.

Voor het testen

Definieer de technische vraag voordat u de test selecteert. Als de vereiste eigenschap de slijtvastheid van het oppervlak, de diepte van de geharde laag, de lokale uniformiteit van de warmtebehandeling of een waarde voor productiecontrole is, kan hardheid de geschikte directe eigenschap zijn. Als de vereiste eigenschap de vloeigrens, de ultieme treksterkte, de rek, het breukgedrag of de materiaalcertificering is, is hardheid slechts een mogelijke screeningsmeting. Een trekproef is de directe methode voor trekeigenschappen.

Identificeer de staalsoort en de toestand van het product zo nauwkeurig als de beschikbare documentatie toelaat. “Koolstofstaal” is niet voldoende. Leg de aanduiding vast, zoals ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 of EN 1.2379, samen met de productvorm, de doorsnedeafmetingen, de warmtebehandeling, het ontlaten, de koudvervorming en de oppervlaktebehandeling. Een 4140-monster dat is afgeschrikt en ontlaten bij 540 °C heeft niet dezelfde relatie tussen hardheid en sterkte als gegloeid 4140, ook al worden beide als 4140 aangeduid. Een gecarburiseerd oppervlak, een ontkolingslaag, een warmte-beïnvloede zone van een las en een genormaliseerde plaat kunnen elk een verschillend meetplan vereisen.

Selecteer de schaal op basis van de geometrie en de verwachte hardheid, niet op basis van gemak. Brinell is bruikbaar voor veel grotere, relatief uniforme doorsneden, maar de kogelindruk vereist voldoende materiaaldikte en voldoende afstand tot randen of aangrenzende indrukken. Rockwell is sneller en laat een kleinere indruk achter, terwijl oppervlakkige Rockwell-schalen geschikt zijn voor dunnere doorsneden of ondiepe geharde lagen. Microhardheidsmetingen volgens Vickers en Knoop kunnen kleine gebieden, gradiënten en afzonderlijke fasen onderscheiden, maar de oppervlaktevoorbereiding en de techniek van de uitvoerder worden daarbij belangrijker. Methoden volgens Leeb en Scleroscope zijn draagbaar en bruikbaar onder geschikte omstandigheden in het veld, maar hun waarden zijn sterk afhankelijk van massa, ondersteuning, oriëntatie, oppervlaktetoestand en de instelling van het instrument.

Lees de toepasselijke testnorm voordat u de indruk maakt. ASTM E10 is van toepassing op Brinell-hardheidstests, ASTM E18 op Rockwell-hardheidstests en ASTM E384 op micro-indentatiehardheidstests; de relevante ISO-methode kan ook worden voorgeschreven door de tekening of de materiaalnorm. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, bevat benaderende relaties tussen Brinell-, Vickers-, Rockwell-, oppervlakkige Rockwell-, Knoop-, Scleroscope- en Leeb-waarden voor gespecificeerde metalen, waaronder homogene koolstof-, gelegeerde en gereedschapsstalen. De norm maakt de ene schaal niet tot een universele vervanging voor een andere.

Plan de voorbereiding van het proefstuk. Verwijder walshuid, roest, verf en bramen zonder de warmtebehandelde laag te veranderen door slijpen of overmatig polijsten. Het testoppervlak moet vlak, schoon en voldoende glad zijn voor de geselecteerde methode. Ondersteun het proefstuk stevig. Een dunne plaat die onder het indruklichaam doorbuigt, kan een misleidend lage waarde opleveren, terwijl een gebogen of slecht ondersteund onderdeel het resultaat in beide richtingen kan beïnvloeden.

Tijdens de meting

Controleer het instrument met de vereiste referentieblokken of volgens de verificatieprocedure en registreer de identificatie van de machine, het type indruklichaam, de kracht, de houdtijd, de temperatuur en de testlocatie. Combineer schalen of belastingen niet ongemerkt. “HRC” en “HRB” zijn verschillende Rockwell-schalen en geen onderling uitwisselbare aanduidingen; “HV10” en “HV0.2” gebruiken verschillende testkrachten en kunnen verschillende microstructurele volumes bemonsteren.

Plaats indrukken op de door de testnorm vereiste afstand van randen, gaten, lasgrenzen en eerdere indrukken. Breng bij een gehard onderdeel de afstand vanaf het oppervlak in kaart in plaats van één gemakkelijke meting uit te voeren. Bij een gesegregeerd, gebandeerd of meerfasig staal kunnen meerdere indrukken nodig zijn om werkelijke variatie te onderscheiden van meetspreiding.

Herhaal de metingen. Drie metingen kunnen toereikend zijn voor een uniform laboratoriummonster, terwijl voor een gelaste verbinding, dunne coating, gradiënt of groot smeedstuk een groter meetraster nodig kan zijn. Het zonder gedocumenteerde regel afwijzen van een ongunstige meting is onzorgvuldig. Rapporteer de afzonderlijke waarden, het gemiddelde, het bereik of de standaardafwijking en eventuele uitsluitingen met de redenen daarvoor. Als herhaalde indrukken materieel van elkaar verschillen, onderzoek dan de toestand van het oppervlak, de ondersteuning, de schaalkeuze, de microstructuur en de techniek van de uitvoerder voordat u iets omrekent.

Het gemeten resultaat moet zijn oorspronkelijke identiteit behouden: bijvoorbeeld 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 of 310 HV10. Een omzetting moet afzonderlijk worden geschreven, bijvoorbeeld: “ongeveer 22 HRC, omgerekend uit 235 HBW volgens ASTM E140-12.” Zo wordt voorkomen dat een tabelwaarde wordt aangezien voor een tweede meting.

Na de omzetting

Gebruik een omzettabel die past bij de staalfamilie en het gemeten bereik. ASTM E140-12 vermeldt dat “de omzettingen worden beïnvloed door legering, korrelstructuur en warmtebehandeling” (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 specificeert beginselen voor het omrekenen van hardheidswaarden tussen schalen en voor het schatten van de treksterkte, maar stelt dat omgerekende waarden rechtstreeks alleen toepasbaar zijn op het exact geteste materiaal; de norm identificeert schattingen van de treksterkte bovendien als de minst betrouwbare omzettingen (ISO, 2013). Een tabelwaarde buiten het vermelde bereik wordt niet betrouwbaarder door extra decimalen.

Behandel schattingen van de treksterkte als screeningsresultaten. Een NIST-onderzoek uit 1929 rapporteerde dat de treksterkte van staal voor commerciële doeleinden vaak kan worden geschat aan de hand van de Brinell-hardheid, op basis van empirische relaties tussen Rockwell en Brinell (NIST, 1929). Die bevinding ondersteunt een praktische correlatie, geen universele wet. Het SAE-rapport uit 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, legt eveneens uit dat nauwkeurige omzettingen moeten worden ontwikkeld voor de specifieke staalsamenstelling, warmtebehandeling en het specifieke onderdeel, omdat afmetingen, massa, samenstelling en verwerking de relatie beïnvloeden.

De benaderende relatie $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ is gerapporteerd voor bepaalde zeer sterke, ductiele metalen materialen, maar de studie uit 2012 in Materials Science and Engineering: A bracht de verhoudingen tussen hardheid en sterkte in verband met materiaalklasse, microstructuur en de morfologie van de indruk (Materials Science and Engineering: A, 2012). Deze relatie mag niet automatisch worden toegepast op ferritisch-perlitische plaat, martensitisch gereedschapsstaal, precipitatiegehard roestvast staal of een oppervlaktelaag. Evenzo vond een studie uit 2023 een over het algemeen lineaire relatie tussen Brinell-hardheid en treksterkte voor historische en hedendaagse ongelegeerde constructiestalen in ruwe of genormaliseerde toestand, maar niet voor elke legering of warmtebehandelingstoestand (Materials Today: Proceedings, 2023).

Leg de bron van de tabel, de editie, de oorspronkelijke schaal, de omgerekende schaal, de staalaanduiding, de toestand, de testlocatie, het aantal metingen en de onzekerheid vast. Vermeld of de waarde gemeten, omgerekend of geschat is. Neem beperkingen op, zoals effecten van dunne doorsneden, oppervlaktegradiënten, een onbekende warmtebehandeling, de kalibratiestatus en de vraag of het staal buiten de brongegevens valt.

De technische workflow is daarom: definieer de vereiste eigenschap; selecteer waar mogelijk een geldige directe test; verifieer de staalsoort en de toestand; bereid het proefstuk voor en ondersteun het; voer herhaalde metingen uit; raadpleeg de relevante omzettingsnorm; leg onzekerheid en beperkingen vast; en schakel over op directe trekproeven wanneer het resultaat gevolgen heeft voor het ontwerp, de certificering of de materiaalacceptatie.

Bronnen

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