Преобразование показателей твёрдости и взаимосвязь свойств стали

Что на самом деле означает пересчёт твёрдости

Пересчёт твёрдости представляет собой эмпирическое соответствие между шкалами испытаний. Он не изменяет материал, не воспроизводит исходный отпечаток и не раскрывает скрытое «истинное» значение твёрдости. Если твёрдость стали определена по методу Бринелля и указана как 210 HBW, это число получено с использованием заданного индентора, усилия, времени выдержки и измерения отпечатка. Если тот же результат по таблице пересчёта указан приблизительно как 21 HRC, испытание по Роквеллу не проводилось. Значение HRC выведено на основании взаимосвязи, установленной для сопоставимых материалов и условий испытаний.

Это различие важно, поскольку шкалы твёрдости измеряют связанные, но разные характеристики отклика материала. Твёрдость по Бринеллю определяется по диаметру относительно крупного отпечатка, полученного твердосплавным шариком. При измерении твёрдости по Виккерсу используется алмазная пирамида, а твёрдость рассчитывается по приложенному усилию и длинам двух диагоналей отпечатка. Твёрдость по Роквеллу определяется по глубине отпечатка при заданных предварительном и общем усилиях; в шкале HRC используется алмазный конус и общее усилие 150 кгс. Эти числа не являются разными единицами одной универсальной физической величины.

Измеренная и пересчитанная твёрдость

Измеренное значение связано с фактически проведённым испытанием. В лабораторном отчёте с указанием 210 HBW 10/3000 обозначены шкала Бринелля, твердосплавный шарик диаметром 10 мм и номинальное усилие 3000 кгс. Обозначение «500 HV10» указывает на испытание по Виккерсу при усилии 10 кгс. Обозначение «32 HRC» указывает на результат испытания по шкале Роквелла C, полученный в условиях, предписанных для этой шкалы. Суффиксы и сведения об испытании являются частью результата, а не необязательным дополнением.

Преобразованную твёрдость следует указывать отдельно от непосредственно измеренной по шкале. Strong evidence

Пересчитанное значение следует обозначать как таковое. Например, запись «210 HBW, приблизительно 21 HRC по ASTM E140-12» сообщает два отдельных факта: первое значение было измерено, а второе получено путём считывания из принятой корреляционной таблицы или рассчитано на её основе. Указание только «21 HRC» может создать впечатление, что это значение было измерено непосредственно, что вводит в заблуждение, если на результат могли повлиять состояние поверхности, толщина сечения или выбор шкалы.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Стандартные таблицы пересчёта твёрдости для металлов, устанавливает приблизительные соотношения между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для определённых металлов. Его таблицы включают однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали, однако наличие категории сталей не означает взаимозаменяемость любых марок. ASTM указывает, что «на пересчёт влияют легирование, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012). Закалённая и отпущенная сталь 4140, нормализованная сталь AISI 1020 и наклёпанная нержавеющая сталь 301 могут демонстрировать разные соотношения, даже если их показания по одной шкале схожи.

Геометрия также влияет на допустимость измерения ещё до попытки пересчёта. При испытании тонкого листа по Бринеллю или Виккерсу может чрезмерно проявляться влияние противоположной поверхности. На изогнутой детали может образоваться искажённый отпечаток или может быть неправильно интерпретирована глубина по Роквеллу. Небольшой отпечаток, расположенный вблизи края, другого отпечатка, сварного шва или обезуглероженной поверхности, может не характеризовать основной объём материала. Пересчёт не способен исправить неправильно выбранное или недействительное место испытания.

Таблицы пересчёта, корреляции и оценки

Таблица пересчёта представляет собой аппроксимированное обобщение результатов испытаний, обычно разделённое по группам материалов и диапазонам твёрдости. Она не является математическим тождеством между шкалами. В пределах диапазона, использованного для построения таблицы, средняя разница между измеренными по разным шкалам значениями может быть небольшой; за пределами этого диапазона погрешность может резко возрастать. Интерполяция в пределах указанного диапазона, как правило, более обоснованна, чем экстраполяция за его пределы.

Уравнения выражают тот же тип взаимосвязи в другой форме. Корреляция может быть линейной в ограниченном диапазоне, полиномиальной или основанной на регрессионной модели, построенной для определённой совокупности сталей. Коэффициенты описывают именно эту совокупность. Они не устанавливают физический закон, применимый ко всем сталям. Разброс может быть обусловлен геометрией индентора, упругим восстановлением, пластическим течением, анизотропией, подготовкой поверхности и вариациями микроструктуры.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265 ограничивает непосредственную применимость преобразованных значений точно тем материалом, который был испытан, и считает оценки предела прочности при растяжении наименее надёжными. Strong evidence

ISO 18265:2013, Металлические материалы — Пересчёт значений твёрдости, устанавливает принципы пересчёта значений твёрдости между шкалами и оценки прочности на растяжение. В стандарте предупреждается, что «пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно испытанному материалу», а оценки прочности на растяжение относятся к наименее надёжным видам пересчёта (International Organization for Standardization, 2013). Это предупреждение задаёт правильную иерархию достоверности: непосредственный результат измерения твёрдости является наиболее надёжным, пересчёт в другую шкалу твёрдости — менее определённым, а оценка прочности на растяжение — ещё менее надёжной.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

Более раннее исследование NIST эмпирических соотношений между шкалами Роквелла и Бринелля, опубликованное в 1929 году, показало, что прочность стали на растяжение во многих случаях можно оценивать по твёрдости по Бринеллю в коммерческих целях. Оговорка «в коммерческих целях» имеет важное значение. Такой подход подходит для предварительного контроля, проверки технологического процесса и приблизительного сравнения материалов, но не заменяет испытание на растяжение, если от предела текучести, временного сопротивления, удлинения или относительного сужения зависят требования стандарта, расчёт конструкции, расследование разрушения или решение о приёмке.

Приближённая взаимосвязь Hᵥ ≈ 3σUTS применима только к некоторым высокопрочным пластичным металлическим материалам. Limited evidence

Часто приводится соотношение Hᵥ ≈ 3σUTS для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов, причём твёрдость должна быть выражена в совместимых единицах напряжения. Исследование, опубликованное в Materials Science and Engineering: A в 2012 году, связало эту аппроксимацию с определёнными классами материалов и также показало, что отношения твёрдости к прочности зависят от микроструктуры и морфологии отпечатка. Поэтому данное выражение следует рассматривать как оценку, применимую к конкретному классу материалов, а не как правило пересчёта для любой углеродистой или легированной стали.

Почему одно число не может характеризовать любую сталь

Марка стали описывает химический состав и требования стандарта, но не определяет единственное механическое состояние материала. Сталь AISI 1045 может поставляться в горячекатаном, нормализованном, отожжённом, закалённом и отпущенном или поверхностно упрочнённом состоянии. Каждое состояние изменяет распределение фаз, размер зерна, остаточные напряжения и характер деформации. Поэтому одна и та же номинальная марка может иметь разные соотношения между твёрдостью и прочностью. Измерение на поверхности цементированной стали 8620 может характеризовать мартенситный слой, тогда как измерение на большей глубине — сердцевину с более низким содержанием углерода; одно пересчитанное число не может описывать обе зоны.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

В техническом отчёте SAE Испытания на твёрдость и пересчёт чисел твёрдости (1967) указано, что точные соотношения должны разрабатываться для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку на взаимосвязь влияют размер, масса, состав и технология изготовления. Это особенно актуально для сварных конструкций, поковок, зон термического влияния и компонентов с выраженными температурными градиентами.

В исследовании, опубликованном в Materials Today: Proceedings в 2023 году, была выявлена в целом линейная эмпирическая взаимосвязь между твёрдостью по Бринеллю и параметрами прочности на растяжение для исторических и современных нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат ценен именно тем, что его границы применения определены. Его не следует без проверки переносить на закалённую и отпущенную инструментальную сталь, дисперсионно-твердеющую нержавеющую сталь, бейнитный листовой прокат или изделие, подвергнутое интенсивной холодной деформации.

Практическое правило просто: пересчёт имеет смысл только в пределах семейства материалов, состояния, диапазона испытаний и геометрии, для которых была разработана соответствующая взаимосвязь. Если решение зависит от свойств при растяжении, следует провести испытание на растяжение. Если пересчитанное значение твёрдости необходимо указать в отчёте, следует сохранить непосредственно измеренную шкалу, обозначить стандарт или уравнение пересчёта, указать состояние материала и диапазон применимости, а также пометить результат как приблизительный.

Шкалы твёрдости, применяемые для стали

Динамическая твёрдость по отскокуДинамическая твёрдость по отскоку Твёрдость, выведенная из отношения скоростей удара и отскока, а не из статического отпечатка.

Твёрдость стали указывают по нескольким шкалам, поскольку ни один метод испытаний не подходит для каждого сечения, поверхности или микроструктуры. Результат может быть получен при крупном статическом вдавливании, малом отпечатке алмазного индентора или динамическом ударе с последующим отскоком. По определению такие измерения не являются взаимозаменяемыми. Значение, измеренное по шкале HRC, не представляет собой ту же физическую величину, что и значение, указанное по шкале HBW, даже если таблица пересчёта относит их к приблизительно эквивалентным числам.

Выбор шкалы зависит от предполагаемой твёрдости, толщины сечения, состояния поверхности, опоры под местом испытания и наличия в стали локальных градиентов, обусловленных цементацией, азотированием, сваркой или отпуском. Тонкая деталь может прогибаться или пластически деформироваться под действием крупного индентора. Шероховатая поверхность может вносить погрешность при измерении небольшой глубины. Если отпечаток слишком велик, микроскопически тонкий упрочнённый слой может быть усреднён вместе с его более мягкой сердцевиной.

Твёрдость по Бринеллю: HBW и крупные отпечатки

Метод Бринелля заключается во вдавливании твёрдого шарика в сталь с заданной силой и последующем измерении диаметра постоянного, приблизительно круглого отпечатка. В современных обозначениях используется HBW, где буква W указывает на шарик из карбида вольфрама. Полный результат может быть записан, например, как 220 HBW 10/3000, что означает твёрдость по Бринеллю 220, полученную с шариком диаметром 10 мм и номинальной силой 3000 kgf. Метод испытаний регламентирован стандартом ASTM E10; в ISO 6506 используется тот же основной принцип.

Обычные шарики Бринелля имеют диаметр 1, 2,5, 5 или 10 мм. Прилагаемую силу выбирают с учётом диаметра шарика и материала; при испытании стали обычно применяют такие силы, как 500, 1500 и 3000 kgf. Испытательная машина поддерживает силу в течение заданного времени выдержки, после чего оператор или оптическая система измеряет диаметр отпечатка. Значение HBW рассчитывают по силе, диаметру шарика и диаметру отпечатка, а не только по глубине вдавливания.

По сравнению с отпечатками, получаемыми при испытаниях по Роквеллу или при измерении микротвёрдости, отпечаток Бринелля имеет большие размеры. Это полезно, когда феррит, перлит, бейнит или отпущенный мартенсит распределены в объёме, репрезентативном для материала, поскольку результат усредняется по нескольким зёрнам и небольшим локальным неоднородностям. Однако это является и ограничением. Шарик диаметром 10 мм может оказаться непригодным вблизи края, на тонком листе, рядом со сварным швом или на участке с неглубоким упрочнённым слоем. Место испытания должно иметь достаточную толщину и жёсткую опору, чтобы образец не изгибался и не деформировался при нагружении. Поверхность должна быть достаточно плоской и не иметь окалины, обезуглероженного слоя и глубоких следов механической обработки.

Испытания по Бринеллю широко применяют для отливок, поковок, нормализованных сталей и других деталей, для которых важен крупный репрезентативный объём. Этот метод менее пригоден для очень твёрдой стали, если шарик может деформироваться, для небольших готовых деталей и узких зон термического влияния. Шарик меньшего диаметра и меньшая сила позволяют уменьшить отпечаток, однако в этом случае требуется более строгий контроль расстояний между отпечатками, толщины и подготовки поверхности.

Твёрдость по Роквеллу: HRC, HRB и поверхностные шкалы

При измерении твёрдости по Роквеллу определяют остаточное увеличение глубины вдавливания после приложения предварительной, а затем основной нагрузки. Диаметр отпечатка при этом не измеряют. Сначала машина прикладывает предварительную нагрузку 10 kgf для установления исходного положения, затем прикладывает основную нагрузку, после чего снимает основную нагрузку, сохраняя предварительную, и преобразует остаточную глубину в число твёрдости. На обычных шкалах Роквелла одному пункту твёрдости соответствует изменение глубины на 0,002 мм.

Для шкалы HRC применяют алмазный конус с углом при вершине 120°, обычно называемый индентором Брейля, и основную нагрузку 150 kgf. Эта шкала предназначена для более твёрдых сталей, включая закалённые и отпущенные инструментальные стали и многие закалённые легированные стали. Для шкалы HRB используют шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама или закалённой стали и основную нагрузку 100 kgf, что делает её пригодной для более мягких сталей, отожжённых низкоуглеродистых марок, медных сплавов и аналогичных материалов. На других обычных шкалах Роквелла применяют шарики или нагрузки иных типов, поэтому буквенное обозначение имеет принципиальное значение: запись «Rockwell 60» без указания шкалы является неполной.

Результат по Роквеллу получают быстро, поскольку машина непосредственно считывает глубину, а небольшой отпечаток часто оставляет менее заметную отметину, чем отпечаток Бринелля. Однако небольшая площадь контакта делает метод чувствительным к шероховатости поверхности, кривизне, обезуглероженным слоям и отдельным твёрдым или мягким структурным составляющим. Образец должен быть достаточно толстым и жёстким, чтобы противостоять перемещению. Измерение, выполненное слишком близко к краю, другому отпечатку или месту нарушения опоры, может дать завышенное или заниженное значение.

Для поверхностных шкал Роквелла используется тот же принцип измерения глубины, но применяются меньшие нагрузки, предназначенные для тонких сечений, небольших деталей и поверхностных слоёв. Предварительную нагрузку 3 kgf дополняют основной нагрузкой 15, 30 или 45 kgf в зависимости от выбранной шкалы и индентора. Обозначения, такие как 30N, 45N, 30T и 15T, указывают на нагрузку и семейство инденторов; обозначение шкалы необходимо указывать точно, а не заменять обычными HRC или HRB. Поверхностные испытания снижают риск проникновения через тонкий упрочнённый слой или деформации тонкого сечения, но сами по себе не обеспечивают более точного результата. Поверхность по-прежнему требует соответствующей подготовки, а глубина исследуемого слоя должна быть достаточно большой по отношению к размеру отпечатка.

Микротвёрдость по Виккерсу и Кнупу

При испытании по Виккерсу в образец вдавливают алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом 136° между противоположными гранями. После снятия нагрузки оператор оптически измеряет две диагонали остаточного отпечатка и рассчитывает HV, то есть твёрдость по Виккерсу. Испытательные нагрузки варьируются от нескольких грамм-сил при измерении микротвёрдости до обычных нагрузок, близких к 100 kgf. Обозначение, такое как 600 HV 0.5, указывает твёрдость и испытательную нагрузку 0,5 kgf.

Поскольку форма алмазного индентора не изменяется в обычном диапазоне твёрдости стали, метод Виккерса позволяет исследовать как мягкие, так и очень твёрдые стали с использованием одной геометрии индентора. Он ценен для поперечных сечений сварных швов, контроля обезуглероживания, азотированных слоёв, цементованных слоёв и построения профилей твёрдости через локальные градиенты. Отпечаток значительно меньше отпечатка Бринелля, поэтому необходимы полированная подготовка поверхности и тщательное соблюдение расстояний между отпечатками. При очень малых нагрузках на результат могут существенно влиять шероховатость поверхности, упругое восстановление, разрешение измерения и отдельные фазы. Сталь должна иметь надёжную опору; тонкая фольга или край без опоры могут прогнуться вместо получения корректного отпечатка.

При измерении микротвёрдости по Кнупу также используют алмаз, но его форма вытянутая и асимметричная. Измеряют длинную диагональ отпечатка и получают значение твёрдости по Кнупу, обычно обозначаемое как HK. Метод Кнупа особенно полезен для очень тонких покрытий, узких цементованных слоёв и хрупких или небольших областей, поскольку отпечаток имеет малую глубину и вытянутую форму. Геометрия отпечатка делает результат чувствительным к ориентации, подготовке поверхности, образованию трещин и направлению микроструктурных элементов. Значения по Кнупу и Виккерсу не следует считать идентичными лишь потому, что в обоих методах применяют алмазные инденторы.

Методы Либа и склероскопа

Твёрдость по Либу определяют динамическим методом отскока, а не методом статического вдавливания. Ударное тело с пружинным приводом, обычно оснащённое шариком из карбида вольфрама или другим указанным наконечником, ударяет по поверхности. Прибор измеряет скорость удара и скорость отскока и выдаёт значение по Либу, обычно HL, основанное на их соотношении. Размер контактной отметины мал, однако результат сильно зависит от состояния поверхности, кривизны, массы, толщины, опоры и направления удара. Испытания по Либу регламентированы стандартом ASTM A956.

Метод Либа полезен для крупных поковок, установленного оборудования и мест, где невозможно разместить обычный стационарный твердомер. Деталь должна иметь большую массу или быть жёстко соединена с жёсткой опорой; в противном случае вибрация поглощает энергию и снижает значение отскока. Пересчёт значения HL в HRC, HBW или другую шкалу требует учёта правильного ударного устройства, направления удара и группы материалов. Этот метод не является прямой заменой статического испытания на вдавливание.

Метод склероскопа также основан на отскоке. Алмазный молоток сбрасывают с фиксированной высоты внутри вертикальной трубки, а высоту его отскока от поверхности стали наблюдают или измеряют электронным способом. Результат выражают в единицах твёрдости по склероскопу, обычно обозначаемых как HS. В отличие от методов Бринелля или Виккерса, твёрдость здесь не рассчитывают по измеренному постоянному отпечатку. Поэтому существенное влияние оказывают чистота поверхности, вертикальное выравнивание, масса, опора и шероховатость.

ASTM E140-12 устанавливает приблизительные взаимосвязи между значениями HBW, HV, твёрдости по Роквеллу, поверхностной твёрдости по Роквеллу, твёрдости по Кнупу, склероскопу и Либу для указанных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM указывает, что на пересчёт влияют легирование, структура зёрен и термическая обработка. ISO 18265:2013 также устанавливает принципы пересчёта и предупреждает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно соответствующему испытанному материалу; оценки временного сопротивления являются наименее надёжными пересчётами. Поэтому выбор шкалы прежде всего должен обеспечивать получение корректного измеренного значения. Пересчитанное число является вторичным свидетельством, а не заменой непосредственного испытания, когда от прочности стали или соответствия требованиям зависит принятие решения.

ASTM E140 и ISO 18265: что допускают стандарты

Стандарты пересчёта твёрдости не превращают один результат испытания в эквивалентное измерение, выполненное другим методом. Они устанавливают эмпирические взаимосвязи между шкалами твёрдости, обычно представленные в виде таблиц. Это различие имеет значение: измеренное значение получают непосредственно при приложении к детали индентора, заданной силы, времени выдержки и процедуры; пересчитанное значение вычисляют на основе этого измерения; а оценка предела прочности при растяжении представляет собой дальнейший вывод на основании твёрдости. Каждый этап может увеличивать неопределённость.

Область применения ASTM E140-12

ASTM E140-12, Стандартные таблицы пересчёта твёрдости для металлов, содержит приближённые взаимосвязи между заданными шкалами твёрдости для определённых металлов. В его таблицах представлены значения по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, поверхностному Роквеллу, Кнупу, склероскопу и Либу. Этот документ не является общим уравнением, делающим все шкалы твёрдости взаимозаменяемыми. Это справочный материал для случаев, когда материал и условия испытания соответствуют опыту, отражённому в применимой таблице.

Для стали стандарт включает таблицы для однородных углеродистых сталей, легированных сталей и инструментальных сталей. Понятие «однородные» имеет важное значение. Нельзя считать, что таблица, разработанная для достаточно однородной стали, описывает цементованный слой, обезуглероженную поверхность, зону термического влияния сварного шва, полосатый прокат или деталь с резким градиентом твёрдости. Индентор может исследовать лишь небольшой поверхностный участок, тогда как предполагаемый пересчёт неявно исходит из однородности материала под ним.

ASTM International прямо указывает, что «на пересчёты влияют состав сплава, структура зерна и термическая обработка» (2012). Эти переменные изменяют характер деформации под индентором. Две стали могут иметь одинаковую твёрдость по Бринеллю, но различаться соотношением феррита, перлита, бейнита, мартенсита или остаточного аустенита. Поэтому они могут давать различные значения предела прочности при растяжении, характеристики текучести и результаты по другой шкале твёрдости. Даже в пределах одной марки нормализованное, закалённое и отпущенное, отожжённое и наклёпанное состояния не обязательно подчиняются одной и той же кривой пересчёта.

Таблицы также зависят от диапазона охватываемой твёрдости. Пересчёт вблизи середины таблицы не становится автоматически надёжным у её верхней или нижней границы. Экстраполяция не может служить допустимой заменой табличному значению. Не следует также пересчитывать результат по Роквеллу C в значение по Бринеллю, если отпечаток расположен слишком близко к краю, другому отпечатку, опорной поверхности или границе сварного шва. Чистый числовой результат не исправляет неправильно выполненное испытание.

Выбор шкалы предшествует пересчёту. Метод Бринелля часто полезен для относительно крупнозернистой, неоднородной или имеющей большое сечение стали, поскольку крупный отпечаток усредняет свойства большего объёма. Метод Виккерса охватывает широкий диапазон твёрдости и может применяться при малых нагрузках, однако небольшие отпечатки более чувствительны к подготовке поверхности, локальным фазам и разрешению измерения. Методы Роквелла быстры и практичны для многих производственных проверок, тогда как шкалы поверхностного Роквелла используют меньшую силу и глубину внедрения для тонких сечений или поверхностно обработанных слоёв. Методы Либа и склероскопа являются динамическими испытаниями, показания которых в значительной степени зависят от массы, опоры, ориентации, состояния поверхности и калибровки прибора.

ASTM E140-12 не устраняет различия между этими методами. Например, таблица может указывать приближённую взаимосвязь между HRC и HB, но не может подтвердить, что конкретная деталь была испытана правильно или что её микроструктура относится к совокупности материалов, на основе которой была выведена эта взаимосвязь. Поэтому в отчётном результате следует сохранять исходную шкалу и метод. Формулировка «62 HRC, пересчитано примерно в 700 HV» содержит больше информации, чем указание только «700 HV», поскольку первое значение измерено, а второе является расчётным.

Такая же осторожность необходима, когда твёрдость используют для оценки предела прочности при растяжении. В исследовании NIST эмпирических взаимосвязей Роквелла и Бринелля, опубликованном в 1929 году, сообщалось, что предел прочности при растяжении стали часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для практических производственных целей. Этот вывод подтверждает возможность практической оценки в пределах соответствующей совокупности сталей; он не устанавливает, что предел прочности при растяжении является универсальной функцией HB. При испытании на растяжение измеряется поведение фасонного образца, связанное с разрушением, тогда как при вдавливании измеряется локализованное сопротивление пластической деформации при ином напряжённом состоянии.

Принципы ISO 18265:2013

ISO 18265:2013, Металлические материалы — Пересчёт значений твёрдости, устанавливает принципы пересчёта значений твёрдости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении. Стандарт рассматривает пересчёт как зависящий от материала, метода измерения твёрдости, применимого диапазона и доказательной базы, лежащей в основе взаимосвязи. Поэтому он скорее представляет собой основу для ответственного применения, чем утверждение о наличии единой фиксированной математической эквивалентности всех шкал.

Одно из ключевых ограничений сформулировано прямо: «Пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который был испытан» (International Organization for Standardization, 2013). На практике понятие «точно тот же материал» включает больше, чем номинальное обозначение марки, такое как ASTM A36, AISI 4140 или UNS S30400. Оно охватывает химический состав в пределах соответствующих ограничений, форму изделия, структуру зерна, состояние поверхности, термическую обработку, предшествующую деформацию и — во многих случаях — конкретный производственный маршрут. Пруток из стали 4140, закалённый и отпущенный при 600 °C, нельзя считать взаимозаменяемым с зубом цементованной шестерни или валом из стали 4140 после индукционной закалки лишь потому, что все они имеют одно и то же базовое обозначение марки.

ISO 18265:2013 также определяет оценки предела прочности при растяжении как наименее надёжные пересчёты. С металлургической точки зрения такая градация обоснованна. Пересчёт между двумя шкалами вдавливания уже зависит от того, как различные инденторы и нагрузки взаимодействуют с одним и тем же материалом. Переход от твёрдости к временному сопротивлению разрыву создаёт дополнительную зависимость от упрочнения при деформации, дефектов, анизотропии, геометрии образца и характера разрушения. Значение твёрдости может выявить неправильную термическую обработку, но само по себе не может подтвердить соответствие заданному диапазону предела прочности при растяжении, если это свойство является проектным или приёмочным требованием.

Часто повторяемое соотношение иллюстрирует опасность исключения оговорок из доказательной базы. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов было установлено приближённое соотношение $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$. Здесь $H_V$ — твёрдость, выраженная в согласованных единицах напряжения, а ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ — предел прочности при растяжении. Это соотношение относится к определённому классу материалов и не является законом для всех сталей. В том же исследовании сообщалось, что соотношения твёрдости и прочности зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Применение коэффициента три к чугуну, мягкой отожжённой низкоуглеродистой стали, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали и инструментальной стали с отпущенным мартенситом было бы необоснованным без соответствующих оговорок.

Существуют более узкие случаи, в которых эмпирическая взаимосвязь полезна. В исследовании 2023 года исторических и современных нелегированных конструкционных сталей была обнаружена в целом линейная взаимосвязь между твёрдостью по Бринеллю и параметрами предела прочности при растяжении для сталей в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат может обосновывать оценку, специфичную для предприятия или семейства изделий, если испытанный материал остаётся в пределах изученной совокупности. Он не оправдывает перенесение этой зависимости на легированную сталь в закалённом и отпущенном состоянии, холоднотянутую проволоку или сварную конструкцию.

Приближённые таблицы и калибровка для конкретного материала

Стандартизированная справочная таблица и квалификационная корреляция отвечают на разные вопросы. ASTM E140-12 фактически определяет, какое приближённое значение твёрдости может соответствовать измеренному значению для заданного класса металлов в пределах области применения стандарта. Квалификационная корреляция устанавливает, какая взаимосвязь была подтверждена для конкретной стали, производственного маршрута, состояния и детали.

Например, изготовитель или лаборатория может испытать нормализованную сталь 1045, полученную по определённому маршруту на конкретном металлургическом предприятии, измерить твёрдость по Бринеллю и предел прочности при растяжении на согласованных образцах и построить регрессию в пределах фактического производственного диапазона. Полученное уравнение может быть пригодно для данного состояния стали 1045, если оно проверено на новых партиях и подтверждено анализом неопределённости. Его нельзя автоматически применять к стали 1045 после индукционной закалки; оно также не должно заменять испытания на растяжение, если контракт непосредственно устанавливает требования к пределу текучести или пределу прочности.

Технический отчёт SAE 1967 года, Испытания твёрдости и пересчёт чисел твёрдости, излагает этот принцип в практических терминах: точные пересчёты необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку размер, масса, состав и технология обработки влияют на взаимосвязь. Размер и масса детали особенно важны для динамических методов и тонких сечений, которые не обеспечивают достаточной опоры. Подготовка поверхности, кривизна, расстояние между отпечатками и твёрдость опорной поверхности также могут изменить измеренное значение ещё до выполнения какого-либо пересчёта.

Обоснованный отчёт содержит измеренную твёрдость, стандарт и шкалу, испытательную силу или нагрузку, индентор, место измерения, состояние поверхности, марку материала и состояние после термической обработки. Если требуется пересчитанное значение, его следует обозначать как пересчитанное и связывать с ASTM E140-12 или ISO 18265:2013, по возможности указывая соответствующую таблицу или диапазон. Если оценивается предел прочности при растяжении, в отчёте следует указать эмпирическую модель, калибровочную совокупность, разброс и пределы применения.

Когда результат влияет на конструкцию, критичную к разрушению, выпуск изделия после термической обработки или официальную приёмку по характеристикам прочности при растяжении, надлежащим доказательством являются непосредственные испытания на растяжение, если только отдельная квалифицированная процедура не установила соответствующую корреляцию. Пересчёт твёрдости ценен для сравнения и управления процессом. Он не даёт оснований считать удобное числовое значение универсальной заменой.

Почему марка стали и химический состав изменяют результаты пересчета

Число твердости описывает сопротивление воздействию определенного индентора при определенном цикле нагружения. Оно не характеризует полностью прочность, пластичность, характер разрушения или микроструктуру стали. Два образца могут иметь одинаковую твердость 200 HBW, достигая этого значения за счет совершенно разного сочетания феррита, перлита, бейнита, мартенсита, карбидов и остаточного аустенита. Их пределы прочности при растяжении могут различаться, а значения по другой шкале твердости могут не соответствовать числу, указанному в общей таблице пересчета.

Это различие отделяет измеренную твердость от пересчитанной твердости и от оценочного значения предела прочности при растяжении. Измеренное значение 200 HBW является результатом определенного испытания по Бринеллю. Значение, например 92 HRB, полученное по таблице, является пересчитанным результатом. Предел прочности при растяжении, выведенный из любого из этих значений, представляет собой дополнительную оценку с еще большей неопределенностью. ASTM E140-12, Стандартные таблицы пересчета твердости для металлов, приводит приблизительные соотношения для определенных металлов и шкал твердости, однако ASTM прямо указывает, что «на результаты пересчета влияют сплав, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012).

Углерод, легирующие элементы и прокаливаемость

Углерод изменяет твердость стали посредством нескольких взаимосвязанных механизмов. В низкоуглеродистой ферритной стали значительная часть углерода остается в феррите или образует сравнительно небольшое количество перлита. Повышение содержания углерода обычно увеличивает долю перлита в медленно охлаждаемой структуре и повышает содержание углерода, доступного для образования мартенсита при закалке. Мартенсит значительно тверже феррита, однако его твердость также в большой степени зависит от содержания углерода и состояния после отпуска. Поэтому закаленная сталь с содержанием 0,40 % C и закаленная сталь с содержанием 0,20 % C не могут иметь одинаковую зависимость между твердостью и пределом прочности при растяжении только потому, что показания на поверхности случайно оказались близкими.

ПрокаливаемостьПрокаливаемость Способность стали образовывать мартенсит на заданную глубину при определённом режиме охлаждения; это не то же самое, что максимальная твёрдость.

Легирующие элементы изменяют как состав присутствующих фаз, так и путь их образования. Марганец, хром, молибден и никель могут замедлять превращения перлита и бейнита, повышая прокаливаемость — глубину, на которой сталь способна образовывать мартенсит при заданной скорости охлаждения. В стали AISI 1045 при быстром охлаждении поверхности может образоваться твердый мартенситный слой и более мягкая ферритно-перлитная сердцевина. Сталь AISI 4140 с добавками хрома и молибдена при сопоставимой обработке может прокаливаться на большую глубину. Если обе детали подвергнуть одинаковой номинальной закалке, градиенты твердости и прочностные свойства при растяжении могут различаться, даже если в одной локальной точке измерения получено одинаковое значение HRC.

Различие между твердостью и прокаливаемостью особенно важно для деталей большого сечения. Прокаливаемость не означает, что каждая точка станет одинаково твердой; она означает, что сталь сопротивляется диффузионному превращению при охлаждении. Размер сечения, закалочная среда, ее перемешивание и геометрия детали определяют историю охлаждения. Поэтому в техническом отчете SAE 1967 года Испытания на твердость и пересчет чисел твердости указано, что точные зависимости пересчета необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, термической обработки и детали, поскольку на соотношение влияют размер, масса, состав и технология обработки (SAE International, 1967).

Карбиды создают еще один источник расхождений. Богатые хромом карбиды в инструментальной или нержавеющей стали, карбиды ванадия в некоторых быстрорежущих сталях или сталях порошковой металлургии и карбиды железа в перлите взаимодействуют с отпечатком индентора не так, как однородная мартенситная матрица. Большое количество карбидов может повысить сопротивление вдавливанию, одновременно ослабляя связь между твердостью и деформацией матрицы при растяжении. Остаточный аустенит может создавать противоположную проблему: после закалки образец способен показывать высокую твердость, однако последующее превращение в процессе эксплуатации или шлифования может изменить его размеры и измеренную твердость.

Важен и отпуск. Отпущенный мартенсит, бейнит и мелкодисперсный перлит могут находиться в перекрывающихся диапазонах твердости, имея при этом разные отношения предела текучести к пределу прочности при растяжении и различную реакцию на разрушение. На показания затем влияют размер отпечатка, остаточные напряжения, деформационное упрочнение и анизотропия. Одинаковая номинальная твердость не является фазовым анализом.

Нелегированные конструкционные стали и промышленные корреляции

Общая зависимость между твердостью и прочностью все же может быть полезной в пределах ограниченной группы сталей. Нелегированные конструкционные стали в исходном или нормализованном состоянии часто содержат феррит и перлит, соотношение которых изменяется в зависимости от содержания углерода и истории охлаждения. Исследование исторических и современных нелегированных конструкционных сталей, проведенное в 2023 году, выявило в этих состояниях в целом линейную эмпирическую зависимость между твердостью по Бринеллю и параметрами прочности при растяжении (Materials Today: Proceedings, 2023). Этот результат объясняет, почему оценки прочности на основе твердости по Бринеллю могут быть достаточно эффективными для контролируемой группы обычных конструкционных сталей.

Эта зависимость является эмпирической, а не физическим законом. Для марок, таких как EN 10025-2 S275JR и EN 10025-2 S355JR, показание твердости может использоваться для контроля технологического процесса или ориентировочной предварительной оценки, если известно, что материал представляет собой нелегированную или низколегированную конструкционную сталь в ожидаемом состоянии поставки. Однако оно не может подтвердить соответствие установленным диапазонам предела текучести и предела прочности при растяжении без необходимого испытания на растяжение. Нормализация измельчает структуру зерна и изменяет соотношение феррита и перлита; история прокатки и ликвация могут снова изменить результат.

В исследовании NIST 1929 года эмпирических зависимостей между шкалами Роквелла и Бринелля сообщалось, что предел прочности стали при растяжении часто можно оценивать по твердости по Бринеллю для коммерческих целей (NIST, 1929). Оперативным ограничением здесь является слово «часто». Такая оценка полезна для приблизительного сопоставления внутри совокупности, на основе которой она была выведена, но не дает оснований заменять испытание на растяжение для всех марок стали.

ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчета значений твердости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении, однако предупреждает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно соответствующему испытанному материалу, и относит оценки предела прочности при растяжении к наименее надежным пересчетам (ISO, 2013). Поэтому табличное значение пересчета HBW в HRC не следует рассматривать как доказательство того, что пересчитанное значение HRC с такой же степенью достоверности прогнозирует предел прочности при растяжении.

Инструментальные стали, нержавеющие стали и исключаемые предположения

Инструментальные и нержавеющие стали демонстрируют пределы применимости общих зависимостей для углеродистых сталей. Сталь AISI D2 в закаленной и отпущенной матрице может содержать значительное количество богатых хромом карбидов. Сталь AISI H13 после обработки, характерной для горячедеформируемых инструментальных сталей, может содержать отпущенный легированный мартенсит. Нержавеющая сталь AISI 420 может находиться в диапазоне от сравнительно мягкого отожженного материала до твердого мартенситного материала после закалки и отпуска. Каждое из этих состояний изменяет характер взаимодействия с индентором, и ни одному из них не следует приписывать зависимость пересчета для углеродистой стали только потому, что его значение HRC или HV находится в том же числовом диапазоне.

Аустенитные нержавеющие стали, такие как AISI 304 и AISI 316, создают иную проблему. Их гранецентрированная кубическая матрица может сильно деформационно упрочняться при вдавливании, а холодная деформация в некоторых составах может приводить к образованию мартенсита, индуцированного деформацией. Поэтому измеренная после холодной обработки твердость отражает как исходный состав, так и историю обработки. Ферритные, дуплексные, дисперсионно-твердеющие и мартенситные нержавеющие стали требуют отдельных предположений, поскольку соотношение фаз и механизмы упрочнения у них различаются.

Часто цитируемое приближение Hᵥ ≈ 3σUTS было установлено для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов, однако исследование 2012 года в журнале Materials Science and Engineering: A подчеркивает, что соотношения между твердостью и прочностью зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка (Materials Science and Engineering: A, 2012). Это не универсальная зависимость пересчета для стали.

Непосредственное испытание на растяжение по-прежнему необходимо, когда свойства при растяжении определяют приёмку, проектирование или оценку разрушения, если только не утверждена квалифицированная корреляция. Strong evidence

В отчетах поэтому следует указывать измеренную шкалу, стандарт испытания, обозначение силы или шарика, если это применимо, место измерения и состояние материала. Если приводится пересчитанное значение, его следует обозначить как пересчитанное и указать таблицу или стандарт, на котором основан пересчет. Если оценивается предел прочности при растяжении, это следует обозначить как оценку и указать диапазон материалов, на котором она основана. Если приемка, расчетные допускаемые значения или оценка разрушения зависят от свойств при растяжении, прямое испытание на растяжение остается необходимым.

Термическая обработка и микроструктура: основные источники ошибок

Термическая обработка является переменной первого порядка в любой зависимости между твёрдостью и другими механическими свойствами. Её нельзя рассматривать как сноску под маркой стали. Два образца с одинаковым номинальным химическим составом после отжига, нормализации, закалки, отпуска, цементации, азотирования или индукционной закалки могут существенно различаться по твёрдости, пределу прочности при растяжении, пластичности и реакции на индентирование. Пересчёт твёрдости, не учитывающий состояние материала, может дать внешне точное число, имеющее слабое физическое обоснование.

Это различие важно, поскольку часто смешивают три разные величины. Измеренная твёрдость — это результат, полученный при проведении конкретного испытания, например 220 HBW или 62 HRC. Пересчитанная твёрдость — это приблизительная оценка по другой шкале, например значение по Роквеллу C, выведенное из твёрдости по Виккерсу. Оценочный предел прочности при растяжении — это дальнейший вывод, основанный на твёрдости, и он менее надёжен, чем пересчёт между шкалами. В стандарте ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, приведены приблизительные соотношения между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для конкретных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. В нём также указано, что «на пересчёт влияют легирующие элементы, структура зерна и термическая обработка».

ISO 18265:2013 прямо устанавливает такое же ограничение. Стандарт определяет принципы пересчёта значений твёрдости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении, но указывает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который подвергался испытанию. Оценки предела прочности при растяжении обозначены как наименее надёжные виды пересчёта. Эти ограничения особенно важны, когда измеренная поверхность не представляет всё поперечное сечение.

Состояния после отжига, нормализации, закалки и отпуска

В отожжённой стали медленное охлаждение обычно приводит к образованию относительно крупнозернистой ферритно-перлитной структуры либо другой разупрочнённой структуры, выбранной для облегчения механической обработки и формообразования. Отпечаток при испытании по Бринеллю в таком состоянии охватывает сравнительно большой объём, содержащий колонии феррита и перлита. Полученная твёрдость часто достаточно хорошо коррелирует с пределом прочности при растяжении в пределах узкой группы низкоуглеродистых сталей, однако эта зависимость всё равно меняется в зависимости от содержания углерода, доли перлита, межколониального расстояния и размера зерна. Низкоуглеродистая и более высокоуглеродистая отожжённые стали могут иметь внешне сходные испытательные поверхности, но различные соотношения прочности и твёрдости.

Нормализация изменяет характер сравнения. Нагрев выше критического интервала с последующим охлаждением на воздухе обычно формирует более мелкие феррит и перлит, чем медленное охлаждение в печи. Измельчение зерна может повысить предел текучести и предел прочности при растяжении, не вызывая пропорционального увеличения твёрдости при индентировании. Исследование исторических и современных нелегированных конструкционных сталей, опубликованное в 2023 году в Materials Today: Proceedings, выявило в целом линейную эмпирическую зависимость между твёрдостью по Бринеллю и параметрами прочности при растяжении для сталей в состоянии после поставки или нормализации. Этот результат подтверждает возможность практической оценки в рамках изученной совокупности материалов; он не делает эту зависимость применимой к легированной стали после закалки и отпуска или к поверхностно упрочнённой детали.

Закалка создаёт мартенсит, часто с остаточным аустенитом и внутренними напряжениями превращения. Твёрдость может резко возрасти, поскольку индентор взаимодействует с высокопрочной, устойчивой к сдвигу фазой, однако реакция при растяжении также зависит от содержания углерода, размера зерна аустенита до превращения, растворения карбидов, количества остаточного аустенита и склонности к образованию трещин. Образцы SAE 1045 и AISI 4140 после закалки могут оба показывать значение, близкое к высокому значению по шкале Роквелла C, но различаться по пределу прочности при растяжении и вязкости. Легирующие элементы изменяют прокаливаемость и реакцию на отпуск; поэтому одинаковое номинальное значение HRC не гарантирует одинаковых свойств при растяжении.

Отпуск разлагает или модифицирует мартенсит, снижает остаточные напряжения и изменяет распределение карбидов. При отпуске при низкой температуре может сохраняться высокая твёрдость при одновременном снятии части закалочных напряжений. Отпуск при более высокой температуре снижает твёрдость, но может повысить вязкость и сформировать зависимость между прочностью и твёрдостью, отличную от зависимости в состоянии после закалки. Например, вал из AISI 4140 после закалки и отпуска следует сравнивать с данными пересчёта для аналогичной легированной стали и аналогичного состояния, а не с универсальной таблицей для углеродистой стали. Даже в пределах одной марки температура и продолжительность отпуска могут привести материал к различным сочетаниям твёрдости, предела текучести, предела прочности при растяжении и относительного удлинения.

В исследовании NIST, посвящённом эмпирическим зависимостям между показаниями по Роквеллу и Бринеллю и опубликованном в 1929 году, сообщалось, что предел прочности стали при растяжении часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для практических коммерческих целей. Определяющим здесь является слово «часто». Результат описывает эмпирическую совокупность материалов, а не физический закон, сохраняющий силу при любых изменениях термической обработки. В техническом отчёте SAE 1967 года Hardness Tests and Hardness Number Conversions также подчёркивалось, что точные пересчёты необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку размер, масса, состав и технология обработки влияют на эту зависимость.

Поверхностное упрочнение и градиенты по толщине

Цементация, азотирование и индукционная закалка делают одно значение твёрдости ещё менее репрезентативным. При цементации поверхность низкоуглеродистой стали обогащается углеродом, после чего выполняется закалка, формирующая твёрдый мартенситный слой на более вязкой сердцевине с меньшим содержанием углерода. Показание на поверхности может составлять 60 HRC или более, тогда как сердцевина будет значительно мягче. Пересчёт этого поверхностного значения в предел прочности при растяжении всей детали является ошибкой категорий: испытание измеряет свойства слоя, а не равномерного материала в поперечном сечении, воспринимающем нагрузку.

При азотировании образуется диффузионная зона, обогащённая азотом, а вблизи поверхности — соединительный слой, содержащий нитриды железа, такие как ε-Fe₂–₃N и γ′-Fe₄N. Этот слой может быть очень твёрдым и тонким. Обычные испытания по Роквеллу или Бринеллю могут оказаться непригодными, поскольку глубина проникновения и зона пластической деформации простираются ниже обработанной области; для определения профиля твёрдости часто требуется ряд измерений микро-Виккерса или Кнупа. Даже значение, полученное при микроиндентировании, может быть искажено подложкой, если глубина отпечатка слишком велика по отношению к толщине слоя.

Уровень твёрдости

При индукционной закалке образуется упрочнённая мартенситная зона, глубина которой зависит от частоты, мощности, скорости перемещения, геометрии и условий охлаждения. Твёрдость непрерывно изменяется от поверхности через переходную область к более мягкой сердцевине. Указание «62 HRC» является неполным, если не приведены место измерения и глубина измерения. Одна и та же деталь может давать различные результаты пересчёта на поверхности, на эффективной глубине упрочнённого слоя и в сердцевине.

Эти градиенты также влияют на геометрию отпечатка. Неглубокий отпечаток, нанесённый на твёрдый слой, может быть ограничен более мягким материалом под ним; глубокий отпечаток усредняет свойства нескольких областей. Кривизна поверхности, толщина сечения, расстояние до края и масса детали могут изменять поле напряжений. Таблицы ASTM E140-12 предназначены для диапазонов материалов и условий испытаний, представленных в таблицах, а не для произвольных профилей поверхностно упрочнённых слоёв. Требование ISO 18265:2013 о том, что пересчёт непосредственно применим только к точно тому материалу, который подвергался испытанию, особенно важно в данном случае.

Структура зерна, фазы и морфология отпечатка

Твёрдость — это локальное сопротивление индентированию, а не прямое измерение предела прочности при растяжении. Индентор вызывает упругую и пластическую деформацию в некотором конечном объёме. Размер зерна, кристаллографическая текстура, границы фаз, включения, карбиды и остаточные напряжения — всё это влияет на данный объём. Мелкозернистая ферритно-перлитная структура может распределять деформацию иначе, чем крупнозернистый перлит. Бейнит, мартенсит, феррит, остаточный аустенит и области, обогащённые карбидами, могут давать сходные средние значения твёрдости за счёт различных механизмов деформации.

Остаточные сжимающие напряжения могут повысить кажущееся сопротивление индентированию, тогда как остаточные растягивающие напряжения могут его снизить или способствовать образованию трещин. Поэтому прижоги от шлифования, обезуглероживание, дробеструйное упрочнение и повреждения после механической обработки могут изменить показание на поверхности, не изменяя объёмные свойства при растяжении в такой же пропорции. Важно и расположение отпечатка: отпечаток на крупном карбиде, вблизи границы фаз или рядом с предыдущим отпечатком может не характеризовать матрицу.

Морфология отпечатка также служит предупреждением. Методы Бринелля и Виккерса основаны на размере и форме остаточного отпечатка, тогда как методы Роквелла используют глубину проникновения. Наплыв материала вокруг отпечатка может сделать площадь контакта меньше, чем предполагается в идеализированном анализе, а вдавливание материала внутрь отпечатка — больше. В анизотропных, многофазных сталях или сталях с интенсивным упрочнением при деформации эти эффекты изменяют соотношение между твёрдостью и напряжением текучести. В рецензируемом исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, сообщалось, что соотношения между твёрдостью и прочностью зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. В нём указывалась приблизительная зависимость Hᵥ ≈ 3σUTS для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов, однако это выражение относится к конкретному классу материалов и не является универсальным уравнением для стали.

Поэтому в отчёте следует указывать марку стали, состояние после термической обработки, метод испытания, шкалу, место измерения и, если применимо, информацию о глубине упрочнённого слоя. Измеренное значение, например 245 HBW, не является взаимозаменяемым с пересчитанным значением, например 23 HRC, и ни одно из них автоматически не является оценкой предела прочности при растяжении. Когда от свойств при растяжении зависят приёмка, риск разрушения или расчёт конструкции, надлежащим решением является непосредственное испытание на растяжение либо подтверждённая корреляция, специфичная для данной марки и состояния материала, а не необоснованный пересчёт на основе удобного значения твёрдости.

Соотношения пересчёта по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу

Таблицы пересчёта твёрдости не делают HBW, HRC и HV взаимозаменяемыми измерениями. Они приводят оценочное значение по одной шкале, полученное на основе измеренного значения по другой. Это различие имеет значение, поскольку каждый метод использует свой индентор, усилие, геометрию контакта и процедуру расчёта. Результат по Бринеллю, например 220 HBW, получают по диаметру относительно большого отпечатка; значение 220 HBW, пересчитанное в 21 HRC, является табличной оценкой, а не результатом второго испытания по Роквеллу.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приблизительные соотношения между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Leeb для указанных металлов. Таблицы для сталей включают однородные углеродистые стали, легированные стали и инструментальные стали. Важна следующая оговорка: ASTM указывает, что «на пересчёт влияют легирующий состав, структура зерна и термическая обработка». ISO 18265:2013 также устанавливает принципы пересчёта между шкалами твёрдости и оценки предела прочности при растяжении, однако указывает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который подвергался испытанию. Следовательно, таблица позволяет проводить сравнение в пределах указанного материала и диапазона, но не устанавливает физическую идентичность числовых значений твёрдости.

Как читать таблицы пересчёта HBW в HRC и HRC в HBW

Сначала определите фактически проведённое испытание и его полное обозначение. HBW означает твёрдость по Бринеллю, измеренную шариком из карбида вольфрама; диаметр шарика и приложенное усилие также могут указываться, например 220 HBW 10/3000. HRC означает твёрдость по шкале C Роквелла, обычно определяемую с помощью алмазного конуса при общей нагрузке 150 kgf согласно процедуре Роквелла. Обозначение «HB» или «HR» без дополнительных данных является неполным для технической отчётности, поскольку материал и диаметр шарика, шкала Роквелла и испытательное усилие могут влиять на результат.

Чтобы пересчитать 220 HBW в HRC, найдите значение 220 в столбце HBW соответствующей таблицы ASTM E140-12 или ISO 18265:2013 и считайте значение в столбце HRC. Если в строке указано 21 HRC, корректная запись должна выглядеть примерно так: 21 HRC, пересчитанное из 220 HBW, а не просто «21 HRC», как если бы было проведено испытание по шкале C Роквелла. Обратный пересчёт требует такой же точности: начните с измеренного значения HRC, выберите соответствующую таблицу для стали и найдите соответствующую оценку HBW. Обратный поиск не обязательно воспроизведёт исходное число, поскольку табличное соотношение округлено и может быть построено на основе аппроксимирующей или эмпирической зависимости, а не обратимого уравнения.

Соседние значения не являются точными эквивалентами. Допустим, таблица указывает, что 210 HBW соответствует 19 HRC, а 230 HBW — 22 HRC. Измеренное значение 220 HBW находится между этими строками, однако это не означает, что ему одновременно соответствуют точные 20,5 HRC и физически подтверждённое значение по Роквеллу. Линейная интерполяция может дать приблизительно 20,5 HRC для целей представления результата, если применимый стандарт допускает интерполяцию в данном диапазоне, однако это значение всё равно остаётся оценочным. Его неопределённость включает разброс самого соотношения пересчёта и неопределённость исходного измерения.

Класс материала должен соответствовать исследуемой детали. Сталь 4140, закалённая и отпущенная до мартенситной структуры, не обязательно подчиняется тому же соотношению HBW–HRC, что нормализованная AISI 1020, отожжённая AISI 1045 или высокоуглеродистая инструментальная сталь. Причина носит механический, а не просто табличный характер: реакция материала на вдавливание зависит от предела текучести, деформационного упрочнения, распределения карбидов, содержания остаточного аустенита, размера зерна, остаточных напряжений и деформации вокруг отпечатка. В отчёте SAE International 1967 года Hardness Tests and Hardness Number Conversions указано, что точные пересчёты необходимо разрабатывать для конкретного состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку размер, масса, состав и технология обработки влияют на это соотношение.

Испытание по Роквеллу быстро и удобно для повторяющегося контроля, однако его результаты могут быть чувствительны к условиям, влияние которых усредняется при получении большого отпечатка по Бринеллю. Тонкие сечения могут изгибаться или позволять полю напряжений от отпечатка взаимодействовать с противоположной поверхностью. Плохо закреплённый образец может дать ложный результат. Важен и выбор шкалы: применение HRC там, где уместна HRB, либо использование поверхностной шкалы Роквелла без указания её усилия и индентора делает сравнение недействительным. Поверхностная окалина, обезуглероживание, шероховатость, кривизна и недостаточное расстояние между отпечатками могут сместить показание. Пересчитанное значение HRC не может исправить ошибку измерения HBW или компенсировать неправильно выбранную схему испытания по Роквеллу.

Когда шкала Виккерса даёт полезную промежуточную оценку

Твёрдость по Виккерсу обозначается как HV; при необходимости указывают испытательное усилие. Метод использует алмазную пирамиду и рассчитывает твёрдость по длине двух диагоналей отпечатка. Благодаря своей геометрии он применим в более широком диапазоне твёрдости, чем отдельная шкала Роквелла, а также в случаях, когда шарик для испытания по Бринеллю слишком велик. Отпечаток по Виккерсу позволяет исследовать тонкий упрочнённый слой, сварной шов или зону термического влияния, отдельную область фазы либо тонкое сечение, если усилие, подготовка поверхности, расстояние между отпечатками и оптическое измерение соответствуют применяемой методике.

Шкала Виккерса может служить промежуточным звеном, когда HBW и HRC ограничены особенностями своих шкал. Например, цементованный слой может быть слишком тонким для обычного отпечатка по Бринеллю, а при стандартном испытании по Роквеллу результаты могут быть нестабильными, если отпечаток проникает за пределы слоя. Серия измерений по Виккерсу с малым усилием позволяет показать градиент твёрдости от поверхности к сердцевине. Такая информация полезнее, чем присвоение слоистой структуре одного пересчитанного значения HRC. То же относится к металлу сварного шва и зонам термического влияния, где на протяжении нескольких миллиметров могут присутствовать несколько микроструктур.

Шкала Виккерса не является автоматически более точной. На измерение диагоналей влияют качество поверхности, оптическое разрешение, субъективная оценка оператора, наплыв или втягивание материала вокруг отпечатка, а также выбранное усилие. Очень маленькие отпечатки увеличивают влияние погрешности измерения. Кроме того, локально измеренное значение HV может характеризовать карбид, участок мартенсита или обезуглероженную область, а не основной объём стали, который отражается отпечатком по Бринеллю. Поэтому пересчёт HV в HRC или HBW имеет смысл только тогда, когда таблица охватывает соответствующий класс стали, интервал твёрдости и условия испытания по усилию.

Формулы пересчёта твёрдости в прочность требуют ещё большей осторожности. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов была выявлена приблизительная зависимость Hᵥ ≈ 3σUTS; при этом показано, что соотношения между твёрдостью и прочностью зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Это не является универсальным уравнением для углеродистых и легированных сталей. ISO 18265:2013 указывает, что оценки предела прочности при растяжении относятся к наименее надёжным видам пересчёта. Исследование NIST 1929 года показало, что предел прочности стали при растяжении часто можно оценить по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей, однако этот вывод поддерживает контролируемую эмпирическую оценку, а не универсальную замену испытания на растяжение.

Пределы диапазона, интерполяция и разрывы

Используйте пересчёт только в пределах указанного в таблице диапазона твёрдости и категории материала. Если таблица заканчивается на значении 60 HRC, измеренное значение 64 HRC нельзя экстраполировать по последним строкам. Если деталь изготовлена из нержавеющей стали, упрочнённой дисперсионным твёрдением, а таблица охватывает однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали, выбор строки с наиболее похожим значением не делает пересчёт допустимым. Одного обозначения марки также может быть недостаточно: нормализованное, отожжённое, закалённое, отпущенное, цементованное и нагартованное состояния могут давать различные соотношения при одинаковом номинальном составе.

Интерполяция допустима только в тех случаях, когда стандарт или утверждённая процедура предусматривает её применение и когда соседние значения образуют подходящий непрерывный участок. Интерполяцию следует обозначать как интерполяцию, используя разумное округление, которое не создаёт впечатления необоснованной точности. Запись «21,37 HRC», полученная по таблице для твёрдости по Бринеллю, обычно подразумевает большую определённость, чем может обеспечить исходный источник. Сначала указывайте измеренное значение, затем пересчитанное значение и ссылку на источник, например: «220 HBW; приблизительно 21 HRC, пересчитано согласно ASTM E140-12».

Разрывы могут возникать там, где таблица переходит от одного класса материала к другому, меняет шкалу Роквелла, индентор или интервал твёрдости. Они также могут отражать переходы в механике вдавливания, а не резкое изменение свойств стали. Не следует сглаживать такой переход или усреднять значения из отдельных таблиц. Если приёмка зависит от механических свойств при растяжении, глубины упрочнённого слоя, аттестации сварного соединения или заданного состояния материала определённой марки, необходимо провести требуемое прямое испытание. Пересчёт является инструментом сравнения; он не доказывает, что непроведённое испытание дало бы положительный результат.

Твёрдость и предел прочности при растяжении: взаимосвязь, а не тождество

Твёрдость и предел прочности при растяжении связаны, поскольку обе характеристики зависят от сопротивления металла пластической деформации, однако это не взаимозаменяемые свойства. При испытании на твёрдость небольшой отпечаток создаётся в одной точке. При испытании на растяжение стандартизованный образец нагружают в значительно большем объёме материала до наступления текучести, пластического течения и разрушения. Поэтому при двух испытаниях исследуются разные объёмы материала, создаются разные напряжённые состояния и получают разные виды измеряемых характеристик.

Значение твёрдости может быть непосредственно измерено по шкале Виккерса, Бринелля, Роквелла, Кнупа или другой шкале. Пересчитанное значение твёрдости рассчитывается на основе другой измеренной шкалы с использованием опубликованного соотношения. Оценка предела прочности при растяжении — это следующий этап: механическое свойство при растяжении выводится по твёрдости. Каждый такой этап добавляет допущения и потенциальную погрешность. Представлять оценочный предел прочности при растяжении как результат испытания на растяжение — ненадлежащая практика технической отчётности, особенно если спецификация, расчёт конструкции или расследование разрушения зависят от предела текучести, временного сопротивления разрыву или относительного удлинения.

Что механически измеряет твёрдость

Твердость — это сопротивление локализованной пластической деформации. При испытании по Виккерсу алмазную пирамиду вдавливают в поверхность с заданной силой, после чего измеряют две диагонали отпечатка. Число твердости по Виккерсу, $H_{\mathrm{V}}$, рассчитывают по приложенной силе и площади проекции отпечатка. При испытании по Бринеллю в материал вдавливают твердосплавный шарик и связывают силу с диаметром образовавшегося отпечатка. При испытании по Роквеллу, напротив, измеряют глубину проникновения при заданных малой и большой нагрузках; результат указывают по определенной шкале, например HRC или HRB.

Индентор создает под зоной контакта сложное трехмерное поле напряжений. Оно включает сжимающие, сдвиговые и растягивающие компоненты, а материал вблизи отпечатка может испытывать значительную пластическую деформацию. На измеряемый отклик влияют упрочнение при деформации, упругое восстановление, трение, геометрия индентора, подготовка поверхности и размер зоны пластической деформации. Кроме того, результат отражает свойства материала непосредственно под испытуемой поверхностью, а не обязательно средние свойства всей детали.

Локальный характер этого метода объясняет, почему твердость полезна для выявления градиентов и последствий обработки. Закаленно-отпущенный мартенситный слой, обезуглероженная поверхность, зона термического влияния сварного шва или цементованный слой могут иметь значение твердости, резко отличающееся от значения в сердцевине. На результат также могут искажать влияние расстояние между отпечатками, расстояние до края, толщина образца, кривизна и шероховатость поверхности. Значение твердости без указания шкалы, метода испытания, нагрузки и состояния материала является неполным. «60» может означать 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA или примерно 60 HV при указанной нагрузке; эти значения неэквивалентны.

Предел прочности при растяжении, напротив, представляет собой максимальное условное напряжение, достигнутое при одноосном испытании на растяжение. Образец растягивают на расчетной длине, а заявляемый предел прочности при растяжении, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, рассчитывают как отношение максимальной нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения. Такое испытание охватывает деформацию в относительно большом объеме материала в пределах расчетной длины и позволяет определить дополнительные характеристики, включая поведение при текучести, равномерное удлинение, полное удлинение и относительное сужение. Отпечаток от индентора не позволяет получить эти измерения деформации при растяжении.

Это различие особенно важно для неоднородной стали. При испытании поверхностной твердости результат может в основном определяться тонким упрочненным слоем, даже если сердцевина имеет более низкий предел прочности при растяжении. И наоборот, крупнозернистая область, полосчатая микроструктура, содержание неметаллических включений или локальные различия в термической обработке могут иначе влиять на образец для испытания на растяжение, чем на небольшой отпечаток. Твердость и прочность могут изменяться согласованно в пределах контролируемой производственной группы материалов, однако такая взаимосвязь является эмпирическим результатом, а не определением.

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

Часто повторяемое правило гласит:

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

Когда твердость по Виккерсу и предел прочности при растяжении выражены в совместимых единицах, это соотношение иногда полезно для грубой оценки порядка величин. Например, материал с $H_{\mathrm{V}}=600$ может соответствовать пределу прочности при растяжении около $2,000\text{МПа}$, если используется соотношение такого вида. Однако этот расчет не является сертификатом на материал и не должен выдаваться за него.

Это соотношение было установлено для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, сообщалось, что отношение твердости к прочности зависит от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Эти оговорки имеют решающее значение. Коэффициент три не является общим уравнением для всех сталей, всех шкал твердости или всех режимов термической обработки. Он не становится действительным лишь потому, что измеренное значение называется твердостью по Виккерсу.

С точки зрения механики это приближение имеет правдоподобное обоснование. Пластическая деформация под индентором требует высокого репрезентативного напряжения течения, тогда как предел прочности при растяжении отражает уровень напряжений, достигнутый при одноосной деформации и деформационном упрочнении. Для ограниченного класса материалов, в котором существует устойчивая связь между репрезентативным давлением при вдавливании, напряжением течения и откликом при растяжении, может возникнуть близкое к постоянному соотношение. При изменении механизма деформации или характера деформационного упрочнения это соотношение также изменяется.

Одна и та же марка стали может отклоняться от этого приближения после применения различных технологических маршрутов. Ферритно-перлитная структура, бейнит, отпущенный мартенсит и закаленный мартенсит упрочняются при нагружении неодинаково. Остаточный аустенит, распределение карбидов, размер зерна, остаточные напряжения и предшествующая деформация могут изменять форму отпечатка и кривую растяжения. Высокоуглеродистая инструментальная сталь, низкоуглеродистая конструкционная сталь и аустенитная нержавеющая сталь могут иметь разные отношения твердости к пределу прочности при растяжении даже при близких номинальных значениях твердости.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Опубликованные эмпирические исследования подтверждают ограниченное, зависящее от условий применение этой зависимости, а не ее универсальную замену. В исследовании, опубликованном в Materials Today: Proceedings в 2023 году, была выявлена в целом линейная связь между твердостью по Бринеллю и параметрами предела прочности при растяжении для исторических и современных нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат применим к данной совокупности материалов и данному состоянию. Он не устанавливает такую же зависимость для легированной стали после закалки и отпуска, холоднодеформированного листа, цементованных деталей или сварных конструкций.

Единицы измерения также требуют осторожности. Твердость по Виккерсу обычно указывают как безразмерное число твердости, хотя она связана с силой, отнесенной к площади. Предел прочности при растяжении обычно выражают в МПа или Н/мм². Поскольку $1{\text{кгс/мм}}^2$ приблизительно равно $9.807\text{МПа}$, неосторожное смешение условных единиц твердости и единиц напряжения СИ может привести к ошибке почти на порядок величины. Корректный отчет должен содержать уравнение, единицы измерения, совокупность материалов и неопределенность.

Почему оценки предела прочности при растяжении являются наименее надежными пересчетами

Пересчет между шкалами твердости и оценка предела прочности при растяжении — это неравнозначные задачи. ASTM E140-12, Стандартные таблицы пересчета твердости металлов, содержит приближенные соотношения между значениями по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, поверхностному Роквеллу, Кнупу, склероскопу и Либу для определенных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM International указывает, что «на пересчеты влияют легирующий состав, структура зерна и термическая обработка». Поэтому таблицы описывают определенные эмпирические совокупности материалов; они не превращают любое значение твердости в универсальное свойство материала.

ISO 18265:2013, Металлические материалы — Пересчет значений твердости, устанавливает принципы пересчета значений твердости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении. В этом стандарте также указывается, что «пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно такому же материалу, который был испытан», а оценки предела прочности при растяжении определяются как наименее надежные пересчеты. Такая градация следует из самой цепочки вывода. Пересчет HRC в HV уже предполагает наличие связи между двумя методами вдавливания. Оценка ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ по любому из этих значений дополнительно предполагает связь между локальной пластичностью при вдавливании и одноосной деформацией в большом объеме материала.

В исследовании NIST, опубликованном в 1929 году и посвященном эмпирическим соотношениям между значениями по Роквеллу и Бринеллю, отмечалось, что предел прочности стали при растяжении часто можно оценивать по твердости по Бринеллю для коммерческих целей. Это практическое наблюдение, а не утверждение о физической идентичности этих характеристик. Слово «часто» зависит от совокупности сталей, их состояния и допустимой погрешности. Наблюдение NIST не отменяет необходимости проверять эту зависимость по данным испытаний на растяжение для соответствующей марки стали и технологического маршрута.

В техническом отчете SAE Испытания на твердость и пересчет чисел твердости, опубликованном в 1967 году, это ограничение сформулировано еще более явно: точные пересчеты необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку размер, масса, состав и технология обработки влияют на взаимосвязь. Массивная поковка, тонкая полоса и небольшой термообработанный штифт могут давать разные корреляции, даже если их номинальные марки стали идентичны. Геометрия изменяет стеснение деформации вокруг отпечатка, тогда как масса и размер сечения влияют на скорость охлаждения и, следовательно, на микроструктуру.

При принятии решений о приемке предел прочности при растяжении, полученный по твердости, следует обозначать как оценочный и сопровождать указанием измеренной шкалы, стандарта испытания, места измерения, марки материала, состояния после термической обработки, калибровочной совокупности и ожидаемой неопределенности. Если чертеж или спецификация на материал требуют указания предела прочности при растяжении, надлежащим подтверждением является испытание на растяжение, выполненное по применимому стандарту, а не пересчитанное значение, выбранное потому, что оно кажется близким к требованию. Твердость позволяет проводить предварительный контроль, сравнивать материалы и отслеживать изменения. Однако сама по себе она не может доказать все характеристики поведения стальной детали при растяжении.

Геометрия, размеры, масса и место проведения испытания

Значение твёрдости описывает реакцию определённого объёма материала под конкретным индентором. Оно не описывает только состав материала. Два образца, вырезанные из одной и той же марки стали, подвергнутой одинаковой термообработке, могут дать разные показания, если один из них тонкий, недостаточно поддерживается, имеет криволинейную или шероховатую поверхность, обезуглерожен либо измерение проводится рядом с ранее выполненным отпечатком. Поэтому измеренное значение может измениться, даже если состав сплава и режим термообработки остались прежними.

Это необходимо учитывать до любой попытки пересчёта. Таблица пересчёта может связать достоверный результат измерения по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу с приблизительным значением по другой шкале; однако она не может исправить отпечаток, искажённый изгибом, вибрацией, повреждением поверхности или неподходящим местом испытания. В техническом отчёте SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) специально подчёркивается, что точные зависимости должны разрабатываться для конкретного состава стали, режима термообработки и детали, поскольку размеры, масса, состав и технология обработки влияют на результат.

Минимальная толщина и расстояние до края

Испытуемая деталь должна иметь достаточную толщину, чтобы зона пластической деформации под отпечатком не достигала противоположной поверхности. Если это происходит, материал подложки уже не ограничивает формирование отпечатка так же, как массивный образец. Индентор может проникнуть глубже, либо геометрия контакта может измениться, что приведёт к получению значения твёрдости, более низкого либо иным образом смещённого относительно значения для детали достаточной толщины. Допустимая минимальная толщина зависит от шкалы твёрдости, типа индентора, приложенной силы и диапазона твёрдости; тонкий лист, подходящий для испытания по поверхностной шкале Роквелла, может не подходить для стандартного испытания по Роквеллу или Бринеллю.

Малые детали создают связанную с этим проблему. Компонент небольшой массы может перемещаться, наклоняться или упруго деформироваться под действием испытательной силы. Даже небольшое смещение изменяет глубину проникновения при испытании по Роквеллу и может повлиять на измерение диаметра отпечатка при испытании по Бринеллю. Приспособление может казаться жёстким, тогда как сама деталь изгибается. Особенно чувствительны тонкие фланцы, узкие рёбра и стенки полых профилей.

Имеет значение и расстояние до края. Отпечаток, расположенный слишком близко к краю, окружён меньшим объёмом материала, сопротивляющегося пластическому течению. Материал может выпучиваться в направлении свободного края, а измеренная диагональ или глубина отпечатка может отличаться от характеристик отпечатка на неограниченной поверхности. То же относится к отверстиям, пазам, шпоночным канавкам и резким изменениям сечения. Показание рядом с обработанной канавкой не обязательно является репрезентативным для прилегающего плоского участка.

Близко расположенные отпечатки также могут влиять друг на друга. Пластическая деформация от предыдущего отпечатка оставляет локально упрочнённую и смещённую область. Если следующий отпечаток расположен слишком близко, его размер или глубина могут измениться. Требования к расстояниям зависят от метода и твёрдости, поэтому определяющим должен быть применимый стандарт, а не удобное эмпирическое правило. Последовательность близко расположенных измерений может создать ложное впечатление воспроизводимости, поскольку каждое испытание влияет на следующее.

Опора, кривизна и масса детали

Опорная наковальня является частью измерительной системы. Твёрдая, стабильная и правильно установленная опора ограничивает перемещение и создаёт реактивную силу, необходимую для контролируемого формирования отпечатка. Податливая подложка, застрявшая окалина, заусенец, частица краски или неровное приспособление допускают локальную осадку. В этом случае индентор измеряет совокупную реакцию стали, опоры и любого материала, находящегося между ними.

Вибрация оказывает аналогичное воздействие. Проведение испытания рядом с прессом, шлифовальным станком или металлорежущим станком может нарушить приложение силы или измерение глубины. На детали небольшой массы вибрация может усиливаться из-за собственной податливости детали. Показание, полученное на массивном блоке, и показание, полученное на тонкой детали, лежащей на гибком приспособлении, не являются эквивалентными только потому, что в обоих случаях использовалась одна и та же шкала Роквелла.

Кривизна изменяет геометрию контакта. На выпуклой поверхности индентор контактирует с меньшим объёмом окружающего материала, чем на плоской поверхности, а сама поверхность может прогибаться от нагрузки. На вогнутой поверхности не менее проблематичными могут быть доступ и выравнивание. Важен радиус кривизны относительно размера отпечатка: широкая пологая кривизна может почти не влиять на результат, тогда как вал или труба малого радиуса могут давать существенное смещение. Индентор должен быть ориентирован нормально к локальной поверхности, а не просто выровнен относительно детали в целом.

Цилиндрические детали также требуют определения места измерения. Показание на вершине вала, рядом с его боковой поверхностью или на специально сплющенной испытательной площадке может отражать разные условия ограничения деформации. Если для испытания механически обработана площадка, её удаление может открыть другой слой и привести к тому, что результат перестанет характеризовать рабочую поверхность. В протоколе испытания следует указывать место и ориентацию измерения, толщину сечения и условия опирания, чтобы последующие показания можно было содержательно сравнивать.

Эти ограничения с ещё большей силой относятся к пересчитанным оценкам твёрдости и прочности. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приблизительные зависимости между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностной шкалой Роквелла, Кнупа, Склероскопа и Либа для указанных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM указывает, что «на пересчёт влияют состав сплава, структура зерна и термообработка». Ошибка, вызванная геометрией, не устраняется выбором другого столбца этой таблицы.

Подготовка поверхности и обезуглероживание

Состояние поверхности может изменить результат ещё до того, как индентор достигнет репрезентативного слоя стали. Окалина, ржавчина, гальваническое покрытие, краска, следы механической обработки и шероховатость поверхности мешают правильной установке индентора и оптическому измерению отпечатка по Бринеллю или Виккерсу. На шероховатой поверхности бывает трудно определить края небольшого отпечатка, а рыхлый фрагмент окалины может разрушиться под нагрузкой. Метод подготовки должен удалять загрязнения, не изменяя измеряемое металлургическое состояние материала.

Шлифование не является автоматически безвредным. Интенсивное шлифование может создавать термически изменённый слой, локальный отпуск, остаточные напряжения или поверхностный наклёпанный слой. Чрезмерное давление способно сформировать поверхность, которая будет твёрже или мягче расположенного ниже материала. Охлаждение, лёгкие проходы и удаление достаточного объёма материала помогают снизить этот риск, однако необходимая глубина зависит от процесса и детали. Полированная поверхность может улучшить оптическое измерение, но при слишком агрессивной подготовке всё равно представлять повреждённый материал.

Термообработка также может создавать преднамеренные или случайные градиенты твёрдости. Цементованный слой твёрже сердцевины с низким содержанием углерода, и неглубокий отпечаток может измерять только свойства этого слоя. По мере увеличения размера или глубины отпечатка влияние более мягкой подложки возрастает. В таком случае пересчёт, основанный на свойствах однородной стали, непригоден. Обезуглероживание действует противоположным образом: нагрев в обезуглероживающей атмосфере может удалить углерод с поверхности, оставляя мягкий слой над более твёрдой сталью. Поэтому испытание поверхностной твёрдости может привести к браку по спецификации, даже если внутренний материал ей соответствует, либо дать приемлемый результат, если испытательная сила проникает глубже этого слоя.

Локальные измерения требуют ещё большей осторожности. В металле шва, у границы сплавления и в зоне термического влияния могут присутствовать различные микроструктуры и градиенты твёрдости на очень малых расстояниях. Обычный отпечаток по Бринеллю может быть слишком большим, чтобы изолированно охарактеризовать одну зону, тогда как испытание микро-Виккерса или Кнупа способно разрешить этот градиент, но требует более тщательной подготовки и контроля расстояний между отпечатками. В протоколе следует указывать, относится ли значение к металлу шва, ЗТВ, неповреждённому основному металлу или заданному расстоянию от линии сплавления.

ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчёта шкал твёрдости и оценки предела прочности при растяжении, но указывает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который был испытан, а оценки прочности при растяжении относит к наименее надёжным пересчётам. Исследование NIST эмпирических зависимостей между шкалами Роквелла и Бринелля (1929) показало, что предел прочности стали часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей; однако это не превращает измерение поверхности изогнутой обезуглероженной детали в испытание на растяжение. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, для некоторых высокопрочных пластичных металлов была выявлена приблизительная зависимость $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, при этом показано, что отношение зависит от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Сначала необходимо контролировать геометрию и подготовку. В противном случае пересчёт лишь придаёт видимую точность измерению, которое изначально не характеризовало предполагаемый объём материала.

Градиенты твёрдости, глубина упрочнённого слоя и сварная или обработанная сталь

Преобразование твёрдости становится особенно неопределённым, когда твёрдость изменяется на протяжении нескольких десятых миллиметра. Цементированные, азотированные, индукционно-упрочнённые, обработанные лазером, сварные стали, а также стали, изготовленные аддитивными методами, могут содержать несколько микроструктурных областей в пределах размера одного отпечатка или интервала, используемого при стандартном контроле. Указанная «преобразованная прочность при растяжении» в таком случае создаёт ложное впечатление однородности. Она может характеризовать только испытанную поверхность, отпечаток, на который повлияли две зоны, или среднее значение, скрывающее область, определяющую развитие трещин, износ или деформацию.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals (2012), содержит приближённые соотношения между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для указанных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. Ключевым здесь является предупреждение стандарта: «На результаты преобразования влияют легирование, структура зерна и термическая обработка». Градиент добавляет ещё одну переменную: местоположение. ISO 18265:2013 устанавливает, что преобразованные значения непосредственно применимы только к точно соответствующему испытанному материалу, тогда как оценки прочности при растяжении являются наименее надёжным видом преобразования. Поэтому локальное значение твёрдости может быть полезно для проверки технологического процесса, но не быть обоснованной оценкой объёмной прочности детали при растяжении.

Профили поверхностного упрочнения

Цементация создаёт обогащённую углеродом поверхность, которая после закалки обычно превращается в высокоуглеродистый мартенсит, тогда как сердцевина с более низким содержанием углерода сохраняет иные закаливаемость и вязкость. При азотировании образуются соединительный слой и диффузионная зона, твёрдость которых уменьшается с глубиной; профиль зависит от химического состава стали, азотирующего потенциала, температуры, продолжительности процесса и предшествующего отпуска. Индукционное упрочнение формирует быстро закалённый мартенситный слой над переходной областью и более мягкой сердцевиной. Лазерная закалка или лазерное легирование могут создавать ещё более узкие зоны неправильной формы, особенно в случаях, когда изменяются перекрытие проходов, скорость охлаждения или разбавление.

Твёрдость поверхности и твёрдость сердцевины отвечают на разные вопросы. Измерение вблизи поверхности может подтвердить, что цементированный слой достиг заданной твёрдости, но не может заменять характеристику прочностных свойств сердцевины с низким содержанием углерода. И наоборот, измерение в сердцевине мало что говорит о сопротивлении контактной усталости или адгезионному износу рабочей поверхности. Единичный результат по шкале Rockwell C на тонком упрочнённом слое особенно подвержен влиянию подложки: поле деформации распространяется ниже упрочнённого слоя, поэтому более мягкая сердцевина может снизить кажущееся значение. Дополнительную погрешность могут вносить чрезмерная кривизна поверхности, недостаточная опора или шероховатый соединительный слой.

Профиль обычно получают после подготовки поперечного сечения и его тщательной полировки, размещая отпечатки Виккерса на измеренных расстояниях от поверхности. Испытательная нагрузка должна создавать отпечатки, достаточно большие для надёжного измерения, но достаточно малые для разрешения градиента. Отпечатки, расположенные слишком далеко друг от друга, не выявляют переход; отпечатки, расположенные слишком близко, взаимодействуют через перекрывающиеся поля пластической деформации. ISO 6507-1 и ASTM E384 устанавливают требования к испытаниям по Виккерсу и Кнупу, включая ограничения, связанные с расстояниями между отпечатками, краями и измерениями. Следует указывать применимый стандарт и испытательную нагрузку, а не сообщать результат лишь как «микротвёрдость».

Глубина упрочнённого слоя — это не просто глубина расположения точки с максимальной твёрдостью. Эффективную глубину слоя обычно определяют как глубину, на которой твёрдость снижается до заданного предельного значения, однако это значение зависит от спецификации изделия, марки стали и метода испытаний. В достоверном отчёте следует указывать подготовку поверхности, испытательную нагрузку, тип индентора, начало отсчёта глубины, расстояние между отпечатками, шкалу твёрдости и использованный критерий эффективной глубины. Гладкая на вид кривая не устраняет неопределённость; разброс может отражать распределение карбидов, наличие остаточного аустенита, локальное обезуглероживание или разрешающую способность измерения.

Металл сварного шва и зоны термического влияния

Поперечное сечение сварного соединения представляет собой последовательность зон, а не один материал. Металл сварного шва, образовавшийся при сварке плавлением, может отличаться от основного металла по составу и структуре затвердевания. Непосредственно рядом с ним зона термического влияния (ЗТВ) может содержать крупнозернистую, мелкозернистую, межкритическую и субкритическую области. В углеродистых и низколегированных сталях быстро охлаждённая крупнозернистая ЗТВ может образовывать твёрдый мартенсит или бейнит, тогда как отпущенная или межкритическая область может быть более мягкой и склонной к локальному разупрочнению. В каждом из участков — усилении шва, корне шва, границе сплавления и незатронутом основном металле — могут получать различные показания.

Положение отпечатка имеет значение. Отпечаток, расположенный по центру границы сплавления, может отражать смешанное поле деформации металла шва и ЗТВ, поэтому его значение нельзя уверенно отнести к какой-либо одной зоне. Первый отпечаток должен находиться на достаточном расстоянии от линии сплавления и края образца, чтобы выполнялись требования применимого стандарта испытаний, однако ряд отпечатков всё же должен проходить достаточно близко, чтобы разрешить самую узкую зону. Практическое картирование выполняют по документированной сетке или линии прохода, используя меньшие интервалы в области границы сплавления и переходов твёрдости, чем в однородном основном металле. Точные интервалы должны соответствовать выбранному методу и спецификации приёмки; их не следует выбирать только из соображений удобства.

Твёрдость сварного соединения часто проверяют для управления технологическим процессом, оценки риска водородного растрескивания или подтверждения аттестованной сварочной процедуры. Однако такая цель не превращает измерение твёрдости в испытание на растяжение. Высокая локальная твёрдость ЗТВ может указывать на мартенситную структуру и повышенную склонность к растрескиванию, тогда как низкое значение может свидетельствовать о чрезмерном отпуске или потере прочности. Ни один из этих результатов не устанавливает прочность всего сварного соединения при растяжении. Прочность соединения также зависит от геометрии шва, дефектов, остаточных напряжений, степени стеснения, вязкости и наиболее слабой локальной области.

Картирование локальной твёрдости без ложного усреднения

При картировании твёрдости следует сохранять информацию о местоположении, а не сводить все измерения к одному среднему значению. Необходимо записывать координаты относительно базовой поверхности или осевой линии шва, идентифицировать микроструктурную зону и приводить отдельные значения либо представлять профиль твёрдости по глубине на графике. Среднее значение может скрыть узкий максимум или минимум: десять измерений в мягком основном металле могут перевесить два критически важных измерения в хрупкой ЗТВ. Если требуется среднее значение, вместе с ним следует указывать диапазон, стандартное отклонение, число измерений и правила исключения результатов.

Тот же принцип применяется к лазерно обработанным дорожкам и сталям, изготовленным аддитивными методами. Границы ванн расплава, границы между слоями, повороты направления сканирования, дефекты несплавления, пористость и повторно нагретые полосы могут создавать зависящую от направления твёрдость. Поверхностная сетка может не выявить подповерхностную полосу, а поперечное сечение — вариации вдоль траектории сканирования. Поэтому при вероятной анизотропии измерения следует проводить более чем в одном направлении с учётом геометрии процесса.

Непосредственно измеренная твёрдость остаётся основным результатом. Преобразованное значение по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу следует обозначать как преобразованное и связывать с указанной таблицей, состоянием материала и местом испытания. Исследование NIST 1929 года показало, что прочность стали при растяжении во многих случаях можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей, а исследование 2023 года выявило в целом линейную зависимость для нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии. Эти результаты не подтверждают возможность преобразования твёрдости цементированного слоя, ЗТВ или поверхности, обработанной аддитивным методом, в объёмную прочность при растяжении. Даже приближённое соотношение Hᵥ ≈ 3σUTS, приведённое в исследовании 2012 года в Materials Science and Engineering: A, применимо к некоторым высокопрочным пластичным металлическим материалам, но не ко всем сталям или микроструктурам. Если проектирование, приёмка или оценка разрушения зависят от свойств при растяжении, следует провести испытание на растяжение репрезентативного материала.

Как выбрать пересчёт для конкретной стали

Пересчёт твёрдости следует начинать с измеренного результата, а не с числа, требуемого спецификацией. Точно зафиксируйте исходную шкалу — например, 220 HBW, 32 HRC, 410 HV или 72 HRA — вместе с методом испытания, индентором, испытательной нагрузкой, подготовкой поверхности и местом измерения. «Твёрдость» без указания шкалы — неполная информация. Пересчитанное значение — это не второе измерение, а оценка, полученная на основе эмпирической зависимости.

Определите марку, форму изделия и состояние

Сначала определите сталь настолько точно, насколько позволяют имеющиеся записи. Обозначение, такое как AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 или ASTM A681 W1, описывает семейство материалов, но само по себе не устанавливает зависимость твёрдости. Химический состав в пределах, установленных спецификацией, может изменять реакцию на вдавливание, а два изделия одной и той же номинальной марки могут иметь различное распределение углерода, разный размер зёрен, содержание неметаллических включений или долю остаточных фаз.

Зафиксируйте форму изделия: плита, лист, пруток, проволока, труба, поковка, отливка, сварная конструкция или механически обработанная деталь. Толщина и размер локального сечения имеют значение, поскольку под отпечатком должно находиться достаточное количество материала. Отпечаток Бринелля в толстой поковке из стали 4140 охватывает больший объём, чем отпечаток Виккерса вблизи поверхности листа толщиной 1 мм. Эти два результата могут характеризовать разные области микроструктуры, даже если оба представлены как числа твёрдости.

Состояние материала имеет не меньшее значение. Укажите, является ли материал отожжённым, нормализованным, закалённым и отпущенным, подвергнутым обработке старением, холодной деформации, цементации, азотированию, индукционной закалке или иной поверхностной обработке. Например, нормализованная сталь AISI 1045 и закалённая с отпуском сталь AISI 1045 могут иметь различную феррито-перлитную или мартенситную структуру и, следовательно, разные зависимости между твёрдостью и пределом прочности при растяжении. Деталь из цементированной стали AISI 8620 может демонстрировать высокую твёрдость поверхности при значительно более мягкой сердцевине. Пересчёт, основанный на предположении об однородной стали, не даёт достоверного описания такого градиента.

В записи также следует указать, проводилось ли испытание на шлифованной, полированной, обезуглероженной, окисленной, плакированной или дробеструйно обработанной поверхности. Поверхностные слои могут определять результат неглубокого испытания по Виккерсу, Кнупу или поверхностной шкале Роквелла. Напротив, крупный отпечаток Бринелля может усреднять свойства поверхностного слоя и расположенной под ним сердцевины. Если измерение выполнено вблизи сварного шва, зоны термического влияния, кромки, отверстия или изгиба, это место должно быть указано в результате.

ASTM E140-12, Стандартные таблицы пересчёта твёрдости для металлов, указывает, что «пересчёт зависит от сплава, структуры зёрен и термической обработки» (ASTM International, 2012). Это предупреждение является правилом выбора, а не просто общей оговоркой. Табличное значение для однородных углеродистых, легированных или инструментальных сталей не следует автоматически применять к цементированному слою, дуплексной микроструктуре или зоне сварного шва.

Согласуйте исходную и целевую шкалы

Затем определите, что именно должно обозначать целевое значение. Пересчёт 32 HRC примерно в 300 HBW представляет собой сопоставление одной шкалы с другой. Пересчёт 32 HRC в оценочный предел прочности при растяжении — это иная и менее надёжная операция. Первый результат следует указывать как пересчитанную твёрдость; второй — как оценочный предел прочности при растяжении с указанием основы расчёта и его ограничений.

Выбирайте шкалу испытания исходя из геометрии и состояния материала, а не начинайте с выбора таблицы пересчёта. Испытание по Бринеллю, регламентированное ASTM E10 или ISO 6506-1, часто подходит для достаточно толстых и относительно однородных сталей, поскольку крупный отпечаток усредняет локальные неоднородности. Однако этот метод плохо подходит для узкого сечения, тонкой стенки, малого радиуса или поверхности, расположенной близко к кромке. Шкалы Роквелла, регламентированные ASTM E18 или ISO 6508-1, позволяют быстро получать результаты, но выбранная шкала должна соответствовать твёрдости и толщине материала. Rockwell C не является универсальной заменой для испытаний любой стали: для более мягких сталей может потребоваться Rockwell B, а для тонких сечений или неглубоких закалённых слоёв — поверхностная шкала Роквелла.

Испытание по Виккерсу в соответствии с ASTM E384 или ISO 6507-1 удобно, когда доступная площадь мала или когда необходимо проследить изменение твёрдости по глубине цементированного слоя или через сварной шов. Испытание по Кнупу может быть предпочтительным для очень тонких слоёв или узких участков, поскольку вытянутый отпечаток позволяет выполнять локальные измерения. Портативное испытание по Либу может быть полезно для крупных деталей, которые невозможно доставить к стационарной установке, однако на результат влияют состояние поверхности, масса детали, кривизна, опора, направление удара и калибровка. Поэтому пересчёт значения по Либу в Rockwell следует связывать с разрешённым прибором Leeb и классом материала, а не считать его взаимозаменяемым с прямым испытанием по Роквеллу.

Механика вдавливания также ограничивает сопоставление. Разные шкалы используют различные формы инденторов и нагрузки, создавая различные зоны пластической деформации. Пересчёт работает лишь в той мере, в какой исследуемая сталь ведёт себя подобно материалам, на которых установлена соответствующая зависимость. Высокое значение твёрдости, находящееся вблизи верхнего предела одной шкалы, может ненадёжно пересчитываться в другую шкалу, даже если оба показания технически находятся в пределах их номинальных диапазонов.

Зависимость между твёрдостью и пределом прочности при растяжении особенно условна. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов была установлена приблизительная зависимость $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, однако также было показано, что соотношение твёрдости и прочности зависит от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Это выражение не является универсальным уравнением для сталей. Аналогично, исследование 2023 года, посвящённое историческим и современным нелегированным конструкционным сталям, выявило в целом линейную зависимость между твёрдостью по Бринеллю и параметрами прочности при растяжении для сталей в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат не устанавливает такую же зависимость для закалённой с отпуском стали 4340, азотированной стали 4140 или мартенситной инструментальной стали.

Проверьте область применения и диапазон стандарта

После определения материала и выбора шкал изучите область применения и примечания соответствующего стандарта. ASTM E140-12 содержит приблизительные зависимости между значениями по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, поверхностной шкале Роквелла, Кнупу, склероскопу и Leeb для определённых металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. Таблица должна охватывать как соответствующую категорию материала, так и измеренный диапазон твёрдости. Не следует экстраполировать за пределы диапазона только потому, что числовая зависимость выглядит плавной.

ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчёта значений твёрдости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении. В стандарте указано, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно такому же материалу, который подвергался испытанию, а оценки предела прочности при растяжении определены как наименее надёжные пересчёты. Поэтому марка, состояние и история изготовления изделия являются важными подтверждающими данными при ссылке на таблицу ISO.

Опубликованные таблицы наиболее обоснованно применять в тех случаях, когда химический состав и металлургическое состояние стали близки к материалам, представленным в исходной выборке таблицы, испытание выполнено в пределах указанного диапазона, геометрия образца соответствует исходному методу, а результат не используется в качестве сертификата механических свойств при растяжении. Табличный пересчёт может быть достаточным для производственного контроля или предварительного сравнения. Однако сам по себе он недостаточен, если от предела текучести, предела прочности при растяжении или характеристик разрушения зависят условия контракта, оценка безопасности или расчёт конструкции.

Для ответственных решений проведите лабораторное сопоставление. Испытайте представительные образцы — либо соседние образцы из той же плавки, изделия той же формы и толщины, изготовленные в рамках той же партии термической обработки, — исходным методом измерения твёрдости и требуемым целевым методом либо методом испытания на растяжение. Парные измерения должны охватывать фактический рабочий диапазон, включать повторные показания и анализироваться с использованием пределов прогнозирования, а не одной аппроксимирующей прямой. В техническом отчёте SAE Испытания твёрдости и пересчёт чисел твёрдости (1967) этот основной принцип сформулирован непосредственно: точные пересчёты необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку на зависимость влияют размеры, масса, состав и технология изготовления. Исследование NIST 1929 года показало, что предел прочности стали при растяжении часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей, однако этот результат подтверждает возможность практической оценки, а не существование универсального закона.

Сначала указывайте исходное измеренное значение, затем пересчитанное значение, использованные таблицу или модель, состояние материала и неопределённость либо соответствующую оговорку. Например: «Измерено 32 HRC; приблизительно 302 HBW по ASTM E140-12 для легированной стали с учётом диапазона таблицы и ограничений, связанных с материалом». Если предел прочности при растяжении получен косвенно, прямо обозначьте его как оценочный. Когда это свойство определяет приёмку или проектирование, следует непосредственно провести испытание на растяжение.

Валидация, неопределённость и решения о приемке

Пересчёт твёрдости является обоснованным только в том случае, если его основа соответствует оцениваемому материалу. Релевантным является сравнение не изолированного числа твёрдости с табличным значением, а измеренной твёрдости с измеренными характеристиками растяжения материала, имеющего те же марку, термическую обработку, размер сечения и историю изготовления. Пересчёт, разработанный для нормализованной плиты, не следует автоматически применять к закалённому и отпущенному прутку, холоднодеформированному листу, цементированным деталям или материалу в зоне влияния сварки, даже если номинальная химическая марка материала идентична.

Парные испытания и регрессионный анализ

Валидация начинается с испытаний парных образцов или парных участков репрезентативного материала. Твёрдость измеряют указанным методом — например, по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу, — а испытания на растяжение проводят в соответствии с применимым стандартом на растяжение на материале, взятом из той же плавки, в той же форме изделия, ориентации и диапазоне толщин и изготовленном по тому же технологическому маршруту. План испытаний должен сохранять состояние материала, имеющее значение при эксплуатации: пруток из стали 42CrMo4 в закалённом и отпущенном состоянии не может быть адекватно представлен несвязанным с ним отожжённым материалом 42CrMo4, а плиту из ASTM A36 не следует объединять с конструкционной маркой нормализованной стали более высокой прочности только потому, что обе стали являются углеродистыми.

До построения любой зависимости необходимо обеспечить контроль процедуры измерения твёрдости. Следует регистрировать шкалу, индентор, испытательную нагрузку, время выдержки, подготовку поверхности, расстояние между отпечатками и расстояние до кромок или участков криволинейной поверхности. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приближённые соотношения между значениями твёрдости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, поверхностному Роквеллу, Кнупу, склероскопу и Leeb для указанных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM указывает, что «на пересчёт влияют легирующие элементы, структура зерна и термическая обработка». Это утверждение является ограничением применимости таблицы, а не второстепенной оговоркой.

Предсказательный интервалПредсказательный интервал Интервал, выражающий ожидаемый диапазон для отдельного будущего результата и включающий как неопределённость модели, так и разброс между материалами.

Затем измеренные величины можно связать с помощью регрессионного анализа. В зависимости от данных на ограниченном диапазоне может оказаться пригодной линейная модель:

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

где $R_m$ — измеренная прочность на растяжение, а $H$ — измеренная твёрдость по указанной шкале. Может потребоваться нелинейная модель, модель для конкретной марки или отдельные модели для различных режимов термической обработки. Модель следует строить по парным наблюдениям, а не по значениям твёрдости, скопированным из таблицы пересчёта. Необходимо указывать число плавок, количество образцов от каждой плавки, диапазон твёрдости, диапазон прочности на растяжение, оценки коэффициентов, остаточное стандартное отклонение и доверительные интервалы для расчётного среднего значения и для индивидуального прогноза.

Различие между этими интервалами имеет существенное значение. Доверительный интервал вокруг прогнозируемой средней прочности на растяжение характеризует неопределённость оценки усреднённой зависимости. Интервал индивидуального прогноза также учитывает разброс между образцами и поэтому является более широким. Решения о приемке относятся к отдельному материалу, а не к абстрактному среднему значению. Поэтому узкая регрессионная линия может сочетаться с настолько широким интервалом прогноза, что он не позволит обосновать предельное значение, установленное спецификацией.

Систематическое смещение необходимо проверять отдельно от разброса. Если пересчитанная прочность на растяжение стабильно выше результатов прямых испытаний на растяжение, пересчёт имеет положительное смещение и может привести к ошибочной приемке материала недостаточной прочности. Следует сравнивать остатки в зависимости от твёрдости, плавки, толщины сечения, ориентации и партии термической обработки. График остатков может выявить криволинейность, изменение дисперсии или кластер, связанный с одной загрузкой печи. Один общий коэффициент корреляции не выявит такие эффекты.

Выбросы требуют исследования, а не автоматического удаления. Экстремальный результат может быть обусловлен неправильным расположением отпечатка, неудовлетворительной подготовкой поверхности, дефектом образца для испытания на растяжение, ошибкой при переносе данных либо реальной ликвацией и вариацией микроструктуры. Исключение результата обосновано только при наличии документированной технической причины и, по возможности, повторного испытания. В противном случае выброс является частью зависимости, устойчивость к которой должна обеспечивать процедура приемки.

Исторические данные объясняют, почему применение моделей с ограниченной областью действия может быть успешным. В исследовании 2023 года, опубликованном в Materials Today: Proceedings, была установлена в целом линейная эмпирическая зависимость между твёрдостью по Бринеллю и параметрами прочности на растяжение для исторических и современных нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат не устанавливает такую же зависимость для легированных, закалённых и отпущенных, дисперсионно-твердеющих, цементированных или интенсивно холоднодеформированных сталей. Аналогично, в исследовании NIST 1929 года сообщалось, что прочность стали на растяжение часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю в коммерческих целях, однако оценка, пригодная для предварительного контроля, не является универсальным законом поведения материала.

Повторяемость, воспроизводимость и неопределённость

Повторяемость характеризует вариацию результатов, когда один и тот же оператор использует один и тот же прибор и метод на достаточно сходных участках в тщательно контролируемых условиях. Воспроизводимость имеет более широкий смысл: она включает изменения оператора, прибора, лаборатории, дня проведения испытания или схемы испытаний. Эти составляющие не следует смешивать с разбросом зависимости между твёрдостью и прочностью.

Например, пять повторных отпечатков по Виккерсу могут показать небольшую вариацию, свидетельствующую о хорошей повторяемости, тогда как результаты прямых испытаний на растяжение номинально одинаковых образцов могут существенно различаться из-за расстояния между пластинками феррита и перлита, отпуска мартенсита, полосчатости, неметаллических включений или локальной ликвации. И наоборот, стабильный материал может демонстрировать плохую повторяемость из-за шероховатости поверхности, слишком малой толщины детали, слишком близкого расположения отпечатка к кромке либо неисправности индентора или системы проверки нагрузки. Первая проблема относится к модели пересчёта, вторая — главным образом к измерительной системе.

Оценка неопределённости должна включать калибровку, разрешающую способность прибора, влияние оператора и лаборатории, влияние состояния поверхности и геометрии, отбор проб, а также остаточную вариацию эмпирической зависимости. Поэтому пересчитанный результат — это не просто «измеренная твёрдость ± неопределённость прибора». Он также содержит неопределённость, обусловленную самим пересчётом. ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчёта значений твёрдости между шкалами и оценки прочности на растяжение, одновременно предупреждая, что «пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который был испытан». В этом стандарте также указано, что оценки прочности на растяжение являются наименее надёжными видами пересчёта.

Результат часто определяется главным образом отбором проб. Один отпечаток при измерении твёрдости характеризует небольшой объём, тогда как образец для испытания на растяжение — значительно больший объём, имеющий иную ориентацию. Несколько измерений с одной удобной поверхности не представляют всю поковку, плиту, сварную конструкцию или рулонный материал. Отбор проб должен охватывать плавки, участки, толщины и ориентации, которые может создавать производственный процесс. Если зависимость валидирована только для материала по осевой линии, она не должна без специального указания применяться к поверхностно упрочнённым или обезуглероженным зонам.

Та же осторожность необходима в отношении простых формул. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов была установлена приближённая зависимость $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$. Однако соотношение между твёрдостью и прочностью зависит от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка. Рассматривать это выражение как универсальное уравнение для стали означает получить внешне точный результат без обоснованной оценки неопределённости.

Когда пересчёт непригоден для приемки

Пересчёт непригоден, если спецификация требует определения прочности на растяжение, а сам пересчёт не был валидирован для точно определённых изделия и состояния материала. Во всех случаях, когда приемка зависит от предела текучести, прочности на растяжение, относительного удлинения, относительного сужения или другого связанного с растяжением свойства, определяющим должно быть прямое испытание на растяжение, выполненное согласно применимому стандарту на материал. Пересчитанное значение может использоваться для мониторинга процесса, сортировки или расследования, но не должно заменять приемочное испытание только потому, что измерение твёрдости выполняется быстрее.

Особая осторожность необходима вблизи границы, установленной спецификацией. Предположим, что стандарт на материал требует минимальную прочность на растяжение $R_m$, а таблица твёрдости даёт внешне точный эквивалент. Таблица не превращает это минимальное значение в точный предел твёрдости. Округление, систематическое смещение модели, неопределённость прогноза и вариация отбора проб могут переместить материал через установленную границу. Поэтому значение твёрдости, лишь немного превышающее пересчитанный порог, может иметь существенную вероятность несоответствия требованию прямого испытания на растяжение; значение, лишь немного меньшее этого порога, не обязательно доказывает несоответствие.

Применимый стандарт также определяет, допускается ли пересчёт вообще. ISO 18265:2013 и ASTM E140-12 устанавливают принципы или приводят табличные приближённые зависимости, но не дают общего разрешения заменять один вид испытания другим. Технический отчёт SAE 1967 года Hardness Tests and Hardness Number Conversions также подчёркивает, что точные зависимости необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку на эту зависимость влияют размер, масса, состав и технология изготовления.

В процедурах приемки следует указывать, является ли приведённое число измеренной твёрдостью, пересчитанной твёрдостью или оценённой прочностью на растяжение. Эти обозначения нельзя объединять. Если пересчёт для предварительного контроля указывает на возможное несоответствие, необходимо провести установленное прямое испытание или утверждённое расследование. Если результаты испытаний на растяжение отсутствуют, следует приводить пересчитанное значение вместе с его источником, областью применимости к материалу, неопределённостью и ограничениями, а не представлять его как гарантированную характеристику прочности на растяжение.

Распространённые ошибки в таблицах перевода значений твёрдости

Таблицы перевода значений твёрдости полезны только в том случае, если измеренное значение, материал, его состояние и метод испытания соответствуют исходным условиям таблицы. Результат перевода не является вторым измерением. Это оценка, полученная на основе эмпирической зависимости, обычно характеризующейся разбросом, который увеличивается при отличии материала или условий испытания от тех, что использовались при установлении этой зависимости.

ASTM E140-12, Стандартные таблицы перевода значений твёрдости металлов, приводит приближённые зависимости между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для указанных металлов. Область применения включает однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали, однако таблицы не устраняют различия между этими классами. ASTM указывает, что «на результаты перевода влияют легирующие элементы, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 формулирует тот же практический вывод: переведённые значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который подвергался испытанию, тогда как оценки предела прочности при растяжении являются наименее надёжным видом перевода (ISO, 2013).

Приравнивание эквивалентных числовых значений

Запись в таблице, например 40 HRC ≈ 375 HBW, не означает, что результат 40 HRC и результат 375 HBW являются взаимозаменяемыми фактами. Первое значение — измеренный результат по шкале Роквелла C, полученный с использованием алмазного конуса, заданной предварительной и заданной основной нагрузки. Второе — значение по Бринеллю, соответствующее твердосплавному шарику, определённой силе и диаметру отпечатка. Это связанные оценки, а не дублирующие друг друга наблюдения.

Это различие имеет значение для записей контроля. Если на чертеже указано требование 35–40 HRC, результат по Бринеллю, переведённый в этот интервал, может использоваться для предварительного контроля, но не обязательно удовлетворяет требованию, сформулированному для испытания по шкале Роквелла C. Перевод может скрыть различие, вызванное глубиной отпечатка, локальной микроструктурой, состоянием поверхности или разбросом результатов испытаний. Если установленным методом приёмки является шкала Роквелла C, надлежащим подтверждением служит непосредственное измерение HRC.

Распространена и обратная ошибка: пользователь переводит HRC в HBW за пределами диапазона таблицы и сообщает экстраполированное число так, будто оно было приведено в таблице. Зависимость, откалиброванную, например, в диапазоне от 20 до 50 HRC, не следует безосновательно распространять на поверхность инструментальной стали с твёрдостью 62 HRC. При высокой твёрдости механика формирования отпечатка и содержание карбидов могут резко изменить эту зависимость. Граничные значения таблицы не являются точными границами, присущими материалу; они отражают пределы опубликованных данных или рекомендуемой корреляции. Значение, лишь немного выходящее за такую границу, не обязательно недействительно, однако оно не подтверждается данной таблицей и требует метода, соответствующего фактическому диапазону твёрдости.

Исходный результат измерения должен оставаться видимым. Запись «420 HBW, переведённые в 44 HRC» существенно лучше, чем простое указание «44 HRC», поскольку она сообщает читателю, что испытание по Роквеллу не проводилось. Надлежащая запись включает измеренную шкалу, шкалу, в которую выполнен перевод, стандарт испытания, место измерения, а также состояние материала или термической обработки.

Смешение шкал, единиц и условий применения индентора

Обозначения твёрдости содержат информацию об испытании. Шкалы HRC, HRB и поверхностного Роквелла не являются взаимозаменяемыми вариантами одного и того же числа по Роквеллу. В шкале HRC используется алмазный индентор и основная нагрузка 150 кгс; в шкале HRB обычно применяется шариковый индентор и основная нагрузка 100 кгс. В поверхностных шкалах Роквелла используются меньшие нагрузки и собственные обозначения, например 30N или 30T. Пропуск суффикса может превратить прослеживаемый результат в неоднозначный.

То же предупреждение относится к обозначениям по Бринеллю. HBW указывает на шарик из карбида вольфрама, тогда как в старых записях могут использоваться обозначения HB или HBS, не содержащие той же информации об инденторе. Результат по Бринеллю также зависит от диаметра шарика, испытательной силы, времени выдержки и отношения силы к диаметру отпечатка. Два значения, записанные как «HB», могли быть получены при неодинаковых условиях.

Твёрдость по Виккерсу, обозначаемая HV с обычно указываемой в обозначении испытательной силой, также часто становится источником ошибок. HV — это число твёрдости, а не значение предела прочности при растяжении. Утверждение вроде «сталь с твёрдостью 650 HV имеет предел прочности при растяжении 650 МПа» смешивает несвязанные величины и может ошибаться на большую величину. Для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов исследования выявили приближённое соотношение $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, однако в том же исследовании отмечается, что соотношения между твёрдостью и прочностью зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка (Materials Science and Engineering: A, 2012). Поэтому это выражение представляет собой ограниченное эмпирическое приближение, а не закон перевода.

Единицы измерения создают ещё одну ловушку. Твёрдость по Бринеллю не является значением напряжения, хотя её численное определение включает силу и площадь. Предел прочности при растяжении может указываться в МПа или ksi, тогда как шкалы твёрдости являются безразмерными испытательными числами со специфическим для каждой шкалы смыслом. Таблица, оценивающая предел прочности при растяжении по HBW, должна быть обозначена как источник оценки, с указанием источника и диапазона материалов.

Геометрия может сделать непригодной даже в целом подходящую шкалу. Тонкий лист может давать завышенный или заниженный результат, если отпечаток слишком глубок или опора недостаточна. Небольшая деталь, криволинейная поверхность, узкая кромка или локально упрочнённый слой могут не обеспечивать достаточного объёма материала для предполагаемого отпечатка. В отчёте SAE Испытания на твёрдость и перевод чисел твёрдости (1967) указано, что точные зависимости перевода должны разрабатываться для конкретного состава стали, термической обработки и детали, поскольку на эту зависимость влияют размеры, масса, состав и технология обработки.

Экстраполяция между марками стали или состояниями термической обработки

Наиболее опасная ошибка связана не с арифметикой. Это непроверенная замена материала: применение зависимости, установленной для одной стали, к другой только потому, что обе обозначены как «сталь».

Зависимость для углеродистой стали может достаточно хорошо работать для нелегированной углеродистой марки в нормализованном состоянии и оказаться непригодной для высоколегированной инструментальной стали, нержавеющей стали, упрочнённой дисперсионным выделением, или низкоуглеродистой цементованной стали. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 и AISI 17-4 PH не имеют единой зависимости между твёрдостью и прочностью. Содержание легирующих элементов, карбидные или выделившиеся фазы, остаточный аустенит, размер зерна и характер деформации изменяют как поведение при вдавливании, так и поведение при растяжении.

Термическая обработка может иметь решающее значение даже в пределах одной марки. Закалённая и отпущенная AISI 4140, отожжённая AISI 4140 и индукционно упрочнённая AISI 4140 в одной точке могут иметь одинаковую номинальную объёмную твёрдость, но различаться распределением прочности, остаточными напряжениями и характером разрушения. Особенно легко не заметить поверхностное упрочнение. Цементация, азотирование, индукционная закалка и лазерная закалка могут создавать твёрдый поверхностный слой над более мягкой сердцевиной. Неглубокий отпечаток по Роквеллу или Виккерсу может характеризовать поверхностный слой, тогда как более крупный отпечаток по Бринеллю может включать сердцевину. Перевод любого из этих результатов без указания глубины и места измерения создаёт ложное сравнение.

Исследование исторических и современных нелегированных конструкционных сталей выявило в целом линейную эмпирическую зависимость между твёрдостью по Бринеллю и параметрами предела прочности при растяжении для сталей в исходном или нормализованном состоянии (Materials Today: Proceedings, 2023). Этот вывод поддерживает контролируемое применение зависимости в пределах определённой совокупности сталей, но не обосновывает перенос этой зависимости на закалённую инструментальную или нержавеющую сталь. В исследовании NIST, опубликованном в 1929 году, также сообщалось, что предел прочности стали часто можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей, при этом зависимость рассматривалась как эмпирическая, а не универсальная (NIST, 1929).

Если механические свойства при растяжении влияют на проектирование, аттестацию сварки, оценку разрушения или приёмку, требуется непосредственное испытание на растяжение либо подтверждённая корреляция, специфичная для конкретной марки и состояния материала. Таблица должна помогать принимать обоснованные решения, а не заменять испытание, от которого фактически зависит решение.

Как правильно указывать твердость и пересчитанные характеристики

Данные о твердости следует представлять с указанием того, что было фактически измерено, и только затем приводить пересчет. Числовое значение твердости без указания шкалы, метода и условий испытания является неполным: «твердость 42» может означать 42 HRC, 42 HRB, 42 HV или 42 HBW, причем эти значения не описывают одинаковую реакцию материала. В отчете также должно быть ясно, получено ли это число в результате испытания методом вдавливания, по опубликованной таблице пересчета или оценено на основе эмпирической зависимости между твердостью и прочностью.

Сначала зафиксируйте исходный результат испытания

Первым значением в отчете должен быть измеренный результат в его исходной шкале и с исходным обозначением. Например:

> Измеренная твердость: 58 HRC, ASTM E18, сталь AISI 4140, закаленная и отпущенная при 540 °C; место испытания: середина радиуса, 10 мм ниже механически обработанной поверхности; поверхность шлифованная; калиброванный твердомер Роквелла, основная нагрузка 150 kgf.

Это утверждение идентифицирует результат, полученный при испытании по методу Роквелла. Оно не заменяет незаметно исходный результат числом по Бринеллю или Виккерсу. Если было выполнено несколько отпечатков, следует указать отдельные показания либо их среднее значение и диапазон, например: 58, 59, 58 HRC; среднее значение 58,3 HRC, диапазон 1 HRC. Количество отпечатков и расстояние между ними могут иметь значение, если материал обладает градиентом свойств, крупнозернистой микроструктурой, обезуглероживанием или локальной термической обработкой.

По возможности в отчете следует точно указывать марку стали в соответствии с применимым стандартом на материал. Обозначение «4140» менее точно, чем SAE J404 Grade 4140, а обозначение «нержавеющая сталь» недостаточно, если материал имеет обозначение UNS S30400, AISI 304 или другое установленное обозначение. Необходимо указать состояние после термической обработки: отожженное, нормализованное, закаленное и отпущенное, цементованное, азотированное или в состоянии поставки. Показание твердости азотированного слоя нельзя считать взаимозаменяемым с показанием, полученным в сердцевине.

Геометрические параметры должны быть включены в запись, поскольку тонкие сечения, небольшие детали, криволинейные поверхности и образцы малой массы могут искажать результаты испытания методом вдавливания. Следует указать толщину, диаметр, расстояние от края и то, проводилось ли испытание на плоской или криволинейной поверхности. Важна также подготовка поверхности. Необходимо указать механическую обработку, шлифование, полирование, удаление покрытия, а также наличие видимой окалины или обезуглероженного слоя. Для результата, полученного по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу, Кнупу или Либу, следует указать прибор либо как минимум метод испытания, нагрузку, индентор и соответствующий стандарт.

Укажите стандарт и основу пересчета

Пересчитанное значение должно следовать за исходным измерением, а не заменять его. Например:

> Измерено: 58 HRC, ASTM E18. Пересчитано: приблизительно 615 HV, эквивалент по Роквеллу согласно ASTM E140-12, таблица [применимая таблица], для указанного диапазона сталей; значение является приблизительным и не представляет собой отдельное измерение по Виккерсу.

Номер таблицы или уравнение следует фиксировать, если они указаны в источнике. Если результат предоставлен программным обеспечением, необходимо указать программное обеспечение, базу данных, редакцию и выбранную категорию материала. Формулировки «пересчитано в 615 HV» недостаточно, поскольку разные таблицы могут давать разные результаты, особенно вблизи границ заявленных диапазонов.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приблизительные зависимости между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для конкретных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM указывает, что «на пересчет влияют легирующий состав, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012). Это ограничение является частью результата. Его следует сохранять в чертежах, записях контроля и сертификатах, а не удалять для удобства представления.

ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчета значений твердости между шкалами, а также оценки предела прочности при растяжении. Его предупреждение более строгое, чем формулировки многих кратких таблиц пересчета: пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который был испытан, а оценки прочности при растяжении являются наименее надежными пересчетами (International Organization for Standardization, 2013). Поэтому в отчете следует явно указывать основу пересчета:

> Основа: ISO 18265:2013, таблица пересчета для сталей, приблизительное значение; применимость ограничена испытанной маркой и состоянием материала.

ASTM E140 и ISO 18265 не дают основания пересчитывать любые сочетания шкал. Их таблицы предусматривают категории материалов, диапазоны и ограничения, связанные с методом испытания. Пересчет за пределами этих ограничений следует обозначать как неподтвержденный либо не приводить вовсе.

Разделяйте измеренные, пересчитанные и оценочные значения

Используйте отдельные обозначения для трех различных видов информации:

> Измеренная твердость: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Пересчитанная твердость: приблизительно 22 HRC, ISO 18265:2013, применимая таблица для сталей. > Оценочная прочность при растяжении: приблизительно 760 MPa, эмпирическая зависимость между твердостью и прочностью; не измерено при испытании на растяжение.

Третье значение ни в коем случае нельзя представлять как прочность при растяжении: 760 MPa, если оно не было получено в результате испытания на растяжение. ISO 18265 относит оценки прочности при растяжении к наименее надежным пересчетам. Исследование NIST эмпирических зависимостей между шкалами Роквелла и Бринелля, опубликованное в 1929 году, показало, что предел прочности стали часто можно оценивать по твердости по Бринеллю для коммерческих целей, однако этот вывод описывает эмпирически удобный способ, а не универсальный закон. Прямое испытание на растяжение по-прежнему необходимо, если от предела текучести, предела прочности при растяжении, удлинения или относительного сужения зависят расчет конструкции, сертификация материала, расследование разрушения или решение о приемке.

Некоторые зависимости применимы только в пределах указанного класса материалов. В исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, была установлена приблизительная зависимость Hᵥ ≈ 3σUTS для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов. Это соотношение изменяется в зависимости от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка; его нельзя автоматически применять к ферритно-перлитной стали ASTM A36, закаленной и отпущенной стали SAE J404 Grade 4140, мартенситной нержавеющей стали или азотированной поверхности. В исследовании 2023 года, посвященном историческим и современным нелегированным конструкционным сталям, была выявлена в целом линейная эмпирическая зависимость между твердостью по Бринеллю и параметрами прочности при растяжении для материала в исходном или нормализованном состоянии. Этот результат не устанавливает такую же зависимость для закаленной и отпущенной, холоднодеформированной, цементованной или дисперсионно-твердеющей стали.

Таким образом, полная запись может выглядеть следующим образом:

> Материал: SAE J404 Grade 4140, закаленная и отпущенная при 540 °C; пруток диаметром 40 мм, испытание в середине радиуса; поверхность шлифованная. Измерено: 31 HRC, ASTM E18, калиброванный твердомер Роквелла. Пересчитано: приблизительно 295 HBW, ASTM E140-12, применимая таблица для легированных сталей; только приблизительное значение. Оценочная прочность при растяжении: приблизительно [значение] MPa по [указать уравнение или таблицу]; только оценка, не результат испытания на растяжение.

Такой формат сохраняет исходные данные, допущения и ограничения пересчета. Кроме того, он позволяет последующему проверяющему решить, требуется ли прямое испытание, и не принять удобное эквивалентное число за новое измерение.

Разбор металлургических сравнений без мнимой точности

Пересчет твердости вводит в заблуждение, если числовое значение воспринимают как характеристику материала, а не как результат конкретного испытания конкретного состояния стали. Значение по Бринеллю, измеренное на бездефектном однородном участке, может достаточно хорошо коррелировать с пределом прочности при растяжении в пределах контролируемой группы нормализованных сталей. Однако такое же числовое значение твердости для закаленной и отпущенной марки или для цементованного слоя детали уже не имеет того же значения.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приближенные соотношения между шкалами Бринелля, Виккерса, Роквелла, поверхностного Роквелла, Кнупа, склероскопа и Либа для определенных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. ASTM прямо указывает, что «на пересчет влияют легирующие элементы, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012). Это ограничение распространяется на каждое из приведенных ниже сравнений.

Нелегированная конструкционная сталь в нормализованном состоянии

Нормализованная нелегированная конструкционная сталь — это тот случай, когда зависимость между твердостью по Бринеллю и прочностью может быть относительно согласованной. В качестве примера можно рассмотреть марку ASTM A36 или марку S275JR по EN 10025-2, если материал действительно находится в нормализованном или эквивалентном мелкозернистом состоянии, а испытанный участок достаточно однороден. Нормализация измельчает и упорядочивает ферритно-перлитную структуру за счет нагрева выше критического интервала и охлаждения на воздухе. Она не делает каждую плавку стали идентичной, но уменьшает вариации состояния, которые осложняют интерпретацию твердости.

Для этого класса сталей измерение твердости по Бринеллю охватывает относительно большой объем материала благодаря отпечатку шарика. Поэтому результат эффективнее усредняет влияние феррита, перлита, неметаллических включений и локальных отклонений, чем отпечаток микротвердости очень малого размера. Если содержание углерода и марганца, размер зерна, толщина и история обработки остаются в пределах ограниченной совокупности, повышение твердости по Бринеллю, как правило, сопровождается повышением предела текучести и предела прочности при растяжении. В исследовании 2023 года, опубликованном в Materials Today: Proceedings, была установлена в целом линейная эмпирическая зависимость между твердостью по Бринеллю и параметрами прочности при растяжении для исторических и современных нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии (Materials Today: Proceedings, 2023).

«В целом линейная» не означает, что по одному отпечатку можно рассчитать гарантированное значение предела прочности при растяжении. Это описание аппроксимирующей зависимости для определенной совокупности материалов. Даже в пределах марок S275JR или ASTM A36 различия в толщине листа, практике раскисления, содержании фосфора и серы, истории прокатки и локальной ликвации могут смещать результат. Значение твердости, полученное в зоне термического влияния сварного шва, нельзя считать взаимозаменяемым со значением, измеренным в основном металле листа.

Более раннее исследование NIST эмпирических зависимостей между шкалами Роквелла и Бринелля пришло к практическому выводу, который сохраняет актуальность: предел прочности стали при растяжении часто можно оценивать по твердости по Бринеллю в коммерческих целях, однако такая оценка является эмпирической, а не универсальным законом (NIST, 1929). Таким образом, таблица пересчета может помочь выявить неоднородность материала или поддержать контроль процесса, если семейство стали и ее состояние соответствуют данным таблицы. Но она не заменяет испытание на растяжение, когда требуется подтвердить заданный предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение или критерий приемки.

Легированная сталь после закалки и отпуска

Легированная сталь после закалки и отпуска еще более наглядно демонстрирует недостатки широкого пересчета твердости. SAE 4140 и 42CrMo4 по EN 10083-3 могут обе описываться как хромомолибденовые стали, однако их зависимость «твердость–прочность» в значительной степени определяется режимом аустенитизации, интенсивностью закалки, температурой отпуска, временем выдержки и размером сечения. В одной и той же номинальной марке у закаленной поверхности может присутствовать отпущенный мартенсит, в промежуточной зоне — смесь бейнита и мартенсита, а ближе к центру крупного прутка — более мягкая структура превращения.

Состояние после отпуска имеет большое значение, поскольку твердость и поведение при растяжении во всем диапазоне отпуска изменяются не строго пропорционально. Мартенсит после низкотемпературного отпуска может сохранять высокую твердость при ограниченной вязкости; отпуск при более высокой температуре снижает твердость, одновременно повышая пластичность и снимая остаточные напряжения. Реакции вторичного твердения, выделение карбидов, остаточный аустенит и отпускная хрупкость могут дополнительно нарушать простую зависимость между одним числовым значением и прочностью. Пересчет HRC в HB может быть приемлемым как приближенное сопоставление шкал для однородного образца, однако оценка предела прочности при растяжении на основе пересчитанного значения HB может иметь значительно большую неопределенность.

Размер сечения имеет не меньшее значение. Небольшой образец из 42CrMo4 может прокалиться по всему сечению, тогда как крупный кованый вал той же марки может приобрести градиент твердости, поскольку сердцевина охлаждается медленнее. Измерение на поверхности с последующим распространением результата на все поперечное сечение может привести к завышению прочности сердцевины. В техническом отчете SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions указано, что точные пересчеты необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, режима термической обработки и детали, поскольку на зависимость влияют размер, масса, состав и технология обработки (SAE International, 1967).

Приближенное соотношение Hᵥ ≈ 3σUTS, приведенное для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов в исследовании 2012 года, опубликованном в Materials Science and Engineering: A, наглядно показывает опасность переноса полезной корреляции за пределы соответствующего класса материалов. В исследовании также отмечается, что отношения твердости к прочности зависят от класса материала, микроструктуры и морфологии отпечатка (Materials Science and Engineering: A, 2012). Это соотношение не следует применять как общее правило ко всем состояниям стали 4140 и тем более к цепочке пересчетов между несколькими шкалами твердости.

Поверхностно-упрочненная сталь с мягкой сердцевиной

Цементованная стальная деталь делает замену предела прочности при растяжении показателем твердости особенно небезопасной. В качестве примера можно рассмотреть SAE 8620 или 20MnCr5 по EN 10084 после цементации, закалки и отпуска. Обогащение углеродом формирует твердый мартенситный слой, тогда как низкоуглеродистая сердцевина остается значительно более вязкой и существенно более мягкой. Поэтому у детали нет единого значения твердости, которое представляло бы все ее механическое состояние.

Измерение по шкале C Роквелла на поверхностном слое характеризует сопротивление неглубокой приповерхностной области. Оно мало говорит о пределе текучести сердцевины, ее пределе прочности при растяжении, относительном удлинении или характере разрушения. Если слой тонок по сравнению с глубиной отпечатка или если испытательная нагрузка достигает переходной зоны, измеренное значение может быть занижено из-за влияния мягкой основы. Испытание по поверхностной шкале Роквелла или измерение микротвердости по Виккерсу может дать более точную характеристику слоя, но по-прежнему описывает только испытанный слой, а не весь материал. Профили микротвердости позволяют проследить изменение твердости от поверхности к сердцевине, однако сами по себе не могут установить кривую деформирования при растяжении.

Это различие влияет и на отбор проб. Удаление поверхностного слоя шлифованием перед испытанием по Бринеллю может дать содержательное значение твердости сердцевины, но такой результат необходимо указывать именно как измерение твердости сердцевины. Если поверхностный слой сохраняется и измерение выполняется на поверхности, получают характеристику слоя. Обозначение любого из этих значений как «твердости детали» скрывает градиент свойств.

ISO 18265:2013 устанавливает принципы пересчета значений твердости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении, однако указывает, что пересчитанные значения непосредственно применимы только к точно тому материалу, который был испытан, и относит оценки предела прочности при растяжении к наименее надежным видам пересчета (ISO, 2013). Зуб из цементованной стали SAE 8620 не является тем однородным материалом, который представлен в таблице пересчета для углеродистых сталей. Поэтому ASTM E140-12 не может превратить значение HRC поверхностного слоя в обоснованное значение предела прочности при растяжении всего материала.

Для принятия проектного решения или решения о приемке необходимо точно определить проверяемое свойство: твердость слоя, эффективную глубину слоя, твердость сердцевины или свойства при растяжении, полученные на отдельно подготовленном образце. Прямое испытание на растяжение, металлографическое исследование и профилирование твердости по глубине отвечают на разные вопросы. Пересчитанное значение отвечает лишь на узкий вопрос, для которого существует применимая корреляция, установленная для конкретного материала.

Практический справочный алгоритм

Преобразование значений твёрдости следует начинать с определения того, какое именно свойство требуется получить. Измеренное значение твёрдости характеризует реакцию конкретной поверхности в конкретной точке при использовании определённого индентора и испытательной силы. Преобразованное значение твёрдости представляет собой оценку по другой шкале твёрдости. Оценочный предел прочности при растяжении является дополнительным выводом и обычно менее надёжен, чем преобразование между шкалами твёрдости. Эти три результата не следует представлять как взаимозаменяемые.

До испытания

Сформулируйте инженерную задачу до выбора метода испытания. Если требуется оценить износостойкость поверхности, глубину цементации, однородность локальной термической обработки или получить значение для производственного контроля, твёрдость может быть подходящим непосредственно измеряемым свойством. Если же требуется определить предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, характер разрушения или подтвердить соответствие материала, твёрдость является лишь возможным методом предварительной оценки. Испытание на растяжение — прямой метод определения характеристик при растяжении.

Установите марку стали и состояние изделия настолько точно, насколько позволяют имеющиеся записи. Обозначения «углеродистая сталь» недостаточно. Зафиксируйте обозначение, например ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 или EN 1.2379, а также форму изделия, размер сечения, термическую обработку, отпуск, холодную деформацию и обработку поверхности. Образец из стали 4140, закалённый и отпущенный при 540 °C, не имеет такой же зависимости «твёрдость — прочность», как отожжённая сталь 4140, даже если обе обозначаются как 4140. Для цементированной поверхности, обезуглероженного слоя, зоны термического влияния сварного шва и нормализованного листа могут требоваться разные планы измерений.

Выбирайте шкалу на основании геометрии и ожидаемой твёрдости, а не удобства. Метод Бринелля подходит для многих более крупных деталей с относительно однородным сечением, однако отпечаток от шарика требует достаточной толщины материала и расстояния от кромок или соседних отпечатков. Метод Роквелла быстрее и оставляет меньший отпечаток, а поверхностные шкалы Роквелла подходят для более тонких сечений или неглубоких закалённых слоёв. Микротвёрдость по Виккерсу и Кнупу позволяет исследовать небольшие участки, градиенты и отдельные фазы, однако подготовка поверхности и техника оператора становятся более важными. Методы Либа и склероскопа являются переносными и полезны в подходящих полевых условиях, но их показания сильно зависят от массы, опоры, ориентации, состояния поверхности и настройки прибора.

Перед нанесением отпечатка ознакомьтесь с применимым стандартом испытаний. ASTM E10 устанавливает требования к испытаниям твёрдости по Бринеллю, ASTM E18 — к испытаниям твёрдости по Роквеллу, а ASTM E384 — к испытаниям микровдавливанием; соответствующий метод ISO также может быть указан на чертеже или в стандарте на материал. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, содержит приближённые зависимости между значениями по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, поверхностному Роквеллу, Кнупу, склероскопу и Либу для указанных металлов, включая однородные углеродистые, легированные и инструментальные стали. Этот стандарт не превращает одну шкалу в универсальную замену другой.

Спланируйте подготовку образца. Удаляйте окалину, ржавчину, краску и заусенцы, не изменяя термически обработанный слой шлифованием или чрезмерной полировкой. Поверхность для испытания должна быть плоской, чистой и достаточно гладкой для выбранного метода. Надёжно закрепите образец. Тонкая пластина, прогибающаяся под индентором, может дать ошибочно заниженное показание, тогда как изогнутая или плохо закреплённая деталь может сместить результат в любую сторону.

Во время измерения

Проверьте прибор с помощью требуемых эталонных мер твёрдости или в соответствии с процедурой верификации и зафиксируйте идентификационные данные машины, тип индентора, силу, время выдержки, температуру и место испытания. Не смешивайте незаметно шкалы или нагрузки. «HRC» и «HRB» — это разные шкалы Роквелла, а не взаимозаменяемые обозначения; «HV10» и «HV0.2» используют разные испытательные силы и могут охватывать разные объёмы микроструктуры.

Расположите отпечатки на расстоянии от кромок, отверстий, границ сварных швов и предыдущих отпечатков, предусмотренном стандартом испытаний. На цементированной детали измеряйте расстояние от поверхности, а не выполняйте одно удобное измерение. В стали с ликвацией, полосчатой или многофазной структурой может потребоваться несколько отпечатков, чтобы отличить действительную неоднородность от разброса измерений.

Повторяйте измерения. Трёх показаний может быть достаточно для однородного лабораторного образца, тогда как для сварного соединения, тонкого покрытия, градиентного слоя или крупной поковки может потребоваться более обширная сетка измерений. Отбрасывать неудобное показание без документированного правила — плохая практика. Сообщайте отдельные значения, среднее значение, диапазон или стандартное отклонение, а также все исключения с указанием их причин. Если результаты повторных отпечатков существенно различаются, прежде чем выполнять преобразование, исследуйте состояние поверхности, опору, выбор шкалы, микроструктуру и технику оператора.

Измеренный результат должен сохранять свою исходную идентичность: например, 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 или 310 HV10. Преобразование следует записывать отдельно, например: «примерно 22 HRC, преобразовано из 235 HBW с использованием ASTM E140-12». Это предотвращает ошибочное восприятие табличного результата как второго измерения.

После преобразования

Используйте таблицу преобразования, соответствующую группе сталей и диапазону измеренного значения. В ASTM E140-12 указано, что «на преобразования влияют легирующие элементы, структура зерна и термическая обработка» (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 устанавливает принципы преобразования значений твёрдости между шкалами и оценки предела прочности при растяжении, однако указывает, что преобразованные значения непосредственно применимы только к точно такому же материалу, который подвергался испытанию; в этом стандарте также отмечается, что оценки предела прочности при растяжении являются наименее надёжными преобразованиями (ISO, 2013). Табличное значение, выходящее за установленный диапазон, не становится достовернее из-за добавления десятичных знаков.

Рассматривайте оценки предела прочности при растяжении как результаты предварительной оценки. В исследовании NIST 1929 года сообщалось, что предел прочности стали при растяжении во многих случаях можно оценивать по твёрдости по Бринеллю для коммерческих целей на основе эмпирических зависимостей между шкалами Роквелла и Бринелля (NIST, 1929). Этот вывод подтверждает практическую корреляцию, но не является универсальным законом. В отчёте SAE 1967 года Hardness Tests and Hardness Number Conversions также объясняется, что точные преобразования необходимо разрабатывать для конкретного химического состава стали, термической обработки и детали, поскольку на зависимость влияют размер, масса, состав и технология обработки.

Приближённое соотношение $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ было опубликовано для некоторых высокопрочных пластичных металлических материалов, однако исследование 2012 года в журнале Materials Science and Engineering: A связало отношения между твёрдостью и прочностью с классом материала, микроструктурой и морфологией отпечатка (Materials Science and Engineering: A, 2012). Его нельзя автоматически применять к феррито-перлитному листу, мартенситной инструментальной стали, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали или поверхностному закалённому слою. Аналогичным образом, исследование 2023 года выявило в целом линейную зависимость между твёрдостью по Бринеллю и пределом прочности при растяжении для исторических и современных нелегированных конструкционных сталей в исходном или нормализованном состоянии, но не для каждого сплава или состояния после термической обработки (Materials Today: Proceedings, 2023).

Зафиксируйте источник таблицы, редакцию, исходную шкалу, преобразованную шкалу, обозначение стали, её состояние, место испытания, количество показаний и неопределённость. Укажите, является ли значение измеренным, преобразованным или оценочным. Приведите ограничения, такие как влияние тонкого сечения, градиенты свойств по поверхности, неизвестная термическая обработка, статус калибровки и соответствие стали диапазону исходных данных.

Таким образом, инженерный алгоритм выглядит следующим образом: определить требуемое свойство; по возможности выбрать достоверное прямое испытание; проверить марку и состояние стали; подготовить и закрепить образец; выполнить повторные измерения; обратиться к соответствующему стандарту преобразования; зафиксировать неопределённость и ограничения; а если результат влияет на проектирование, сертификацию или приёмку материала — перейти к прямому испытанию на растяжение.

Источники

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