Твёрдость HRC, HB, HV — методы Роквелла, Бринелля, Виккерса и перевод шкал

Три метода: чем отличаются

Все три метода — вдавливание индентора с заданным усилием. Разница — в форме индентора и в том, что измеряют.

ГОСТ 9012-59 и ГОСТ 9013-59 в заголовках ссылаются на ISO 6506 и ISO 6508; для метода Виккерса действующий международный стандарт — ISO 6507.

Бринелль

Шарик вдавливают и после снятия усилия измеряют диаметр отпечатка. Твёрдость — отношение усилия к площади сферического отпечатка. Диаметр шарика и усилие подбирают так, чтобы диаметр отпечатка был от 0,24 до 0,6 диаметра шарика.

По ГОСТ 9012-59 при твёрдости до 450 единиц можно брать стальной или твердосплавный шарик, выше 450 — только твердосплавный. Обозначение HBW — твёрдость, измеренная твердосплавным шариком. Условия записывают после символа: «250 HB 5/750» — шарик 5 мм, 750 кгс, выдержка 10–15 с. При шарике 10 мм, 3000 кгс и стандартной выдержке пишут только число: «185 HB».

По Бринеллю нормируют, например, твёрдость металлопродукции в состоянии поставки: ГОСТ 1050-2013 задаёт её для стали 45 в HB — см. статью «Стали 45 и 40Х».

Роквелл

Наконечник вдавливают в два этапа: предварительное усилие F0 = 10 кгс, затем основное. После снятия основного усилия прибор считает остаточную глубину и сразу показывает число. Метод быстрый, отпечаток маленький.

Шкалы A и C используют один и тот же конус, но у A общее усилие меньше — 60 кгс вместо 150, и отпечаток мельче. Шкала B со стальным шариком охватывает более мягкие материалы. На выпуклых цилиндрических и сферических поверхностях к результату прибавляют поправки из приложения 3 ГОСТ 9013-59.

Твёрдость по Роквеллу считают от глубины: для шкал A, C, D HR = 100 − e, где e — остаточная глубина в единицах 0,002 мм.

Виккерс

Алмазная пирамида с углом 136° между противоположными гранями оставляет квадратный отпечаток. Меряют обе диагонали и берут среднее. ГОСТ 2999-75 охватывает нагрузки от 1 до 100 кгс; для чёрных металлов — от 5 до 100 кгс.

Проверка по таблице 1 стандарта: при нагрузке 1 кгс и диагонали 0,030 мм — 1,8544 / 0,0009 ≈ 2060 HV, как в таблице. Обозначение без условий, «500 HV», означает нагрузку 30 кгс и выдержку 10–15 с. Иначе нагрузку и выдержку пишут после букв: «220 HV 10/40».

Метод Виккерса один для мягких и твёрдых материалов, поэтому им проверяют упрочнённые слои, малые детали и распределение твёрдости по глубине.

Требования к образцу и поверхности

Во всех трёх стандартах на обратной стороне образца не должно быть следов деформации от отпечатка. Подготовка образца не должна менять свойства металла нагревом или наклёпом.

Как это выглядит в цифрах (расчёт по определениям стандартов):

• Роквелл, 60 HRC. e = 100 − 60 = 40 единиц, глубина 40 × 0,002 = 0,08 мм. Минимальная толщина — 0,8 мм.
• Бринелль, 200 HB, шарик 10 мм, 3000 кгс. Глубина h = F / (π · D · HB) = 3000 / (3,14 · 10 · 200) ≈ 0,48 мм. Минимальная толщина — около 3,8 мм.
• Виккерс, 700 HV при 10 кгс. d = √(1,8544 · 10 / 700) ≈ 0,163 мм. Минимальная толщина — около 0,2 мм.

Отсюда практическое правило: для тонких листов и упрочнённых слоёв — Виккерс или Роквелл с меньшей нагрузкой, для толстого проката и поковок — Бринелль.

Перевод шкал

Математической связи между шкалами нет. Таблицы перевода получены сравнительными измерениями одних и тех же материалов разными методами, поэтому они действуют только для своих групп материалов и дают погрешность. Международные таблицы — ISO 18265 и ASTM E140; в ASTM E140, по данным Proceq, есть и шкалы Либа для переносных приборов.

Числа из таблиц перевода мы не приводим: текст ISO 18265 в открытом доступе нет, а таблицы из вторичных источников часто расходятся. Берите таблицу для своей группы материалов из стандарта. Отметим: ГОСТ 22761-77 иногда называют таблицей перевода — это не так, он описывает измерение по Бринеллю переносными твердомерами статического действия.

Переносные твердомеры

Когда деталь не снять или она слишком велика для стационарного прибора, применяют переносные.

Общее для динамических и ультразвуковых приборов: они не измеряют HRC или HB напрямую, а пересчитывают свою величину по встроенным кривым. Стандарты ASTM A956 и A1038 подчёркивают, что это поверхностное измерение: результат относится к точке контакта и ничего не говорит о металле глубже.

Что учитывать на практике:

• Метод Либа подходит для крупных поковок и отливок, в том числе крупнозернистых. Тонкая или лёгкая деталь прогибается и колеблется от удара, это искажает показания — её присоединяют к массивной плите через пасту по инструкции прибора.
• УКИ оставляет маленький отпечаток: удобен для зоны термического влияния сварного шва, зубьев шестерён и упрочнённых слоёв. Заводская калибровка — по нелегированным и низколегированным сталям. Для материалов с другим модулем упругости нужна калибровка по образцам, измеренным стационарным прибором.
• Поверхность зачищают до требуемой шероховатости и снимают обезуглероженный слой, иначе прибор покажет его, а не металл.

Для приёмки ответственных деталей результат переносного прибора подтверждают стационарным методом на образце-свидетеле или контрольной площадке. Как задать твёрдость и места контроля на чертеже, — в статье «Термообработка стали», о приёмке — в статье «Как принять детали от цеха».