Твёрдость по Роквеллу и Бринеллю: шкалы и таблица перевода

Что такое твёрдость металла и зачем её измерять

Твёрдость - это сопротивление материала вдавливанию в него более твёрдого тела. На практике её измеряют так: в поверхность с известной силой вдавливают наконечник (индентор) - шарик, конус или пирамиду - и оценивают размер или глубину отпечатка. Чем меньше отпечаток, тем твёрже металл.

Твёрдость проверяют чаще других свойств, потому что это быстро и почти не портит деталь. По ней контролируют термообработку (закалилась ли ось, не перегрели ли пружину), принимают прокат и литьё, сортируют заготовки неизвестной марки. Для сталей твёрдость ещё и даёт ориентир прочности: предел прочности в МПа примерно равен 3,4-3,5 × HB.

Методов несколько, и числа в них разные: 200 по Бринеллю и 200 по Виккерсу - не одно и то же, а 60 по Роквеллу без буквы шкалы вообще ничего не значит. Поэтому в чертеже и сертификате твёрдость всегда пишут с обозначением: 220 HB, 45 HRC, 600 HV.

Твёрдость по Бринеллю (HB): шарик, нагрузка, отпечаток

Метод Бринелля: шарик из твёрдого сплава (раньше - из закалённой стали) вдавливают в металл с заданным усилием, выдерживают несколько секунд, снимают нагрузку и под лупой или микроскопом измеряют диаметр отпечатка. Число HB - это нагрузка, делённая на площадь сферического отпечатка. Для стали и чугуна классический режим - шарик 10 мм и 3000 кгс (29,42 кН); для более мягких металлов берут меньшую нагрузку или меньший шарик.

Современное обозначение - HBW (W означает твердосплавный шарик), например 200 HBW 10/3000. Метод применяют примерно до 650 HBW: на более твёрдой стали шарик сам деформируется.

Сильная сторона Бринелля - большой отпечаток. Он усредняет неоднородную структуру, поэтому метод хорошо подходит для чугуна, литья, поковок, отожжённой и нормализованной стали, цветных металлов. Слабые стороны - отпечаток виден на готовой поверхности, тонкие детали продавливаются, а измерение медленнее, чем по Роквеллу.

Твёрдость по Роквеллу: шкалы HRC, HRB, HRA

Роквелл измеряет не диаметр, а глубину отпечатка. Сначала прикладывают предварительную нагрузку 10 кгс, затем основную, снимают её, и прибор сам показывает число твёрдости - без лупы и расчётов. Поэтому метод самый распространённый в цехе и ОТК для закалённых деталей. Шкал много, в машиностроении работают три:

• HRC - алмазный конус с углом 120 градусов, общая нагрузка 150 кгс. Для закалённой и улучшенной стали, рабочий диапазон примерно 20-70 HRC.
• HRB - стальной или твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм), нагрузка 100 кгс. Для мягкой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, диапазон примерно 20-100 HRB.
• HRA - тот же алмазный конус, нагрузка 60 кгс. Для очень твёрдых и хрупких материалов: твёрдого сплава, тонких закалённых слоёв.
• Образец должен быть как минимум примерно в 10 раз толще глубины отпечатка, а поверхность - чистой и ровной: окалина и обезуглероженный слой занижают показания.

Виккерс (HV) и какой метод брать для какого материала

Виккерс вдавливает алмазную четырёхгранную пирамиду с углом 136 градусов между гранями и измеряет диагонали отпечатка. Шкала одна на весь диапазон - от мягкого алюминия до твёрдого сплава, поэтому HV удобна для сравнения и исследований. Малыми нагрузками измеряют тонкие детали, покрытия, глубину цементованного или азотированного слоя (микротвёрдость). Минус - нужна полированная поверхность и оптика, измерение медленное.

Краткий выбор метода:

• Серый и высокопрочный чугун, литьё, поковки, отожжённая сталь - Бринелль (HB).
• Закалённая, улучшенная сталь, инструмент, валы, шестерни - Роквелл HRC.
• Мягкая сталь, листовой прокат, цветные сплавы - Роквелл HRB или Бринелль с уменьшенной нагрузкой.
• Твёрдый сплав, тонкие упрочнённые слои - HRA или Виккерс.
• Тонкие детали, покрытия, глубина слоя, лабораторный контроль - Виккерс HV.

Типичная твёрдость сталей и чугуна

Ориентировочные диапазоны для распространённых материалов. Точная твёрдость зависит от марки, размера сечения и режима термообработки - для конкретной детали смотрите чертёж или сертификат.

Таблица перевода HRC - HB - HV для стали

Значения взяты из распространённых справочных таблиц перевода для стали (согласованных с ASTM E140 и ISO 18265) и округлены. Перевод приблизительный: разные методы по-разному реагируют на структуру и упругость металла, поэтому для чугуна, цветных сплавов, цементованных и наплавленных слоёв таблица не годится. Если твёрдость указана в чертеже, измеряйте именно тем методом, который там указан.

Бринелль для 60 и 65 HRC не приведён: это предел метода и выше, закалённую сталь шариком не измеряют. Число HB в таблице - для твердосплавного шарика 10 мм и нагрузки 3000 кгс.

Твёрдость литейных форм и стержней - другая шкала

Слово «твердомер» в литейном производстве означает другой прибор. Твердомер форм и стержней показывает, насколько плотно утрамбована формовочная смесь: подпружиненный наконечник вдавливают в поверхность формы, а шкала показывает условные единицы от 0 до 100. Эти единицы никак не связаны с HRC или HB и в них не переводятся - металл таким прибором не проверяют, а форму не проверяют твердомером для металла.

В разделе лабораторные приборы МЕЛИТА продаёт именно литейное оборудование для контроля формовочных и стержневых смесей. Цены с НДС, округлённые:

• Твердомер 04412А - сферический индентор, измерение 30-100 ед. твёрдости, цена деления 1 ед., вес 200 г; около 26 500 грн.
• Твердомер сухих форм и стержней 04421А - клиновидный сегмент радиусом 16 мм, нагрузка 1,1-2,0 кгс, глубина погружения до 2,5 мм; около 26 000 грн.
• Машина для испытания прочности смесей 04116 - лабораторный комплекс для проверки прочности формовочных и стержневых смесей; около 153 000 грн.
• Прибор для определения газопроницаемости 04316 колокольного типа, копёр лабораторный 5033А для уплотнения стандартных образцов и аппарат для ускоренного определения влажности 04211 - остальной базовый набор лаборатории формовочных смесей.
• Подобрать приборы под вашу лабораторию поможем по запросу коммерческого предложения: счёт с НДС, доставка по Украине, самовывоз в Днепре.