Твёрдость: HB, HRC, HV (HB, HRC, HV) — сопротивление металла вдавливанию; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса дают разные шкалы, но все они косвенно связаны с прочностью.
Суть
Твёрдость — это не отдельное физическое свойство, а отклик металла на локальную нагрузку: в поверхность вдавливают твёрдое тело (индентор) и измеряют, насколько металл ему сопротивляется. Под индентором сталь деформируется пластически, поэтому твёрдость тесно связана с пределом текучести и временным сопротивлением: чем прочнее сталь, тем меньше отпечаток.
Главное достоинство метода — он не требует вырезать образец. Отпечаток ставят прямо на детали, трубе или шлифе за десятки секунд, поэтому твёрдость используют как быструю косвенную оценку прочности и как контроль результата термообработки. Для углеродистых и низколегированных сталей действует эмпирическое соотношение σв ≈ 3,4–3,5·HB (МПа), которым пользуются при входном контроле, когда испытание на растяжение по ГОСТ 1497 не проводится.
Как определяют: три шкалы
Все методы объединяет схема «индентор — нагрузка — измерение отпечатка», но геометрия индентора и способ отсчёта различаются, поэтому числа HB, HRC и HV не совпадают и переводятся друг в друга только по таблицам соответствия (например, ГОСТ 8.064 или ASTM E140), и то с погрешностью.
| Метод | Индентор | Что измеряют | Где применяют |
|---|---|---|---|
| Бринелль, HB (ГОСТ 9012) | Шарик из твёрдого сплава Ø 2,5; 5; 10 мм | Диаметр отпечатка; HB = P/F, кгс/мм² | Мягкие и средние стали, прокат, трубы, литьё — крупный отпечаток усредняет структуру |
| Роквелл, HRC / HRB (ГОСТ 9013) | Алмазный конус 120° (HRC) или шарик 1,588 мм (HRB) | Глубина внедрения; число читают со шкалы прибора | Закалённые и термоупрочнённые стали (HRC), мягкие стали и цветные сплавы (HRB) |
| Виккерс, HV (ГОСТ 2999) | Алмазная пирамида, угол 136° | Диагональ отпечатка; HV = 1,854·P/d² | Тонкие слои, сварные швы, микроструктура (микротвёрдость при малых нагрузках) |
HB = P / F = 2P / (πD·(D − √(D² − d²))), где P — нагрузка, кгс; D — диаметр шарика; d — диаметр отпечатка, мм
При записи результата указывают шкалу и условия: «HB 10/3000» означает шарик 10 мм и нагрузку 3000 кгс, «HV 10» — Виккерс при нагрузке 10 кгс. Без этих уточнений цифра малоинформативна: на разных нагрузках один и тот же металл даёт разные значения.
От чего зависит
- Содержание углерода. Твёрдость горячекатаной стали растёт вместе с C: сталь 10 мягче стали 45, а закалённая сталь с 0,4–0,6 % C даёт мартенсит твёрдостью 55–62 HRC.
- Термообработка. Закалка резко повышает твёрдость, отпуск её снижает и возвращает вязкость; нормализация и отжиг приводят её к «сырому» уровню.
- Холодная деформация. Наклёп при волочении и холодной прокатке заметно поднимает HB, поэтому холоднодеформированные трубы без отжига твёрже горячекатаных из той же марки.
- Структура и легирование. Марганец, хром, молибден повышают прокаливаемость — твёрдость после закалки распределяется глубже по сечению; мелкое зерно даёт более высокую и стабильную твёрдость.
Ключевые числа
| Бринелль, стандартные условия для стали (ГОСТ 9012) | Шарик 10 мм, нагрузка 3000 кгс (29,42 кН), выдержка 10–15 с |
|---|---|
| Роквелл, шкала C (ГОСТ 9013) | Алмазный конус, нагрузка 150 кгс; рабочий диапазон 20–70 HRC |
| Сталь 20 без термообработки (ГОСТ 1050) | Не более 163 HB |
| Сталь 45 без термообработки (ГОСТ 1050) | Не более 229 HB |
| Углеродистые и низколегированные стали в средах с H₂S (NACE MR0175 / ISO 15156) | Не более 22 HRC (≈ 250 HV, ≈ 237 HB) |
| Обсадные трубы группы L80 (API 5CT) | Не более 23 HRC |
| Оценка временного сопротивления по HB | σв ≈ 3,4–3,5·HB, МПа (для углеродистых и низколегированных сталей) |
| Ориентиры пересчёта (ASTM E140) | 20 HRC ≈ 226 HB; 30 HRC ≈ 286 HB; 40 HRC ≈ 371 HB |
Где встречается в трубах
В трубной продукции твёрдость чаще выступает не самостоятельным требованием, а ограничением сверху: слишком твёрдая сталь склонна к хрупкому и водородному растрескиванию, поэтому для труб под сероводородные среды нормируют максимальный HRC, а для сварных труб — твёрдость зоны термического влияния. Замер переносным твердомером также служит быстрым способом отбраковать пересортицу или проверить, была ли выполнена термообработка.
- Твёрдость шва и околошовной зоны — один из показателей в контроле качества труб и после термообработки труб.
- Для обсадных труб и труб для нефтегаза ограничение по HRC — часть требований к сероводородостойкому исполнению; классы см. в группах прочности.
- Холоднодеформированные бесшовные трубы по ГОСТ 8734 после волочения твёрже горячедеформированных по ГОСТ 8732; отжиг возвращает исходный уровень.
- Нормы твёрдости для марок 20, 35, 45 — в ГОСТ 1050; трубы из стали 20 и 09Г2С — в каталоге, требования стандартов — в библиотеке стандартов.
Связанные термины
- Временное сопротивление (предел прочности)Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения; именно эта величина зашифрована в классе прочности «К».
- Закалка и отпускЗакалка фиксирует твёрдый мартенсит быстрым охлаждением, отпуск снимает хрупкость; вместе — «улучшение», дающее высокую прочность с вязкостью.
- Наклёп (деформационное упрочнение)Рост прочности и твёрдости при холодной деформации за счёт искажения решётки; снимается отжигом.