CC BY
19
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-3-64-69 УДК 669.15:620.178.1
Поступила 27.06.2022 Received 27.06.2022
ПЕРЕВОД ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
А. Л. ВАЛЬКО, С. П. РУДЕНКО, С. Г. САНДОМИРСКИЙ, Объединенный институт машиностроения НАНБеларуси, г. Минск, Беларусь, ул. Академическая, 12. E-mail: sprud.47@mail.ru
Выполнен анализ формул пересчета твердости в единицах HRC в твердость по Виккерсу HV30 для закаленных и отпущенных конструкционных сталей, приведенных в стандартах ASTME 140-07 и ISO 18265:2013. По результатам измерения на эталонной мере твердости 62,3 HRCметодом Виккерса при нагрузке на индентор 4,903 Н был выполнен пересчет на твердость при нагрузке 294,2 Н и на твердость в единицах HRC с применением формулы ASTME 140-07. Получено полное совпадение среднего значения твердости HRC с эталонной мерой. Приведены корректирующий коэффициент пересчета на твердость при нагрузке 294,2 Н и аппроксимирующая зависимость между твердостью HV0,2 и твердостью, измеренной в процессе испытаний с нагрузкой 4,903 Н. Приведены зависимости между твердостью по Виккерсу HV, HV0,5, HV0,2 и твердостью в единицах HRC для закаленных и отпущенных конструкционных сталей.
Ключевые слова. Метод Виккерса, испытание на твердость, аналитическая зависимость, поверхностный слой, полупереходная зона, эффективная толщина. Для цитирования. Валько, А. Л. Перевод чисел твердости при испытаниях поверхностно-упрочненных стальных изделий / А. Л. Валько, С. П. Руденко, С. Г. Сандомирский //Литье и металлургия. 2022. № 3. С. 64-69. https://doi.org/ 10.21122/1683-6065-2022-3-64-69.
TRANSLATION OF HARDNESS VALUES IN TESTING OF SURFACE-HARDENED STEEL PRODUCTS
A. L. VALKO, S. P. RUDENKO, S. G. SANDOMIRSKI, Joint Institute of Mechanical Engineering of National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus, 12, Akademicheskaya str. E-mail: sprud.47@mail.ru
Recalculation formulae of hardness transformation in units of HRC into Vickers hardness HV 30 for hardened and tempered structural steels in ASTM E 140-07 and ISO 18265:2013 were analyzed. From a Vickers hardness reading of 62.3 HRC using a 4.903 N indenter, the hardness is converted to 294.2 N and the hardness is converted to HRC using the ASTME 140-07formula. Full agreement of average hardness value HRC with reference measure is obtained. Correction factor of conversion to hardness at 294,2N and approximating relationship between hardness value HV0,2 and hardness value measured at 4,903N load during testing is given. The relationship between Vickers hardness HV, HV0.5, HV0.2 and hardness in units of HRC for hardened and tempered structural steels is given.
Keywords. Vickers method, hardness test, analytical dependence, surface layer, half-transition zone, effective thickness.
For citation. Valko A. L., Rudenko S. P., Sandomirski S. G. Translation of hardness values in testing of surface-hardened steel products.
Foundry production and metallurgy. 2022, no. 3, pp. 64—69. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-3-64-69.
Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний материалов. Цель испытаний на твердость поверхностно-упрочненных изделий - определение градиента твердости по толщине упрочненного слоя и эффективной толщины слоя, которая определяет ресурс ответственных высоконагруженных деталей. Измерения микротвердости используют при изучении свойств отдельных зерен, а также структурных составляющих упрочненных слоев, что имеет большое значение при изучении свойств и превращений в сплавах при их термической обработке в производстве, структурных изменениях в эксплуатации и др.
Согласно ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007, при испытании на твердость по шкале Виккерса применяют обозначение, например, HV 5 при нагрузке 49,03 Н, при нагрузках от 1,961 до 49,03 Н - термин «твердость с малой нагрузкой» и диапазон шкал твердости обозначают HV 0,2 < HV < HV 5. Термин «микротвердость» применяют в диапазоне нагрузок от 0,09807 до 1,961 Н.
При определении твердости или микротвердости могут возникать погрешности, связанные с наклепом поверхностного слоя шлифа, а также с состоянием алмазной пирамиды, неточностью в величине
приложенной нагрузки, нестрогой перпендикулярностью плоскости шлифа к оси индентора, дефектами освещения, ошибками измерения диагонали отпечатка. Дефекты алмазной пирамиды (скол вершины, не гладкость граней, выкрашивание ребер и т.д.) приводят к получению неправильных результатов испытания [1].
Уменьшение нагрузки при испытании на твердость приводит к увеличению неопределенности результата измерений. Это особенно сильно проявляется при измерениях твердости с малой нагрузкой и микротвердости, при которых возрастает роль повышения точности измерения длины диагоналей отпечатка [1]. Согласно рекомендациям ГОСТ 9450-76, для получения наиболее точного результата измерения микротвердости нагрузка должна быть возможно большей. Поэтому для уменьшения погрешностей измерений, в частности методом Виккерса, величина нагрузки на индентор должна быть максимально возможной с учетом размеров образца и свойств испытуемого материала. Но в ряде случаев при исследованиях поверхностно-упрочненных изделий возникает необходимость в получении результатов измерений твердости при более низких нагрузках на индентор [2-5]. Например, в методике расчета и прогнозировании ресурса поверхностно-упрочненных зубчатых колес с учетом качества химико-термического упрочнения применяют пределы контактной выносливости в зависимости от твердости материала, определяемой методом Виккерса по толщине диффузионных слоев при нагрузке на индентор 1,961 H [4, 5]. В связи с этим возникает необходимость в переводе числа твердости из одной системы испытаний в другую.
В настоящее время существует множество переводных таблиц и графиков, пригодных для ограниченных групп материалов, однако зачастую не согласующихся друг с другом [6]. В ряде исследований [7, 8] были сделаны попытки установить взаимозависимости между нагрузкой и твердостью (микротвердостью) при испытаниях однородных материалов. Исследования показывают, что каждому методу испытания на твердость свойственна некоторая погрешность, но между результатами измерения твердости разными методами можно найти корреляцию.
В [6] показано, что даже наиболее надежные измерения не могут обеспечить однозначности переводных соотношений твердости для всех материалов. Согласно ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007, не существует точного метода перевода из результатов измерения твердости одной шкалы в другую. Необходима надежная база перевода, полученная сравнительными измерениями.
Цель работы - установление зависимостей для пересчета твердости упрочненных изделий с неоднородной структурой поверхностных слоев при испытаниях с разной нагрузкой.
Методика исследования. Исследовали образцы зубчатых колес, изготовленных из цементуемых сталей после химико-термической обработки, на которых твердость поверхностных слоев изменяется в диапазоне 500-750 HV.
Известно, что поверхностный наклеп оказывает существенное влияние на точность определения микротвердости [9], так как глубина проникновения индентора кратна толщине поверхностного наклепанного слоя. При подготовке образцов применяли тонкое механическое шлифование и полирование с использованием алмазных абразивов разной дисперсности с целью минимизации наклепа поверхности.
Твердость определяли по Виккерсу на разном расстоянии от поверхности образца в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-4-2009. Испытания при нагрузках 1,961 и 4,903 Н (200 и 500 гс) проводили на микротвердомере ПМТ-3М, оснащенном видеокамерой, подключенной к компьютеру. Диагональ восстановленного (после снятия нагрузки и удаления индентора из испытуемого образца) отпечатка d измеряли с погрешностью 1-10-4 мм при оптическом увеличении 800.
Для металлографических исследований использовали оптические микроскопы МИМ-8М, NEOPHOT 32 при увеличениях от 100 до 400. Аппроксимацию экспериментальных данных выполняли с помощью приложения Microsoft Office Excel.
Результаты исследований и их обсуждение
Приблизительные цифры пересчета твердости в единицах HRC в твердость по Виккерсу HV 30 для закаленных и отпущенных конструкционных сталей приведены в стандарте ASTM E 140-07. Аналогичные таблицы пересчета твердости содержатся в международном стандарте ISO 18265:2013, которые были получены в ходе межлабораторных испытаний Немецкого института чугуна и стали (Verein Deutscher Eisenhuttenleute, VDEh) с использованием проверенных и откалиброванных машин для испытания твердости. При сопоставлении известных данных получили аппроксимирующую зависимость между твердостями в единицах HV 30 и HRC (рис. 1) с достоверностью R2 = 1,0:
НУ 30 = 0,003 ЖС3- 0,1504 ЖС2+ 8,0107 ЖС + 110,04. (1)
Зависимость между твердостью в единицах HRC и твердостью по Виккерсу можно также представить в виде выражения согласно стандарту ASTM Е 140-07:
ЖС = 31,49 + 0,0796683 НУ - 0,0000355432 НУ2 - 6728,16 / НУ, (2)
где НУ - твердость по Виккерсу при нагрузке 294,2 Н (30 кгс).
Рис. 1. Зависимость между твердостью по Виккерсу HV 30 и твердостью в единицах HRC для закаленных и отпущенных конструкционных сталей: 1 - по стандарту ASTM E 140-07; 2 - по стандарту ISO 18265-2013
Зависимость по уравнению (2) имеет большое значение при проведении испытаний на твердость поверхностно-упрочненных изделий из конструкционных цементуемых сталей с использованием микротвердомеров, которые используют, как правило, нагрузку 4,903 Н или 1,961 Н. Важную роль при таких испытаниях имеет проблема точности замеров и перевод величин твердости, определенных с разной нарузкой.
В [1] приведены результаты сравнительных испытаний на твердость методом Виккерса при нагрузке на индентор 1,961 и 4,903 Н образца зубчатого колеса из стали 14ХН3МА, прошедшего полный цикл химико-термической обработки. Установлено, что результаты испытаний на твердость при нагрузке 1,961 Н имеют больший разброс величин твердости, чем при нагрузке 4,903 Н. Показано, что увеличение разброса результатов измерений при испытаниях с меньшей нагрузкой обусловлено структурной неоднородностью (полосчатостью) образца. Получена аппроксимирующая зависимость между твердостью НУ0,2 и твердостью, измеренной в процессе испытаний с нагрузкой 4,903 Н, способствующая повышению точности измерений твердости поверхностно-упрочненных стальных изделий. Полученные результаты представляют интерес при расчете и прогнозировании ресурса поверхностно-упрочненных зубчатых колес с учетом качества химико-термического упрочнения. В разработанной методике [7, 8] пределы глубинной контактной выносливости определяют в зависимости от твердости материала диффузионных слоев при нагрузке на индентор 1,961 Н [8, 9]. Поэтому при испытании на твердость, например, с нагрузкой 4,903 Н можно использовать зависимость для пересчета на твердость с нагрузкой 1,961 Н:
Нну 0,2 = 1,0256 ННУ 0,5 - 2Е-12. (3)
Качество химико-термической обработки контролируется в основном по наиболее объективному показателю упрочнения - распределению твердости по толщине цементуемого слоя. В конструкторской документации указывают требования к эффективной толщине hэфф диффузионного слоя зубчатых колес, которая характеризуется расстоянием от поверхности до зон с определенной твердостью. Для полупереходной зоны эта твердость равна 50 HRC [11]. Практически эффективную толщину ^фф определяют по распределению твердости по Виккерсу при соответствующей нагрузке. Согласно стандарту ASTM Е 140-07, величине твердости 50 HRC соответствует твердость по Виккерсу 513 НУ для конструкционных неаустенитных сталей, которая определяется при испытаниях с нагрузкой 294,2 Н.
При испытаниях на твердость по Виккерсу при более малых нагрузках необходимо пользоваться переводными таблицами или зависимостями. При этом следует помнить, что при низких нагрузках возрастает погрешность измерений [1].
По результатам измерения на эталонной мере твердости 62,3 HRC методом Виккерса при нагрузке на индентор 4,903 Н был выполнен пересчет на твердость при нагрузке 294,2 Н с применением корректирующего коэффициента 0,97, полученного с учетом накопленного опыта авторов. Затем с применением формулы (2), подставляя в нее полученные значения НУ, получаем значения твердости по Роквеллу (табл. 1). Среднее значение твердости из 16 замеров составляет 62,3 HRC, что совпадает с эталонной твердостью меры. Полученный результат указывает на полное соответствие формулы (2) экспериментальным данным и на справедливость коэффициента 0,97 при переводе твердости НУ 0,5 в НУ. В табл. 1 приведены также значения твердости НУ 0,2, полученные пересчетом по формуле (3).
Таблица 1. Соответствие экспериментального и расчетного определения твердости на эталонной мере 62,3 HRC различными методами испытаний
Твердость Номер измерения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Среднее
HV 0,5 760 764 768 764 768 756 772 772 781 790 790 777 781 777 772 777 773
HV 737 741 745 741 745 733 749 749 758 766 766 753 758 753 749 753 750
HRC 61,8 61,9 62,1 61,9 62,1 61,6 62,2 62,2 62,6 62,9 62,9 62,4 62,6 62,4 62,2 62,4 62,3
HV 0,2 783 788 792 788 792 779 796 796 805 814 814 801 805 801 796 801 797
На основе результатов исследований получены зависимости для перевода чисел твердости упрочненных изделий из цементуемых марок сталей с неоднородной структурой поверхностных слоев при испытаниях с разной нагрузкой (табл. 2). По данным таблицы, построены зависимости между твердостями HV, HV 0,5 и HV 0,2 и твердостью единицах HRC (рис. 2).
Из полученных результатов видно, что величине твердости 50 HRC соответствует твердость по Виккерсу 513 HV или 529 HV 0,5, или 542 HV 0,2 для конструкционных неаустенитных сталей, которые определяются при испытаниях с нагрузкой 294,2, 4,903 и 1,961 H соответственно. Полученные величины можно применять для контроля эффективной толщины диффузионных слоев поверхностно-упрочненных деталей, которая соответствует полупереходной зоне.
Таблица 2. Соответствие твердостей по Виккерсу HV, HV 0,5, HV 0,2 и твердости в единицах HRC для закаленных и отпущенных конструкционных сталей
HRC HV HV 0,5 HV 0,2 HRC HV HV 0,5 HV 0,2
20 238 245 252 44 434 447 459
21 243 251 257 45 446 460 472
22 248 256 262 46 458 472 484
23 254 262 269 47 471 486 498
24 260 268 275 48 484 499 512
25 265 273 280 49 498 513 527
26 272 280 288 50 513 529 542
27 279 288 295 51 528 544 558
28 286 295 302 52 544 561 575
29 294 303 311 53 560 577 592
30 302 311 319 54 577 595 610
31 310 320 328 55 595 613 629
32 318 328 336 56 613 632 648
33 327 337 346 57 633 653 669
34 336 346 355 58 653 673 690
35 345 356 365 59 674 695 713
36 354 365 374 60 697 719 737
37 363 374 384 61 720 742 761
38 372 384 393 62 746 769 789
39 382 394 404 63 772 796 816
40 392 404 414 64 800 825 846
41 402 414 425 65 832 858 880
42 412 425 436 66 865 892 915
43 423 436 447 67 900 928 952
для закаленных и отпущенных конструкционных сталей Выводы
На основании анализа формул пересчета твердости в единицах HRC в твердость по Виккерсу HV 30 для закаленных и отпущенных конструкционных сталей, приведенных в стандартах ASTM E 140-07 и ISO 18265:2013, получена аппроксимирующая зависимость между твердостями в единицах HV 30 и HRC с достоверностью R2 = 1,0. По результатам испытаний на эталонной мере твердости 62,3 HRC методом Виккерса при нагрузке на индентор 4,903 Н выполнен пересчет на твердость при нагрузке 294,2 Н (30 кгс) и на твердость в единицах HRC с применением формулы ASTM E 140-07. Получено полное совпадение среднего значения твердости HRC с эталонной мерой. Установлены корректирующий коэффициент пересчета на твердость при нагрузке 294,2 Н (30 кгс) и аппроксимирующая зависимость между твердостью HV0,2 и твердостью, измеренной в процессе испытаний с нагрузкой 4,903 Н. Установлены соответствия между твердостью по Виккерсу HV, HV0,5, HV0,2 и твердостью в единицах HRC для закаленных и отпущенных конструкционных сталей. Результаты исследований могут быть полезны при контроле эффективной толщины диффузионных слоев поверхностно-упрочненных деталей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руденко, С. П. Повышение точности измерения твердости поверхностно-упрочненных стальных изделий / С. П. Руден-ко, А. Л. Валько, С. Г. Сандомирский // Сталь. 2022. № 6. С. 38-42.
2. Измерение твердости тонких пленок / Ю. А. Быков [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 10. С. 32-35.
3. Головин, Ю. И. Наноиндентирование как средство комплексной оценки физико-механических свойств материалов в субмикрообъемах /Ю. И. Головин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75. № 1. С. 45-58.
4. Руденко, С. П. Расчет ресурса зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин с учетом качества химико-термического упрочнения / С. П. Руденко // Механика машин, механизмов и материалов. 2010. № 4. С. 58-60.
5. Руденко, С.П. Особенности расчета зубчатых колес трансмиссий на глубинную контактную выносливость / С. П. Руденко, А. Л. Валько // Вест. машиностроения. 2015. № 11. С. 5-7.
6. Кальнер, В. Д. Переводные таблицы твердости / В. Д. Кальнер, Ф. И. Шор // Металловедение и термическая обработка металлов. 1977. № 9. С. 59-61.
7. Григорович, В. К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. 230 с.
8. Interpretations of Indentation Size Effects / W. W. Gerberich, N. I. Tymiak, J. C. Grunlan еt а1. // Journal of Applied Mechanics. 2002. Vol. 69. P. 433-442.
9. Глазов, В.М., Вигдорович В. Н. Микротвердость металлов. М.: Металлургиздат, 1961. 224 с.
10. Пат. 15273 Респ. Беларусь. МПК С 23 F 1/28 / А. Л. Валько, С. П. Руденко, Е. И. Мосунов, А. И. Михлюк; опубл. 30.12.2011.
11. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: справ. / А. Л. Белинкий [и др.]; под общ. ред. В. Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.
REFERENCES
1. Rudenko S. P., Val'ko A. L., Sandomirskij S. G. Povyshenie tochnosti izmereniya tverdosti poverhnostno uprochnennyh stal'nyh izdelij [Improving the hardness measurement accuracy of surface hardened steel products]. Stal' = Steel, 2022, no. 6, рр. 38-42.
2. Bykov Yu. A., Karpuhin S. D., Panfilov Yu. V., Bojchenko M. K., Chepcov V. O., Osipov A. V.. Izmerenie tverdosti tonkih plenok [Measuring the hardness of thin films]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metallurgy and heat treatment of metals, 2003, no. 10, pp. 32-35.
3. Golovin Yu. I. Nanoindentirovanie kak sredstvo kompleksnoj ocenki fiziko-mekhanicheskih svojstv materialov v submikroob"emah [Nanoindentation as a tool for comprehensive assessment of physical and mechanical properties of materials in submicro-volumes]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Factory laboratory. Diagnostics of materials, 2009, vol. 75, no. 1, pp. 45-58.
4. Rudenko S. P. Raschet resursa zubchatyh koles transmissij energonasyshchennyh mashin s uchetom kachestva himiko-termicheskogo uprochneniya [Calculation of the service life of transmission gears of energy-saturated machines with regard to the quality of chemical-thermal hardening]. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov = Mechanics of mashins, mechanisms and materials, 2010, no. 4, pp. 58-60.
5. Rudenko S. P., Val'ko A. L. Osobennosti rascheta zubchatyh koles transmissij na glubinnuyu kontaktnuyu vynoslivost' [Calculation of transmission gears for deep contact endurance]. Vestnik mashinostroeniya = Engineering Bulletin, 2015, no. 11, pp. 5-7.
6. Kal'ner V. D., Shor F. I Perevodnye tablicy tverdosti [Translated hardness tables]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metallurgy and heat treatment of metals, 1977, no. 9, pp. 59-61.
7. Grigorovich V. K. Tverdost'i mikrotverdost'metallov [Hardness and microhardness of metals]. Moscow, Nauka Publ., 1976, 230 p.
8. Gerberich W. W., Tymiak N. I., Grunlan J. C. Interpretations of Indentation Size Effects. Journal of Applied Mechanics, 2002, vol. 69, pp. 433-442.
9. Glazov V. M., Vigdorovich V. N. Mikrotverdost'metallov [Microhardness of metals]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1961, 224 p.
10. Pat. 15273 Resp. Belarus'. MPK S 23 F 1/28. A. L. Val'ko, S. P. Rudenko, E. I. Mosunov, A. I. Mihlyuk; opubl. 30.12.2011.
11. Belinkij A. L. Kontrol'kachestva termicheskoj obrabotki stal'nyhpolufabrikatov i detalej: Cpravochnik [Quality control of heat treatment of steel semi-finished products and parts: Handbook].Moscow, Mashinostroenie Publ., 1984, 384 p.
