Как узнать, закален ли зуб ковша, не ломая его? Вдавливай шарик, алмазную пирамиду или конус в разные металлы, меряй след и переводи HB, HV и HRC друг в друга.
Твердость меряют просто: очень твердый наконечник, индентор, с известной силой вдавливают в деталь и смотрят на след. У Бринелля это шарик, и меряют диаметр лунки. У Виккерса алмазная пирамидка, и меряют диагонали квадратного отпечатка под микроскопом. У Роквелла алмазный конус, а прибор сам меряет глубину и показывает число на шкале. Деталь при этом почти не портится, поэтому твердость проверяют прямо на готовых пальцах, зубьях и валах. А по твердости можно оценить и прочность стали, не разрывая образец.
Бринелль и Виккерс делят силу на площадь отпечатка, Роквелл считает по глубине. Сила в этих формулах по традиции в килограмм-силах: 1 кгс = 9,81 Н. Числа берутся из опыта.
Как посчитать твердость по Бринеллю?
Знаменатель это площадь сферической лунки, умноженная на 2. Лупой меряют диаметр лунки в двух направлениях и берут среднее.
А по Виккерсу?
Отпечаток пирамиды квадратный. Меряют две диагонали и берут среднюю. Коэффициент 1,854 пересчитывает квадрат диагонали в площадь боковых граней ямки.
Как читать Роквелл и оценить прочность?
Каждые 0,002 мм глубины отнимают одну единицу. Перевести шкалы можно только примерно, по таблицам. А для стали работает простое правило: σв ≈ 3,4 · HB.
Твердость по Бринеллю это давление в лунке: сила, деленная на площадь поверхности лунки. Лунка это сферический сегмент, кусочек поверхности шара. Его площадь равна π · D · h, где h глубина лунки.
Глубину неудобно мерить, а диаметр d видно в лупу. Из прямоугольного треугольника на рисунке: (D/2)² = (d/2)² + (D/2 − h)². Отсюда h = (D − √(D² − d²)) / 2. Подставляем в F / (πDh) и получаем HB = 2F / (πD(D − √(D² − d²))).
Почему σв ≈ 3,4 · HB? Под шариком металл течет во все стороны, а соседний металл его сжимает и не дает уйти. Поэтому давление в лунке примерно втрое больше напряжения, при котором металл течет при обычном растяжении. Коэффициент 3,4 подобран по опыту для стали: в МПа это 9,81 · HB / 2,9. Само растяжение разобрано в теме механики «Растяжение и закон Гука».
Зубья, коронки, пальцы и втулки проверяют переносным твердомером. Если зуб вместо 50 HRC показывает 35, его не закалили, и в абразивной руде он сотрется в разы быстрее.
После закалки и отпуска твердость это главный признак, что режим выдержан. В чертеже пишут, например, «HRC 48…54» или «HB 269…302».
Износостойкий лист продают по твердости: 400, 450, 500 HB. Чем тверже лист, тем медленнее его стачивает руда, но тем труднее его гнуть и варить. Подробнее в теме «Износ».
Неизвестную сталь в старой конструкции нельзя разрезать на образцы. Но по твердости HB можно оценить ее прочность: σв ≈ 3,4 · HB.
Твердость меряют поперек шва. Если в зоне термического влияния больше 350 HV, там легко появятся трещины. Подробнее в теме «Сварка и зона термического влияния».
Вал делают тверже вкладыша: мягкий вкладыш прирабатывается и впитывает грязь, а дорогой вал остается целым. Твердость вала 50 HRC и выше, бронзы около 90 HB.
Каждому образцу задана одна истинная твердость по Виккерсу, а HB и HRC получены из нее по усредненной таблице перевода для стали. На деле перевод разных шкал приблизителен, и для цветных металлов таблицы свои. Лунка Бринелля при твердости выше 450 HB считается по твердосплавному шарику (HBW), а выше 650 HB метод не годится. Упругое пружинение после снятия нагрузки показано условно. Правило σв ≈ 3,4 · HB верно для углеродистых и низколегированных сталей примерно до 450 HB, для чугуна и алюминия дает лишь порядок. В опыте не учтены толщина образца, шероховатость и расстояние до края, которые в жизни строго нормированы.