Метод Бринелля

Метод измерения твердости металлов и сплавов по Бринеллю регламентируется ГОСТ 9012-59 (СТ СЭВ 468-77).

Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5,0 или 10 мм в испытываемый образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема получения отпечатка

Твердость по Бринеллю определяется отношением приложенной нагрузки Р (кгс) к площади поверхности отпечатка F (мм²):

. (2.1)

Площадь поверхности в виде шарового сегмента определяется выражением

, (2.2)

где D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Твердость выражается в МПа или кгс/мм². При определении твердости по Бринеллю нагрузка и диаметр шарика должны соответствовать закону подобия

Р=кD², (2.3)

где к – постоянная для данного материала величина, равная 30, 10 или 2,5, которая выбирается в зависимости от вида материала, его предполагаемой твердости и толщины испытываемого образца.

Диаметр шарика D, нагрузку Р и длительность выдержки t выбирают в соответствии с ГОСТом в зависимости от вида материала, его ориентировочной твердости НВ и толщины образца d (табл. 2.1). В табл. 2.1 приведены также значения коэффициента к.

Таблица 2.1

Выбор диаметра шарика, нагрузки и длительности выдержки

 

Материал	Твердость по Бринеллю	Толщина образца d, мм	Коэффициент К	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой t, с
Черные металлы	>140-150	6-3 3-2 < 2		10,0 5,0 2,5	187,5
-«-	< 140	> 6 6-3 < 2		10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	> 130	6-3 4-2 < 2		10,0 5,0 2,5	187,5
-«-	35-130	9-5 6-3 < 2		10,0 5,0 2,5	62,5
-«-	8-35	> 6 6-3 < 3	2,5	10,0 5,0 2,5	62,5 15,6

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра, с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Принимают среднюю из полученных величин.

На рис. 2.2 показан способ измерения отпечатка по шкале отсчетного микроскопа. В рассматриваемом случае диаметр отпечатка равен 4,3 мм.

Измерив диаметр отпечатка, площадь поверхности отпечатка F определяют по формуле (2.2) и, зная величину приложенной силы Р, твердость определяют по формуле (2.1) или находят по табл. 2.2.

 

Рис. 2.2. Измерение отпечатка с помощью отсчетного

микроскопа

 

При измерении твердости шариком D=10 мм под нагрузкой Р=29430 Н (3000 кгс) с выдержкой t=10 с твердость по Бринеллю обозначают цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НВ, например 175НВ (здесь175 – число твердости, кгс/мм², НВ – твердость по Бринеллю). При других условиях испытания после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, разделенные наклонной чертой, например 200НВ5/250/30.

Между числом твердости по Бринеллю НВ и пределом прочности s_в существует примерная количественная зависимость

s_в = K ×НВ,

где K – коэффициент, определенный опытным путем (табл. 2.3).

Таблица 2.2

Твердость по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка

 

Диаметр отпечатка d, 2d* или 4d**, мм	Число твердости при нагрузке Р, кгс	Диаметр отпечатка d, 2d* или 4d**, мм	Число твердости при нагрузке Р, кгс
30D2	10D2	2,5D2	30D2	10D2	2,5D2
3,00			34,6	4,55		58,1	14,5
3,05			33,4	4,60		56,8	14,2
3,10			32,3	4,65		55,5	13,9
3,15			31,3	4,70		54,3	13,6
3,20			30,3	4,75		53,0	13,3
3,25			29,3	4,80		51,9	13,0
3,30			28,4	4,85		50,7	12,7
3,35			27,6	4,90		49,6	12,4
3,40			26,7	4,95		48,6	12,2
3,45			25,9	5,00		47,5	11,9
3,50			25,2	5,05		46,5	11,6
3,55		97,7	24,5	5,10		45,5	11,4
3,60		95,0	23,7	5,15		44,6	11,2
3,65		92,3	23,1	5,20		43,7	10,9
3,70		89,7	22,4	5,25		42,8	10,7
3,75		87,2	21,8	5,30		41,9	10,5
3,80		84,9	21,2	5,35		41,0	10,3
3,85		82,6	20,7	5,40		40,2	10,1
3,90		80,4	20,1	5,45		39,4	9,86
3,95		78,3	19,6	5,50		38,6	9,66
4,00		76,3	19,1	5,55		37,9	9,46
4,05		74,3	18,6	5,60		37,1	9,27
4,10		72,4	18,1	5,65		36,4	9,10
4,15		70,6	17,6	5,70		35,7	8,93
4,20		68,8	17,2	5,75		35,0	8,76
4,25		67,1	16,8	5,80		34,3	8,59
4,30		65,5	16,4	5,85		33,7	8,43
4,35		63,9	16,0	5,90	99,2	33,1	8,26
4,40		62,4	15,6	5,95	97,3	32,4	8.11
4,45		60,9	15,2	6,00	95,5	31,8	7,96
4,50		59,5	14,0

^* 2d берется при использовании шарика диаметром 5 мм.

^** 4d берется при использовании шарика диаметром 2,5 мм.

Таблица 2.3

Значения коэффициента K для некоторых материалов

 

Материал	Состояние материала	Условия испытаний (D=10 мм)
Латунь	Отожженая наклепанная	Р = 10D2	0,50 0,41
Алюминий	Холоднокатаный при обжатии 5% при обжатии 10% при обжатии 90% отожженный	Р – 2,5D2	0,37 0,35 0,40 0,40
Дюралюминий	Отожженный закаленный и состаренный	Р=10D2   Р=30D2	0,36-0,37   0,34-0,36
Сталь легированная 220-400 НВ	-	Р=30D2	0,33
Сталь углеродистая и легированная НВ<250	-	Р=30D2	0,34

 

При измерении твердости по Бринеллю необходимо соблюдать следующие условия:

1) действующее усилие перпендикулярно поверхности испытуемого образца;

2) поверхность образца должна быть плоской, чистой и гладкой;

3) образец должен лежать на подставке устойчиво;

4) минимальная толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка;

5) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d, между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4d, а для металлов с НВ < 350 – 3 d и 6 d;

6) диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,25D<d< 0,6D.

Преимущества метода Бринелля – простота и надежность в работе приборов, применяемых для определения твердости, высокая точность определения твердости, так как при достаточно большом диаметре отпечатка исключается влияние локальных факторов.

Недостатки метода:

- метод не может быть применен для испытания металлов с НВ > 450;

- метод неприменим для определения твердости листовых образцов

толщиной менее 0,5…1 мм и изделий малой жесткости;

- на поверхности испытуемого изделия остаются заметные отпечатки.

Для определения твердости по Бринеллю пользуются твердомером ТШ-2М (рис. 2.3). Прибор состоит из станины, в нижней части которой помещен винт 20 со сменными столиками 19 для испытуемых образцов. Перемещают винт вручную маховиком 21. В верхней части находится шпиндель 16 со сменными наконечниками 17. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага 6 имеется подвеска со сменными грузами 4. При нажатии пусковой кнопки освобождается рычаг и на шарик воздействует нагрузка. Время действия нагрузки устанавливается с помощью устройства, расположенного с правой стороны прибора.

Рис. 2.3. Твердомер ТШ-2М