Краткие сведения из теории

Сущность метода Бринелля состоит в следующем (рисунок 1): в испытуемый металл (образец) 1 под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени t вдавливается стальной закаленный шарик 2 диаметром D. В результате в испытуемом металле получается сферический отпечаток диаметром d. Размер отпечатка (диаметр или площадь) характеризует твердость: чем больше отпечаток, тем мягче испытуемый металл, чем отпечаток меньше - тем металл твёрже. Вдавливание шарика в образец производится на специальном приборе (прессе) Бринелля.

 

Рисунок 1- Схема измерения твердости по Бринеллю:а - в процессе вдавливания шарика в образец; б - после снятия нагрузки и удаления шарика.

 

Измеренная таким образом твердость выражается числом твердости по Бринеллю, которое обозначается символом HB и измеряется в кгс/мм². Число твердости по Бринеллю

 

, (1)

 

где НВ - число твердости по Бринеллю, кгс/мм²;

Р - нагрузка на шарик, кгс;

F - площадь поверхности сферического отпечатка, мм²,

 

, (2)

 

где: D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Подставляя значения из уравнения (2) в выражение (1), получим

 

, (3)

 

Для измерения твердости методом Бринелля применяют различные шарики (диаметром 10; 5; 2,5; 2 и 1 мм), нагрузки Р (от 3000 до 15,6 кгс) и выдержки шарика под нагрузкой t (10; 30 и 60 с)

Обозначение чисел твердости, измеренных при различных условиях, принято следующее:

а) при наиболее распространенных условиях испытания (D = 10 мм, Р = 3000 кгс, t = 10 с) твердость обозначается буквой НВ и числом. Например, запись НВ 300 означает твердость 300 кгс/мм², измеренную методом Бринелля при этих условиях испытания;

б) при других условиях запись твердости дополняется индексами, указывающими условия испытания. Например, запись НВ 150 5/200/30 означает число твердости по Бринеллю 150 при испытании шариком D = 5 мм под нагрузкой Р = 200 кгс, приложенной в течение t = 30 с.

Испытание включает следующие операции: настройка пресса, получение отпечатка, его измерение и определение числа твердости по формуле (3). Недостатки метода: повреждение поверхности изделия сравнительно большими отпечатками, а также невозможность испытания металлов твердостью более НВ 450 из-за деформации шарика и тонких поверхностных слоев (менее 1-2 мм), так как шарик продавливает их.

Условия измерения твердости по Бринеллю регламентированы ИСО 410–88, ИСО 6508–86. Ниже приводятся требования стандарта, соблюдение которых необходимо при выполнении испытаний, иначе результаты измерений будут не сравнимы.

Требования к твердомеру. Твердомер должен обеспечить: плавное возрастание нагрузки до необходимого значения; постоянство этой нагрузки в течение установленного времени; приложение усилия Р перпендикулярно к поверхности образца; высокую точность нагрузки Р.

Требования к шарикам:

· материал для шариков - термически обработанная сталь с твердостью не менее НV 850 (НV - твердость по Виккерсу);

· шарик не должен иметь поверхностных дефектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Требования к испытуемому образцу:

· твердость HB не менее 8 и не более 450 единиц при температуре 20 ± 10 °С;

· поверхность образца должна быть свободной от окалины и других посторонних веществ;

· при подготовке образцов не допускать изменения твердости металла, вследствие нагрева или наклепа поверхности при механической обработке;

· минимальная толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка, которая определяется по формуле:

 

, (4)

 

где h - примерная глубина отпечатка, мм;

Р - нагрузка на шарик при определении НВ, кгс.;

D - диаметр шарика для определения НВ, мм;

НВ - твердость по Бринеллю кгс/мм².

Выбор условий испытаний (D, Р и t) производят по таблице 1.

Пример. На испытание поступили два стальных образца толщиной 28 и 4 мм. Определить D, Р, t.

Решение. Необходимо установить ориентировочную твердость образцов. Проба тарированным напильником показала, что твердость образцов ниже 140 единиц по Бринеллю. Тогда, согласно таблице 1, условия для образца толщиной 23 мм: D = 10 мм; Р = 1000 кгс (9,8 кН); t = 10 с; для образца толщиной 4 мм: D = 5 мм; P = 250 кгс (2,45 кН); t = 10 с.

 

Таблица 1– Выбор диаметра шарика, нагрузки и выдержки в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца

Материал	Интервал твердости по Бринеллю	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс (кН)	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-450	6-3 4-2 <2	Р = 30D2	10,0 5,0 2,5	3000,0(29,4) 750,0 (7,35) 187,5 (1,84)
<140	>6 5-3 <3	Р = 10D2	10,0 5,0 2,5	1000,0 (9,8) 250,0 (2,45) 62,5 (0,61)
Цветные металлы	>130	6-3 4-2 <2	Р = 30D2	10,0 5,0 2,5	3000,0 (29,4) 750,0 (7,35) 187,5 (1,84)
35-130	9-6 6-3 <3	Р = 10D2	10,0 5,0 2,5	1000,0 (9,8) 250,0 (2,45) 62,5 (0,61)
8-35	>6 6-3 <3	Р = 2,5D2	10,0 5,0 2,5	259,0 (2,54) 62,5 (0,61) 15,6 (0,15)

 

Требования для измерения твердости:

· диаметры отпечатков d должны находиться в пределах 0,2D < d < 0,6D; В случае несоблюдения этого условия испытание повторяется с применением соответствующей нагрузки;

· расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее чем 2,5d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков не менее 4,0d (для металлов с НВ < 35 - соответственно 3,0d и 6,0d);

· после вдавливания шарика на обратной стороне испытуемого образца не должно быть следов деформации. Деформация обратной стороны возникает при несогласованности нагрузки на шарик с толщиной и твердостью образца. Чем тоньше и мягче образец, тем меньше должна быть нагрузка на шарик во избежание продавливания.