Метод Бринелля

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Ме́тод Брине́лля — один из основных методов определения твёрдости материала.

История[править | править вики-текст]

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (18491925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости[править | править вики-текст]

Принципиальная схема
Отпечаток индентора на эталонном образце.
Твёрдость 96.5 HBW 10/1000/10 (см. расшифровку обозначения)

Метод Бринелля относится к методам вдавливания.

Испытание проводится следующим образом:

  • вначале образец подводят к индентору;
  • затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2‑8 секунд;
  • после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определённом интервале времени (для сталей, обычно, 10‑15 секунд);
  • затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка.

В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала.

Исследуемые материалы делят на 5 основных групп:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;
2 — чугун;
3 — медь и сплавы меди;
4 — лёгкие металлы и их сплавы;
5 — свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И ещё важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0.24·D до 0.6·D, где D — диаметр индентора (шарика).

Твёрдость по Бринеллю обозначается «HBW» и может рассчитываться двумя методами:

  • метод восстановленного отпечатка;
  • метод невосстановленного отпечатка.

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

\mbox{HBW}=\frac{0,102F}{\frac{\pi D}{2}\left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)},

где:

  • F — приложенная нагрузка, Н;
  • D — диаметр шарика, мм;
  • d — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части индентора:

\mbox{HBW}=\frac{0,102F}{\pi Dh},

где h — глубина внедрения индентора, мм.

Нормативными документами определены:

  • диаметры индентора;
  • время вдавливания;
  • время выдержки под максимальной нагрузкой;
  • минимальная толщина образца;
  • минимальная и максимальная величины диагоналей отпечатка;
  • максимальные нагрузки;
  • группа исследуемого материала.

По ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.

Пример обозначения твёрдости по Бринеллю:

600 HBW 10/3000/20,

где:

  • 600 — значение твёрдости по Бринеллю, кгс/мм²;
  • HBW — символьное обозначение твёрдости по Бринеллю;
  • 10 — диаметр шарика в мм;
  • 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29 420 Н);
  • 20 — время действия нагрузки, с.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры (например, твердомеры для металлов), как стационарные, так и переносные.

Типичные значения твёрдости для различных материалов[править | править вики-текст]

Материал Твёрдость
Мягкое дерево, например сосна 1,6 HBS 10/100
Твёрдое дерево от 2,6 до 7,0 HBS 10/100
Алюминий 15 HB
Медь 35 HB
Дюраль 70 HB
Мягкая сталь 120 HB
Нержавеющая сталь 250 HB
Стекло 500 HB
Инструментальная сталь 650—700 HB

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Недостатки
  • Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 650 HBW.
  • Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect).
  • При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
  • Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.
Преимущества

Для стали

\sigma_\Beta=\frac {HB}{3}[\frac{kgf}{mm^2}]=\frac {10HB}{3}[MPa],

где \sigma_\Beta — предел прочности, МПа.

\sigma_T=\frac {HB}{6}[\frac{kgf}{mm^2}]=\frac {10HB}{6}[MPa],

где \sigma_T — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

\sigma_\Beta=0,362{HB}[\frac{kgf}{mm^2}]=3,62{HB}[MPa]

Для медных сплавов

\sigma_\Beta=0,26{HB}[\frac{kgf}{mm^2}]=2,6{HB}[MPa]
  • Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.
  • Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).
  • Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности, подготовленной под замер твёрдости.

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами[править | править вики-текст]

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по другим методам, например, метод Виккерса и метод Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Перевод чисел твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости, как табличные, так и рассчитанные по уравнениям согласно ASTM E140 — 07, являются лишь приближенными и могут быть неточными для конкретных случаев. С физической точки зрения, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла.

Нормативные документы[править | править вики-текст]

  • ISO 6506-1:2005 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»
  • ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»
  • ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»
  • ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness»

См. также[править | править вики-текст]