Определение твердости по Бринеллю

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.

Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 1.

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 2).

Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ:

 

, кгс/мм² (н/м²),

где F=pDh.

 

 

Рис. 1. Схема определения твердости методом Бринелля

 

 

Рис. 2. Измерение диаметра отпечатка

 

Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то, выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика, получаем:

 

.

 

Подставив значение F получим:

 

, кгс/мм² (н/м²).

 

Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.

Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D ² = const. В этом случае угол j = const, где j – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.

При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 1).

 

Таблица 1

Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля

 

Материал	Число твердости	Толщина образца, мм	Диаметр шарика, мм	Нагрузка, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140–450	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	187,5

Окончание табл. 1

Черные металлы	До 140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	187,5
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)	31,8–130	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.)	3–35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	62,5 15,6

 

При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D ² (согласно табл. 2).

 

Таблица 2

Твердость по Бринеллю

 

Диаметр отпечатка, мм d 10, или 2 d 5, или 4 d 2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс	Диаметр отпечатка, мм d 10, или 2 d 5, или 4 d 2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс
30 D ^2	10 D ^2	2,5 D ^2	30 D ^2	10 D ^2	2,5 D ^2
2,0			78,8	3,6			23,7
2,1			71,4	3,7			22,4
2,2			65,0	3,8			21,2
2,3			59,4	3,9			20,0
2,4			54,4	4,0			19,1

Окончание табл. 2

2,5			50,2	4,1			18,0
2,6			46,3	4,2			17,2
2,7			42,9	4,3			16,4
2,8			39,8	4,4			15,5
2,9			37,9	4,5			14,9
3,0			34,6	4,6			14,2
3,1			32,3	4,7			13,6
3,2			30,3	4,8			13,0
3,3			28,5	4,9			12,4
3,4			26,7	5,0			12,4
3,5			25,2	5,1			11,4

 

Существует примерная количественная зависимость между числами твердости и пределом прочности:

для стали с твердостью НВ 120–175...…………………s_в=0,34 НВ;

для стали с твердостью НВ 175–450..………………….s_в=0,35 НВ;

для меди, латуни и бронзы отожженной..……………..s_в=0,55 НВ;

для меди, латуни и бронзы наклепанной..……….…….s_в=0,40 НВ;

для алюминия и алюминиевых сплавов

с твердостью НВ 20–45...........................................s_в=(0,33÷0,36) НВ;

для дуралюминия отожженного...………………………s_в=0,36 НВ;

для дуралюминия после закалки и старения………..…s_в=0,35 НВ.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материал с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой.

 

Практика определения твердости по Бринеллю

 

1. Пользуясь табл. 1 для заданного образца определить диаметр шарика, величину нагрузки Р и время выдержки образца под нагрузкой.

2. Закрепить шарик в держателе 15 (рис. 3).

3. Установить необходимую нагрузку Р на приборе. Минимальная нагрузка 187,5 кгс обеспечивается только массой подвески и рычажной системы.

4. Перемещением чашки 8 (см. рис. 3) по отношению шкалы, расположенной на станине прибора, установить время выдержки образца под нагрузкой.

5. Установить испытуемый образец на столик 14 так чтобы центр отпечатка располагался от края образца и от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

 

 

Рис. 3. Схема пресса Бринелля:

1 – станина; 2 – рычаг большой; 3 – микропереключатель; 4 – подвеска;

5 – грузы; 6 – шатун; 7 – кривошип; 8 – чашка; 9 – червячная пара; 10 – электродвигатель; 11 – кнопка пусковая; 12 – маховик; 13 – контактная группа;

14 – стол сменный; 15 – держатель шариковой оправки; 16 – ограничитель;

17 – втулка шпинделя; 18 – шпиндель; 19 – лампа сигнальная.

 

6. Подвести образец к шарику, вращая маховик 12 до упора в ограничитель 16.

7. Нажатием кнопки 11 включить электродвигатель 10, который через червячный редуктор 9, кривошип 7, шатун 6 отведет вниз рычаг 2 и соединенную с ним подвеску 4 с грузами 5. Тогда нагрузка через систему рычагов, шпиндель 18 и втулку сообщается шариковому наконечнику. Этот момент фиксируется загоранием лампочки. После соответствующей выдержки груза вращение электродвигателя автоматически переключается на обратное и нагрузка с образца снимается. Когда подвеска с грузами достигнет, исходного положения, автоматически выключается электродвигатель.

8. Отвести столик прибора с образцом от шарика вращением маховика 12 против часовой стрелки.

9. Снять образец и с помощью микроскопа измерить диаметр отпечатка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Значение диаметра отпечатка принимается как среднее арифметическое из указанных двух измерений.

10. По измеренному диаметру отпечатка, известной нагрузке и диаметру шарика определить твердость по Бринеллю НВ по табл. 2.