Измерение твёрдости методом Бринелля

 

Определение твёрдости вдавливанием стального закаленного шарика впервые было предложено Бринеллем. Числа твёрдости при измерении этим методом обозначаются индексом "НВ". Твёрдость по Бринеллю НВ определяется вдавливанием в течение определённого времени стального шарика диаметром D,мм, под действием нагрузки Р,кгс, в испытываемую плоскую поверхность (рис. 1.1).

В результате на поверхности образуется отпечаток диаметром d, мм. Число твёрдости определяется как отношение нагрузки, действующей на стальной шарик, к площади поверхности сферического отпечатка:

, (1.1)

 

где Р – нагрузка, кгс; F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Диаметр отпечатка измеряется с помощью отсчётного микроскопа типа МБП-2 по схеме, показанной на рис. 1.2, в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяется как среднее арифметическое значение из этих измерений.

Рис. 1.1. Схема испытаний: D – диаметр шарика; d – диа­метр отпечатка	Рис. 1.2. Схема измерения отпечатка: а – поверхность отпечатка, б – шкала отсчётного микроскопа

 

Диаметры отпечатков должны находиться в пределах: 0,2 D < d < 0,6 D

Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть на менее 2,5 d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков не менее 4 d.

Для испытания материалов различной твёрдости используются величины нагрузок и диаметры шариков (табл. 1.1).

Пример записи числа твёрдости: 250 НВ 5/750/30. Твёрдость 250 единиц, шарик диаметром 5 мм, нагрузка 750 кг. Время выдержки под нагрузкой 30 с, по умолчанию 10–15 с.

На практике, для исключения вычислений числа твёрдости определяются по табл. 1.2.

К недостаткам метода Бринелля относятся:

– невозможность испытания металлов, имеющих твёрдость выше 450 НВ, по причине деформации шарика;

– невозможность испытания изделий с толщиной менее 1…2 мм, так как шарик будет продавливать тонкий слой металла;

– после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия, что может вызвать нарушение его дальнейшей работоспособности.

Преимуществами метода являются:

– простота конструкции и надёжность в работе приборов;

– между числами твёрдости и пределами прочности существует приближённая эмпирическая зависимость (при других способах определения твёрдости её нет).

Например: для сталей с НВ < 175 σ_в = 0,34 НВ, для сталей с НВ > 175
σ_в = 0,36 НВ.

 

Таблица 1.1

Соотношения диаметра шарика, нагрузки и времени выдержки
под нагрузкой от толщины испытуемого образца

Материал	Твёрдость, НВ	Толщина образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Чёрные металлы и сплавы	140–450	От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2	Р = 30 D^2	2,5	3000,0 750,0 187,0
До 140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P = 10 D^2	2,5	1000,0 250,0 62,0
Цветные металлы и сплавы	Более 130	От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2	P = 30 D^2	2,5	3000,0 750,0 187,0
35–130	От 9 до 3 От 6 до 3 Менее 3	P = 10 D^2	2,5	1000,0 250,0 62,0
8–35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P = 2,5 D^2	2,5	250,0 62,5 15,6

 

Таблица 1.2

Числа твёрдости по Бринеллю

Диаметр отпечатка, мм	Числа твёрдости при нагрузке Р, кгс	Диаметр отпечатка, мм	Числа твёрдости при нагрузке Р, кгс
30 D^2	10 D^2	2,5 D^2	30 D^2	10 D^2	2,5 D^2
2,90 2,95 3,00 3,05 3,10 3,15 3,20 3,25 3,30 3,35 3,40 3,45 3,50 3,55 3,60 3,65 3,70 3,75 3,80 3,85 3,90 3,95 4,00 4,05 4,10 4,15 4,20 4,25 4,30 4,35 4,40 4,45		– – – – 129,0 125,0 121,0 117,0 114,0 110,0 107,0 104,0 101,0 97,7 95,0 92,3 89,7 87,2 84,9 82,6 80,4 78,3 76,3 74,3 72,4 70,6 68,8 67,1 65,5 63,9 62,4 60,9	– – 34,6 33,4 32,3 31,3 30,3 29,3 28,4 27,6 26,7 25,9 25,2 24,5 23,7 23,1 22,4 21,8 21,2 20,7 20,1 19,6 19,1 18,6 18,1 17,6 17,2 16,8 16,4 16,0 15,6 15,2	4,50 4,55 4,60 4,65 4,70 4,75 4,80 4,85 4,90 4,95 5,00 5,05 5,10 5,15 5,20 5,25 5,30 5,35 5,40 5,45 5,50 5,55 5,60 5,65 5,70 5,75 5,80 5,85 5,90 5,95 6,00	99,2 97,3 96,5	59,5 58,1 56,8 55,5 54,3 53,0 51,9 50,7 49,6 48,6 47,5 46,5 45,5 44,6 43,7 42,8 41,9 41,0 40,2 39,4 38,6 37,9 37,1 36,4 35,7 35,0 34,2 33,7 33,1 32,4 31,8	14,9 14,5 14,2 13,9 13,6 13,3 13,0 12,7 12,4 12,2 11,9 11,6 11,4 11,2 10,9 10,7 10,50 10,30 10,10 9,86 9,66 9,46 9,27 9,10 8,93 8,76 8,59 8,43 8,26 8,11 7,96

Примечание. Диаметры отпечатков в таблице даны для шариков диаметром 10 мм. При определении чисел твёрдости с использованием шарика диаметром 5 мм, диаметр отпечатка необходимо умножить на 2, а при испытании шариком диаметром 2,5 мм – на 4.