Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




23.09.2021


22.09.2021


21.09.2021


21.09.2021


19.09.2021





Яндекс.Метрика





Метод Бринелля

15.04.2021

Метод Бринелля — один из основных методов определения твёрдости материала.

История

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849-1925 гг.) в 1900 году и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

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 промежутке 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 диаметра 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 того, выше приведённые 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:

HBW = 0 , 102 F π D 2 ( D − D 2 − d 2 ) {displaystyle {mbox{HBW}}={frac {0,102F}{{frac {pi D}{2}}left(D-{sqrt {D^{2}-d^{2}}} ight)}}} ,

где:

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

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

HBW = 0 , 102 F π D h {displaystyle {mbox{HBW}}={frac {0,102F}{pi Dh}}} ,

где h {displaystyle 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

Преимущества и недостатки

Недостатки
  • Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
  • 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
  • Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач.

Для стали

σ B = H B 3 [ k g f m m 2 ] = 10 H B 3 [ M P a ] {displaystyle sigma _{mathrm {B} }={frac {HB}{3}}[{frac {kgf}{mm^{2}}}]={frac {10HB}{3}}[MPa]} ,

где σ B {displaystyle sigma _{mathrm {B} }} — предел прочности, МПа.

σ T = H B 6 [ k g f m m 2 ] = 10 H B 6 [ M P a ] {displaystyle sigma _{T}={frac {HB}{6}}[{frac {kgf}{mm^{2}}}]={frac {10HB}{6}}[MPa]} ,

где σ T {displaystyle sigma _{T}} — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

σ B = 0 , 362 H B [ k g f m m 2 ] = 3 , 62 H B [ M P a ] {displaystyle sigma _{mathrm {B} }=0,362{HB}[{frac {kgf}{mm^{2}}}]=3,62{HB}[MPa]}

Для медных сплавов

σ B = 0 , 26 H B [ k g f m m 2 ] = 2 , 6 H B [ M P a ] {displaystyle sigma _{mathrm {B} }=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

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 приближёнными 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

  • ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81) «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю»
  • ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»
  • 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»