Метод Бринелля: основные принципы и применение
Метод Бринелля – это один из наиболее широко используемых методов испытания на твердость металла. Он был разработан шведским инженером И.Э.Бринеллем в начале 20 века и с тех пор стал стандартным методом для оценки твердости материалов.
Основной принцип метода Бринелля заключается в том, что постепенно увеличивается известная сила, наносимая индентором на поверхность материала, и затем измеряется впечатление, которое оставляет индентор. Размер впечатления связан с твердостью материала, поэтому по полученным значениям можно оценить твердость испытуемого материала.
Метод Бринелля широко применяется в различных отраслях, где важно знать твердость металла. Он используется в машиностроении, металлургии, авиации, строительстве и других отраслях промышленности
С помощью этого метода можно проверить качество и прочность материалов, а также определить их пригодность для различных изделий и конструкций.
Преимущества метода Бринелля включают простоту и универсальность испытаний, возможность получить надежные и повторяемые результаты, а также широкий диапазон измеряемых значений твердости. Более того, данный метод позволяет работать с различными типами материалов, включая сталь, чугун, алюминий, латунь и другие металлы.
В заключение, метод Бринелля является одним из наиболее популярных методов испытания на твердость металла. Он основан на принципе измерения впечатления, оставленного индентором на поверхности материала, и позволяет оценить твердость материала с высокой точностью. Применение метода Бринелля широко распространено в промышленности благодаря его простоте и надежности, а также возможности работы с различными типами материалов.
Твердость материалов и методы ее измерения
Твердостью называют способность тела к пластическим деформациям под действием еще более твердого инструмента, называемого индентором.
Существует несколько популярных способов испытаний материалов и прежде всего металлов на твёрдость. При помощи них можно получить как некое численный эквивалент прочности изделия, так и данные по его сопротивлению знакопеременным нагрузкам.
К основным методикам определения относятся:
-
1. Метод Бринелля (приборы и сам процесс подробно будут описаны ниже). При его использовании твёрдость определяется при помощи отпечатка от твердого, чаще всего металлического шарика, вдавливаемого в ровную площадку детали. По диаметрам следов и судят о твердостях.
Рис.1 Внешний вид современного твердомера.
-
2. Способ Роквелла. По нему значение твёрдости равно относительной глубине вдавливания подобного, используемому по Бринеллю, шарика или алмазного конуса в площадку на поверхности изучаемой детали и обозначается чаще всего символами HR. Т.к. величина относительная, то максимальная величина твёрдости по Роквеллу составляет HR=100. «Роквелл» имеет широкое распространение при оценке качества рабочих узлов оборудования для переработки пластмасс и эластомеров, а также технологической оснастки.
-
3. Способ Виккерса. Подобен способу определения по Бринеллю, но при его применении используют четырёхгранную алмазную пирамиду и, соответственно, след, оставляемый ею. Численное значение твёрдости (обозначается как HV) в этом случае равно отношению нагрузки, приложенной к пирамиде, к площади следа от нее.
-
4. Твёрдость по Шору (метод вдавливания, обозначается Шор А, Шор D). Является важнейшим для определения твердости пластмасс, эластомеров и композитов. По нему величина твёрдости материала равно глубине проникновения в него специально подготовленной стальной иглы, которую приводит в напряжение калиброванная пружина. Прибором, работающим по методике Шора является дюрометр. Регулируемая международным стандартом ASTM D2240, процесс включает применение 12 шкал, однако на практике подавляющее количество более мягких материалов (например резин и эластомеров испытывают по шкале A), а более жестких (пластмасс и композитов) по шкале D.
-
5. Дюрометры и шкалы Аскер является еще одним способом, относящемуся к разработкам Шора, похожим по способу измерения на предыдущий. Он применяется для получения значения для мягких веществ, используется главным образом в Японии и имеет несущественные отличия от «Шора», например особенностями оборудования, шкал и инденторов.
-
6. Твёрдость по Шору (метод отскока). Применяется для получения значений твёрдости для очень твёрдых деталей, например металлических. Величина показателя (имеет обозначение HSx) находится по высоте отскока специального бойка, который падает со стандартной высоты.
-
Кроме описанных основных способов существует еще набор более редких техник, например метод Кузнецова-Герберта-Ребиндера, методика Польди или двойного отпечатка шарика, определений по шкале Мооса, способ Бухгольца и т.п. В данной статье мы не будем рассматривать их подробнее и просим обращаться к специализированной литературе.
Метод — бринелль
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 ( 4500 МПа), так как шарик может деформироваться, что исказит результаты испытания.
Метод Бринелля применяют для определения твердости не более 450 единиц, потому что при более твердых материалах из-за деформации шарика искажаются показания размеров отпечатка. Для испытания более твердых материалов применяются приборы с алмазными наконечниками.
Метод Бринелля применяют для определения твердости при НВ450 единиц, так как при более высокой твердости материала шарик деформируется.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ450, так как стальной шарик может деформироваться и результаты будут искажаться.
Метод Бринелля заключается в том, что шарик из закаленной стали под действием нагрузки Р ( рис. 12) вдавливается в зачищенную поверхность металла. Диаметр шарика D, нагрузку Р и время выдержки при этой нагрузке выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла по соответствующим справочникам.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 ( 4500 МПа), так как шарик может деформироваться, что исказит результаты испытания.
|
Схемы определения твердости по Бринеллю ( а, Роквеллу ( б и Вик-керсу ( в. |
Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов — более 200 НВ.
|
Схемы испытаний на твердость. |
Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
Методом Бринелля нельзя пользоваться для определения твердости очень прочных металлов, так как под значительной нагрузкой стальной шарик изменяет свою форму и дает неправильный отпечаток на образце.
Методом Бринелля с использованием стального закаленного шарика контролируют твердость сравнительно мягких материалов ( до 450 НВ), В качестве индентора при контроле твердых материалов используют алмазные конусы или четырехгранные пирамидки.
Сущность метода Бринелля ( рис. 144 а) заключается во вдавливании стального шарика 2 диаметром D под действием силы F, приложенной перпендикулярно к поверхности образца /, в течение определенного времени и в измерении диаметра d отпечатка после снятия нагрузки.
Наибольшее распространение имеет метод Бринелля.
Для испытания на твердость методом Бринелля существует много разных типов приборов с гидравлическим и с механическим приводом а измерение нагрузки при этом производится либо манометром, либо рычажными весами, либо маятниковым динамометром.
Что такое твердость по Бринеллю?
Твердомер по Бринеллю имеет индентор диаметром 10 мм. Индентор должен представлять собой шарик из закаленной стали или шарик из карбамида. Этот сферический шар может использоваться для приложения нагрузки около 3000 кг в случае более твердого материала.
Однако эту нагрузку можно уменьшить, если испытуемый материал мягче, чтобы избежать дополнительных вмятин. Твердость по Бринеллю применяют для определения твердости материалов с неоднородной структурой.
Перед индентированием поверхность образца должна быть подготовлена. Он должен быть ровным и идеальным. Любые неточности могут привести к ошибке.
Твердомер по Бринеллю удобен в обращении и портативен. Диаметр надреза, сделанного тестером, измеряют с помощью простого маломощного микроскопа.
Значение твердости по Бринеллю получают путем деления приложенной нагрузки на площадь поверхности отпечатка. Во время измерения не должно быть вибрации, поскольку она может повлиять на значение и привести к ошибке.
Тестер твердости по Бринеллю можно применять ко всем типам материалов. Прикладываемая нагрузка является высокой по сравнению с другими твердомерами. Соответственно можно регулировать размер индентора и нагрузку.
Поскольку в приборах для испытаний по Бринеллю используется сферический индентор, оказывающий равномерное давление, вероятность возникновения ошибки очень мала.
Принцип
Метод заключается в нанесении на поверхность материала, твердость которого необходимо измерить, шара из твердого материала определенного диаметра D с заданной силой m , измеряемой в килограмм-силе в соответствии с условными обозначениями для периода t . После удаления измеряется размер оставшегося отпечатка, сферический колпачок диаметром d .
Твердость по Бринеллю или число Бринелля обозначается HB или BH , полное сокращение — BHN для числа твердости по Бринеллю .
Формулы для получения значения по шкале Бринелля следующие:
HB≅,0649⋅FD⋅(D-D2-d2){\ displaystyle {\ mbox {HB}} \ cong 0,0649 \ cdot {\ frac {F} {D \ cdot (D — {\ sqrt {D ^ {2} -d ^ {2}}})}} }
HB = твердость по Бринеллю. F = приложенная сила D = диаметр шара. d = Диаметр отпечатка, оставленного шаром.
HBзнак равно2⋅Fграмм⋅π⋅D⋅(D-D2-d2){\ displaystyle {\ mbox {HB}} = {\ frac {2 \ cdot F} {g \ cdot \ pi \ cdot D \ cdot (D — {\ sqrt {D ^ {2} -d ^ {2}}) })}}}
HB = твердость по Бринеллю. F = приложенная сила D = диаметр шара. d = Диаметр отпечатка, оставленного шаром. g = ускорение Земли (9.80665)
Размер HB — это давление : F / S сила, деленная на поверхность. Это приложенная сила, относящаяся к поверхности сферической крышки деформации, то есть контактное давление, за исключением упругой деформации, как в других испытаниях, таких как Rockwell ( HRB или HRC ) или Vickers ( HV ). Различные тесты дают приблизительные значения друг друга с учетом влияния формы индентора.
Несмотря на то, что твердость однородна по отношению к «напряжению сопротивления проникновению», твердость должна выражаться в соответствии со стандартами в виде безразмерного числа.
Таблица твёрдости по Бринеллю
Твёрдость по Бринеллю определяется по формуле, указанной в таблице (когда усилие выражено в кгс). При определении твёрдости по Бринеллю
за диаметр отпечатка d принимают среднеарифметическое значение результатов измерений.
Обозначается твёрдость по Бринеллю численным значением и символом HB, после которых указывается диаметр шарика и приложенное усилие.
Только когда твёрдость по Бринеллю определяется шариком диаметром 10 мм при усилии 3000 кгс и продолжительности выдержки 30 секунд,
обозначение результата представляет собой лишь числовое значение и HB, например 285 HB.
|
Таблица некоторых (с точностью до 0,1) значений твёрдости по Бринеллю, диаметр шарика 10 мм; d (mm) — диаметр отпечатка шарика |
||||
| d (mm) | Druckkraft P (kp) | |||
| 3000 | 1000 | 500 | 250 | |
| 2 | 945,76 | 315,25 | 157,63 | 78,81 |
| 2,1 | 856,93 | 285,64 | 142,82 | 71,41 |
| 2,2 | 779,93 | 259,98 | 129,99 | 64,99 |
| 2,3 | 712,75 | 237,58 | 118,79 | 59,40 |
| 2,4 | 653,79 | 217,93 | 108,96 | 54,48 |
| 2,5 | 601,76 | 200,59 | 100,29 | 50,15 |
| 2,6 | 555,61 | 185,20 | 92,60 | 46,30 |
| 2,7 | 514,50 | 171,50 | 85,75 | 42,87 |
| 2,8 | 477,71 | 159,24 | 79,62 | 39,81 |
| 2,9 | 444,65 | 148,22 | 74,11 | 37,05 |
| 3 | 414,85 | 138,28 | 69,14 | 34,57 |
| 3,1 | 387,88 | 129,29 | 64,65 | 32,32 |
| 3,2 | 363,40 | 121,13 | 60,57 | 30,28 |
| 3,3 | 341,10 | 113,70 | 56,85 | 28,43 |
| 3,4 | 320,75 | 106,92 | 53,46 | 26,73 |
| 3,5 | 302,11 | 100,70 | 50,35 | 25,18 |
| 3,6 | 285,00 | 95,00 | 47,50 | 23,75 |
| 3,7 | 269,25 | 89,75 | 44,88 | 22,44 |
| 3,8 | 254,73 | 84,91 | 42,46 | 21,23 |
| 3,9 | 241,31 | 80,44 | 40,22 | 20,11 |
| 4 | 228,88 | 76,29 | 38,15 | 19,07 |
| 4,1 | 217,35 | 72,45 | 36,23 | 18,11 |
| 4,2 | 206,63 | 68,88 | 34,44 | 17,22 |
| 4,3 | 196,65 | 65,55 | 32,77 | 16,39 |
| 4,4 | 187,33 | 62,44 | 31,22 | 15,61 |
| 4,5 | 178,63 | 59,54 | 29,77 | 14,89 |
| 4,6 | 170,49 | 56,83 | 28,41 | 14,21 |
| 4,7 | 162,85 | 54,28 | 27,14 | 13,57 |
| 4,8 | 155,69 | 51,90 | 25,95 | 12,97 |
| 4,9 | 148,96 | 49,65 | 24,83 | 12,41 |
| 5 | 142,63 | 47,54 | 23,77 | 11,89 |
| 5,1 | 136,66 | 45,55 | 22,78 | 11,39 |
| 5,2 | 131,03 | 43,68 | 21,84 | 10,92 |
| 5,3 | 125,71 | 41,90 | 20,95 | 10,48 |
| 5,4 | 120,68 | 40,23 | 20,11 | 10,06 |
| 5,5 | 115,92 | 38,64 | 19,32 | 9,66 |
| 5,6 | 111,41 | 37,14 | 18,57 | 9,28 |
| 5,7 | 107,14 | 35,71 | 17,86 | 8,93 |
| 5,8 | 103,07 | 34,36 | 17,18 | 8,59 |
| 5,9 | 99,21 | 33,07 | 16,54 | 8,27 |
| 6 | 95,54 | 31,85 | 15,92 | 7,96 |
| 6,1 | 92,04 | 30,68 | 15,34 | 7,67 |
| 6,2 | 88,71 | 29,57 | 14,79 | 7,39 |
| 6,3 | 85,53 | 28,51 | 14,26 | 7,13 |
| 6,4 | 82,50 | 27,50 | 13,75 | 6,87 |
| 6,5 | 79,60 | 26,53 | 13,27 | 6,63 |
| 6,6 | 76,82 | 25,61 | 12,80 | 6,40 |
| 6,7 | 74,17 | 24,72 | 12,36 | 6,18 |
| 6,8 | 71,62 | 23,87 | 11,94 | 5,97 |
| 6,9 | 69,19 | 23,06 | 11,53 | 5,77 |
| 7 | 66,85 | 22,28 | 11,14 | 5,57 |
Примечание к таблице твёрдости по Бринеллю: значения, выделенные серым цветом, являются расчётными и на практике применены быть не могут.
Методика измерения твердости по Бринеллю
В соответствии с рассматриваемой технологией значение твёрдости материала определяется как отношение усилия, применимого на шарик, к площади следа от него после удара о изучаемый образец
Важно, что указанная площадь рассчитывается как площадь сферической поверхности отпечатка, а не как площадь круга.. В соответствии с ГОСТ 9012-59 значение показателя пишется в числах без указания единиц измерения, хотя фактически единицей является кг-с/кв.мм
Твёрдость по Бринеллю обозначается как HB и применяется в основном для достаточно мягких металлических сплавов, цветных металлов, чугуна и незакалённой «сырой» стали.
В соответствии с ГОСТ 9012-59 значение показателя пишется в числах без указания единиц измерения, хотя фактически единицей является кг-с/кв.мм. Твёрдость по Бринеллю обозначается как HB и применяется в основном для достаточно мягких металлических сплавов, цветных металлов, чугуна и незакалённой «сырой» стали.
Для измерения твердости по методу Бринелля, как правило, используют шарик или из стали или из карбида вольфрама. Карбидный индентор предназначен для исследования особо твердых материалов, например инструментальных сталей и сплавов. Стальной индентор подходит к металлам с твердостью до стали общего назначения, а также нержавеющей стали, дерева, цветных металлов, стекла и т.д.
В приборах по определению твердости по Бринеллю, использующихся в настоящее время, существует возможность плавно вводить шарик в деталь, что дает очень низкую погрешность измерения, не превышающую 1 процента. Это позволяет получать ее с высокой степени не только точности, но и повторяемостью.
Шарики-инденторы, которые примеряются в составе устройств, имеют диаметр 1, 2,5, 5 и 10 миллиметров. Усилие внедрения шарика и его размер выбирается исходя из типа изучаемого материала.
Испытания по методу Бринелля имеют следующие ограничения и особенности, которые нужно учитывать при его выборе и применении:
-
Неприменимы образцы, имеющие значение по Бринеллю более HB450/650 кгс/кв.мм.
-
Поверхность исследуемой детали должна быть плоская и чистая со всех сторон. Любая деформация может привести к искажению результата.
-
Диаметр каждого следа должен быть в интервале от 0,2 до 0,6 диаметра индентора.
-
Критический размер для образца материала, взятого для оценки твердости по Бринеллю – толщина не менее 10 глубин отпечатка индентора.
-
Расстояние от центра отпечатка до центра ближайшего следа должно быть 4 диаметра отпечатка или более.
-
Время выдержки под нагрузкой – 10-15 секунд для стали и 10-180 с для цветных металлов и сплавов исходя из их твёрдости.
Важно отметить, что не допускается измерять одинаковые детали и сравнивать результаты, полученные на твердомерах разного типа. Также нельзя получить точную твердость по методу Бринелля в месте, находящемся вблизи кромки образца.. При использовании данных после измерения твердости по методу Бринелля нужно обозначать условия получения данных.
При использовании данных после измерения твердости по методу Бринелля нужно обозначать условия получения данных.
В случае, если твёрдость образца выше HB450, то метод Бринелля не подходит, ввиду возможной деформации поверхности шарика при таких свойствах исследуемого вещества.
В ходе испытаний размер следа от индентора измеряют, используя специальную лупу с шагом шкалы 0,05 мм, которая названа также именем Бринелля, по двум перпендикулярным осям. Также возможно использование микроскопа для получения более точных данных. За значение диаметра принимают среднее арифметическое из этих измерений.
Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач
2. 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 подготовленной под замер твёрдости поверхности.
2)Твердость по Роквелу d=1,59 мм
Измерение твёрдости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908 году венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом») . Метод определения относительной глубины исключал ошибки, связанные с механическими несовершенствами системы, такими как люфты и поверхностные дефекты.
Твердомер Роквелла, машина для определения относительной глубины проникновения, был изобретен уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890—1957) и Стэнли П. Роквеллом (1886—1940). Потребность в этой машине была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. Метод Бринелля, изобретенный в 1900 году в Швеции, был медленным, не применимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться какнеразрушающий.
Ме́тод Рокве́лла является методом проверки твёрдости материалов. Из-за своей простоты этот метод является наиболее распространённым и основан на проникновении твёрдого наконечника в материал и измерении глубины проникновения.
Измерение твёрдости по Бринеллю (метод Бринелля)
Метод измерения твёрдости по Бринеллю — это способ определения
твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 1; 2;
2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Стальной шарик должен иметь твёрдость не менее 850 HV10. Шарик из твёрдого сплава должен
иметь твёрдость не менее 1500 HV10. Измерение твёрдости по Бринеллю возможно для металлов и сплавов с твёрдостью не более 650 единиц.
Число твёрдости по Бринеллю HB — отношение нагрузки (кгс) к площади (мм2) поверхности отпечатка. Для получения
сопоставимых результатов относительной твёрдости материалы (HB свыше 130) испытывают при отношении P:D2=30,
материалы средней твёрдости (HB 30-130) — при P:D2=10, мягкие (HBP:D2=2,5.
Испытания по методу Бринелля проводят на стационарных твердомерах — прессах Бринелля, обеспечивающих плавное приложение заданной
нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (обычно 10-15 или 30 секунд).
Метод измерения твердости металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю:
Стандарт устанавливает метод измерения твердости по Бринеллю металлов с твердостью не более 650 единиц. Сущность метода заключается
во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно
к поверхности образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия. ГОСТ 9012-59, в частности,
определяет требования, предъявляемые к отбору образцов металла для измерения твёрдости по Бринеллю — размер образцов, шероховатость поверхности и др.
Твёрдость сталей по Бринеллю
Поскольку, как было описано выше, при определении твёрдости по Бринеллю используется стальной закалённый шарик, можно сделать вывод,
что использование этого способа для измерения твёрдости сталей не всегда целесообразно. Поэтому в технической литературе чаще встречается
обозначения твёрдости сталей не по Бринеллю, а по Роквеллу или по Виккерсу. Тем не менее измерять твёрдость сталей по Бринеллю иногда можно.
Лит.:
ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
ГОСТ 23677-79. Твердомеры для металлов. Общие технические требования.
Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил.
Формулы для определения твёрдости:
Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0.002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком — 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:
а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):
Разность
б) при измерении по шкале B (HRB):
Важность для переработки пластмасс
Твердость по Бринеллю, несмотря на то что более распространенным является способ по Роквеллу, имеет широкий спектр применений в области получения изделий из пластмасс и эластомеров. Главным образом численные величины твердостей используется для оценки качества изготовления полимерного оборудования и технологической оснастки.
В области полимерного машиностроения нельзя пренебрегать твердостью исполнения узлов и агрегатов. Несмотря на кажущуюся мягкость и податливость расплавленного полимера, он может достаточно легко повредить и вывести из строя оборудование, не обладающее достаточным качеством металла, из которого оно изготовлено.
Рис.2. Проверка качества деталей оснастки
В частности, при приемке форм для литья пластмасс под давлением у недорогих изготовителей из Китая, крайне распространенной практикой является оценка твердостей формообразующих деталей. Этот процесс проводится при помощи ручного твердомера непосредственно на поверхности оснастки, чуть в стороне от формующей области. Наиболее требовательные заказчики возят свои собственные устройства на приемку пресс-форм.
Что касается непосредственно полимеров и эластомеров, то, как было указано ранее, наиболее распространенной методикой в мире (за исключением Японии и некоторых других стран) являются твердомеры, работающие по Шору и шкалам А и Д. Способ Бринелля может подойти только для особенно сильно наполненных полимеров, но он слишком неточен для стандартных крупнотоннажных пластмасс.