Метод Бринелля

Ме́тод Брине́лля — 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

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 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 м м. 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 "HB" (Hardness Brinell) при применении стального шарика в качестве индентора или «HBW» при применении в качестве индентора шарика из твёрдого сплава 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, м м;
$d$ — диаметр отпечатка, м м.

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, м м.

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/м м²;
HBW — символьное обозначение твёрдости по Бринеллю;
10 — диаметр шарика в м м;
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

Материал	Твёрдость
Мягкое дерево, например, сосна	1,6 HBS 10/100
Твёрдое дерево	от 2,6 до 7,0 HBS 10/100
Полиэтилен низкого давления	4,5-5,8 HB^[1]
Полистирол	15 HB^[1]
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

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 приблизительно найти предел прочности и текучести материала по указанным ниже формулам, что важно для прикладных инженерных задач.

Для стали

\sigma _{\mathrm {B} }={\frac {HB}{3}}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]={\frac {10HB}{3}}[MPa]

,

где $\sigma _{\mathrm {B} }$ — предел прочности, М Па.

\sigma _{T}={\frac {HB}{6}}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]={\frac {10HB}{6}}[MPa]

,

где $\sigma _{T}$ — предел текучести, М Па.

Для алюминиевых сплавов

\sigma _{\mathrm {B} }=0,362{HB}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]=3,62{HB}[MPa]

Для медных сплавов

\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»

См. также

Примечания

↑ ¹ ² Справочник по пластическим массам под редакцией М. И. Гарбара, М. С. Акутина, Н. М. Егорова (М., «Химия», 1967)

[plast-1] ¹ ² Справочник по пластическим массам под редакцией М. И. Гарбара, М. С. Акутина, Н. М. Егорова (М., «Химия», 1967)

[1]