Метод Бринелля

Ме́тод Брине́лля — один из основных методов определения твёрдости.

История

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849—1925) 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

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору, затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2-8 с, после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определенном интервале времени (обычно 10-15 с для сталей). Затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;

2 — чугун;

3 — медь и сплавы меди;

4 — легкие металлы и их сплавы;

5 — свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И еще важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24D до 0,6D.

Твёрдость по Бринеллю HBW рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка (метод восстановленного 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, мм;

$d$ — диаметр отпечатка, мм,

или как отношение приложенной нагрузки к площади внедренной в материал части индентора (метод невосстановленного отпечатка):

${\mbox{HBW}}={\frac {0,102F}{\pi Dh}}$,

где $h$ — 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; 14710 Н; 29420 Н.

Пример обозначения твердости по Бринеллю:

600 HBW 10/3000/20,

где 600 — значение твердости по Бринеллю, кгс/мм²;

HBW — символьное обозначение твердости по Бринеллю;

10 — диаметр шарика в мм;

3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29420 Н);

20 — время действия нагрузки, с.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры, 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
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 твердостью до 650 HBW.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект - 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

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

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

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

где $\sigma _{T}$ — предел текучести.

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 подготовленной под замер твёрдости поверхности.

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 твердости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твердости, как табличные, так и рассчитанные по уравнениям согласно ASTM E140 - 07, являются лишь приближенными и могут быть неточными для конкретных случаев. С физической точки зрения, такое сравнение чисел твердости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла.

Нормативные документы

• ISO 6506-1:2005 «Metallic materials -- Brinell hardness test -- Part 1: Test method»
• ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»
• 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

• Твёрдость
• Тест твёрдости Янка
• Твёрдость по Виккерсу
• Твёрдость по Шору
• Твёрдость по Роквеллу
• Шкала Мооса