4.3.1. Измерение твердости по Бринеллю

Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-73) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени, получении отпечатка диаметром d и определении значения твердости НВ (Н - Harte, нем., твердость; В - Brinell, нем., Бринелль), как отношения приложенной нагрузки Р, (Н), к площади сферической поверхности (шарового сегмента) отпечатка F мм² (рис.4.1):

Рис.4.1. Схема измерения твердости по Бринеллю

Рис.4.2. Общий вид прибора для измерения твердости по Бринеллю марки ТШ-1

Для измерения твердости по Бринеллю применяет специальные приборы (рис.4.2): прессы электромеханического и гидравлического действия. Например, пресс электромеханического действия марки ТШ-1 (Т - твердомер, Ш - шариковый индентор) состоит из нагружающего механизма и электродвигателя, расположенных в станине 1, сменных грузов 2, индентора 3 в виде шарика, столика 4, маховика 5, кнопки включения нагружения 6 и механизма установки времени выдержки под нагрузкой 7. В качестве индентора в зависимости от характера и толщины испытуемого материала используют закаленные шарики из стали типа ШХ15 диаметром 10; 5 и 2,5 мм, а нагрузку выбирают в зависимости от какова материала как

Р = K-D², где К - постоянный для данного материала коэффициент, равный 294,3 Н/мм² для стали, чугуна и высокопрочных сплавов; 98,1 и 24,5 Н/мм² для сплавов на основе меди и алюминия. Время действия нагрузки находится в пределах 10-60 с. Для сравнения получаемых результатов испытаний стандартом регламентированы длительность нагружения и время выдержки под нагрузкой, так как некоторые металлы "текут" при ее действии в течение некоторого времени. Для характеристики условий измерения твердости приводят значение нагрузки, диаметр шарика и длительность нагружения.

Например, обозначение НВ 5/2450/30-2000 означает, что значение твердости 2000 МПа получено при измерении шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 2450 Н в течение 30с. При использовании предпочтительной нагрузки 29430 Н, индентора в виде шарика 10 мм и длительности нагружения 10-15 с условия измерения твердости не указываются, например НВ 2800. Методом Бринелля испытывают материалы толщиной более 1-2 мм, имеющие твердость НВ не более 4500 МПа.

Перед измерением твердости для получения горизонтальной, ровной, гладкой, без окалины и других дефектов поверхности последняя должна быть обработана в зависимости от качества материала наждачным камнем, шлифовальной шкуркой или напильником. При этом как испытываемая, так и опорная поверхности образца должны быть плоски­ми и параллельными. Это повышает точность измерения твердости. При подготовке поверхности испытываемый образец не должен нагреваться выше 100°С.

При измерении твердости испытываемый образец помещают на столик 4 подготовленной поверхностью к индентору 3 (см. рис. 4.2). Вращая вручную маховик 5 по часовой стрелке до упора, поднимают столик 4 прибора, вдавливая тем самым шарик прибора в испытываемую поверхность и создавая предварительное нагружение в 981 Н, Нажатием кнопки 6 включают электродвигатель (о чем свидетельствует загорание сигнальной лампочки 8) и нагружающий механизм, вдавливающий шариковый индентор 3 под действием нагрузки 2 в испытываемую поверхность. После выдержки под нагрузкой 2 в течение заданного с помощью механизма 7 времени автоматически выключается электродвигатель сигнальная лампочка потухает), вращением маховика 5 вручную против часовой стрелки опускается столик 4 и с него снимается образец с отпечатком.

Диаметр отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа или лупы (рис.4.3) в двух взаимно перпендикулярных направлениях, определяя его как среднее арифметическое из двух измерений.

Рис.4.3. Лупа для измерения отпечатков: а – общий вид; б – шкала лупы

Рис.4.4. Схема снятия отпечатка по шкале лупы

Лупа имеет шкалу (рис.4.3.6) с ценой деления 0,05 мм. При измерении диаметра отпечатка лупу нижней опорной частью необходимо плотно установить на испытываемую поверхность образца над отпечатком, обратив нижнюю часть лупы к свету и поворачивая окуляр, добиться чёткого изображения краев отпечатка. Затем передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы. Деление шкалы, совпадающее с противоположным краем отпечатка, и будет соответствовать диаметру отпечатка (на рис.4.4 диаметр отпечатка d = 4,80 мм).

Затем лупу или образец поворачивают на 90^е, измеряют диаметр отпечатка второй раз и вычисляют среднее арифметическое значение диаметра отпечатка, по которому с помощью специальных таблиц определяют значение твердости НВ (табл.4.1). При измерении твердости необходимо соблюдать следующие условия: образец должен иметь толщину не меньше, чем 10-кратная глубина отпечатка; центр отпечатка должен быть удален от края образца не меньше, чем на 4d; центр отпечатка при повторных измерениях должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее 2D. Для достоверного определения твердости необходимо выполнить массив измерений на нескольких образцах и статистически его обработать.

Опытным путем установлено, что между временным сопротивлением σ_в и твердостью НВ для пластичных материалов существует определенная зависимость. Например, для незакаленной стали σ_в = 0,36 НВ.

Метод Бринелля для определения твердости является весьма точным, но имеет ряд недостатков:

1. Ограниченность области применения. Не рекомендуется испытывать материалы, имеющие твердость больше 4 500, так как в этом случае шарик может деформироваться, что приведет к искажению результатов.

2. Невозможность определения твердости тонких изделий и поверхностного слоя металла. Толщина изделия должна быть не менее десятикратной глубины вдавливания.

3. Получение значительного отпечатка на изделии, что в ряде случаев недопустимо.

Таблица 4.1

Значения твердости по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка

Диаметр отпечатка d10, 2d5 или 4d2,5, мм	Значение твердости НВ, МПа при нагрузке Р, Н			Диаметр отпечатка d10, 2d5 или 4d2,5, мм	Значение твердости НВ, МПа при нагрузке Р, Н
	294,3D2	98,1 D2	24,5 D2		294,3D2	98,1D2	24,5D2
1	2	3	4	5	6	7	8
2,90	4440	-	-	4,50	1790	595	149
2,95	4290	-	-	4,55	1740	581	145
3,00	4150	-	346	4,60	1700	568	142
3,05	4010	-	334	4,65	1670	555	139
3,10	3880	1290	323	4,70	1630	543	136
3,15	3750	1250	313	4,75	1590	530	133
3,20	3630	1210	303	4,80	1560	519	130
3,25	3520	1170	293	4,85	1520	507	127
3,30	3410	1140	284	4,90	1490	496	124
3,35	3310	1100	276	4,95	1460	486	122
3,40	3210	1070	267	5,00	1430	475	119
3,45	3110	1040	259	5,05	1400	465	116
3,50	3020	1010	252	5,10	1370	455	114

Окончание табл.4.1.

1	2	3	4	5	6	7	8
3,55	2930	977	245	5,15	1340	446	112
3,60	2850	956	237	5,20	1310	437	109
3,65	2770	923	231	5,25	1280	428	107
3,70	2690	897	224	5,30	1260	419	105
3,75	2620	872	218	5,35	1230	410	103
3,80	2550	849	212	5,40	1210	402	101
3,85	2480	826	207	5,45	1180	394	98,6
3,90	2410	804	201	5,50	1160	386	96,6
3,95	2350	783	196	5,55	1140	379	94,6
4,00	2290	763	191	5,60	1110	371	92,7
4,05	2230	743	186	5,65	1090	364	81,0
4,10	2170	724	181	5,70	1070	357	89,3
4,15	2120	706	176	5,75	1050	350 -	87,6
4,20	2070	688	172	5,80	1030	343	85,9
4,25	2010	671	168	5,85	1010	337	84,3
4,30	•970	655	164	5,90	992	331	82,6
4,35	1920	639	160	5,95	973	324	81,1
4,40	1870	624	156	6,00	955	318	79,6
4.45	1830	609	152	-	-	-	-