Общие знания относительно определения твердости по Бринеллю
При методе испытания по Бринеллю индентор представляет собой твердосплавный шарик диаметром D = 10; 5; 2,5 или 1 мм. Он вдавливается в образец с усилием испытания (по стандарту от 1 кг до 3000 кг) и удерживается там в течение определенного времени.
Для расчета твердости по Бринеллю измеряются два расположенные вертикально друг к другу диаметра отпечатка на поверхности образца. Кроме того, используются усилие испытания в Н и диаметр сферического индентора.
Процесс определения твердости по Бринеллю согласно ISO 6506
При определении твердости по Бринеллю, оптическом методе, измеряют величину отпечатка, оставляемого индентором. В отличие от аналогичного оптического метода по Виккерсу, при котором в образец вдавливается индентор в форме пирамиды, при методе по Бринеллю используется сферический индентор.
Чем глубже отпечаток, оставляемый индентором по Бринеллю с определенным диаметром шарика и при определенном усилии испытания на поверхности заготовки (образца), тем мягче испытываемый материал.
Согласно стандарту ISO 6506 для определения твердости по Бринеллю (HBW) сферический индентор из твердого сплава (карбид вольфрама) с определенной нагрузкой (от 1 кгс до 3000 кгс) вдавливается в образец (заготовку).
Что обозначает твердость по Бринеллю?
Твердость по Бринеллю - это единица измерения, которая показывает твердость материала. Она измеряется по методу определения твердости по Бринеллю, при котором твердосплавный шарик вдавливается в материал. Размер полученного отпечатка измеряется оптически, чтобы определить твердость материала.
Твердость по Бринеллю обычно определяют у крупно зернистых материалов, материалов с шероховатой поверхностью или неоднородных материалов (например, отливки, сплавы и кованые изделия). Ее определяют как отношение приложенного усилия к площади отпечатка. Единица измерения твердости по Бринеллю - HBW (твердость по Бринеллю с использованием шарика из карбида вольфрама).
Расчет твердости по Бринеллю
Твердость по Бринеллю HBW определяется как частное из приложенного усилия испытания F (в ньютонах (Н)) и площади оставшегося отпечатка на образце (проекции отпечатка) после сброса усилия испытания (см. формулу Бринелля). Для расчета площади оставшегося сферического отпечатка привлекается среднее арифметическое d двух вертикальных диагоналей d1 и d2 (в мм), т.к. основание отпечатков по Бринеллю зачастую не является точно круглым.
На практике для определения значения твердости не для каждого отдельного испытания проводится расчет по формуле. В качестве альтернативы значение твердости можно взять из таблиц или специального программного обеспечения, где для всех нормативных диаметров шарика и испытательных нагрузок приводится значение твердости, в зависимости от среднего диаметра отпечатка d.
Усилие испытание следует выбирать таким образом, чтобы средний диаметр отпечатка d составлял от 0,24 D до 0,6 D.
Для соблюдения этих границ необходимо согласовать друг с другом усилие испытания и диаметр шарика. На основании этого возникают различные степени нагружения (их также называют коэффициенты нагрузки) в пределах метода по Бринеллю, при которых частное из усилия испытания и квадрата диаметра шарика остается постоянным: B = 0,102*F/D2. Пять актуальных степеней нагружения: 1, 2.5, 5, 10 и 30. Испытание одного материала с различными диаметрами шарика и усилиями испытания следует проводить в пределах одной степени нагружения для сходимости результатов измерений (см. обзорную таблицу "Методы и области применения определения твердости по Бринеллю").
Диаметр шарика следует выбирать таким образом, чтобы отпечаток охватывал как можно большую - показательную для образца - область материала.
Испытательную нагрузку по стандарту (ISO 6506) следует увеличивать до конечного значения в течение минимум двух и максимум восьми секунд. Срок воздействия испытательной нагрузки составляет, как правило, от 10 до 15 секунд (сек.). При более длительном сроке воздействия его следует дополнительно указать в секундах в значении твердости, например: 210 HBW 5/250/30 (срок воздействия 30 сек.).
Преимущества и недостатки определения твердости по Бринеллю
Метод определения твердости по Бринеллю предлагает следующие преимущества:
- С помощью метода Бринелля можно испытывать даже неоднородные материалы (например, литые изделия), т.к. большой шарик затрагивает многие кристаллы (различные составляющие структуры материала) и образует механическое среднее значение.
- На выбор предлагаются разнообразные усилия испытания и диаметры шарика для самых разных испытаний.
- Сравнительно большие отпечатки, которые проще измерять в отличие от небольших отпечатков по Виккерсу.
- Поверхность образца может быть шероховатой.
Метод определения твердости по Бринеллю обладает следующими недостатками:
- Необходима хорошая структура поверхности образца, т.к. измерение отпечатка проводится визуально. Это означает необходимость подготовки точки испытания.
- Высокий риск деформации испытываемого материала при испытаниях в макродиапазоне с большой испытательной нагрузкой (например, HBW 10/3.000) и связанная с этим опасность погрешности по причине образования вала. Поэтому важным является хорошее освещение отпечатка для возможности корректного анализа (например, с помощью кольцевого света).
- Ограниченное применение метода для очень твердых материалов и одновременно тонких образцов (см. минимальную толщину образца при методе Бринелля).
- Медленное проведение испытаний (по сравнению с методом Роквелла). Процесс испытания длится от 30 до 60 секунд, причем здесь не учитывается время на подготовку образцов.
Примеры методов и областей применения определения твердости по Бринеллю
Метод Бринелля подходит для определения твердости от мягких (легкие сплавы, свинец, олово) до твердых металлов (сталь и черные металлы).
Испытание материала по Бринеллю с различными диаметрами шарика и усилиями испытания следует проводить в пределах одной степени нагружения („Процесс определения твердости по Бринеллю“), чтобы иметь возможность напрямую сравнивать друг с другом измеренные значения твердости.
Ниже приведена обзорная таблица, группирующая методы Бринелля по степени нагружения, связанному с ней диапазону твердости и рекомендованным областям применения (материалам). Чем выше степень нагружения, тем тверже металлы, которые можно / следует испытывать с помощью методов в пределах этой степени нагружения. Самая актуальная степень нагружения (коэффициент нагрузки) - HBW 30. С помощью методов Бринелля, относящихся к степени нагружения HBW 30, испытывают твердые металлы (например, сталь и чермет).
| Материал | Метод | Индентор | Усилие испытания F | Степень нагружения 0,102 x F/D2 | Диапазон твердости HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| Сталь / чермет | HBW 1/30 | 1 мм | 294,2Н | 30 | 95,5-653 |
| HBW 2,5/187,5 | 2,5 мм | 1,839 кН | |||
| HBW 5/750 | 5 мм | 7,355 кН | |||
| HBW 10/3000 | 10 мм | 29,42 кН | |||
| Легкий сплав медь / алюминий медный сплав алюминиевый сплав | HBW 1/10 | 1 мм | 98,07 Н | 10 | 31,8-218 |
| HBW 2,5/62,5 | 2,5 мм | 612,9 Н | |||
| HBW 5/250 | 5 мм | 2,452 кН | |||
| HBW 10/1000 | 10 мм | 9,807 кН | |||
| Легкий сплав медь / алюминий медный сплав без термообработки | HBW 1/5 | 1 мм | 49,03 Н | 5 | 15,9-109 |
| HBW 2,5/31,25 | 2,5 мм | 306,5 Н | |||
| HBW 5/125 | 5 мм | 1,226 кН | |||
| HBW 10/500 | 10 мм | 4,903 кН | |||
| Легкие сплавы | HBW 1/2,5 | 1 мм | 24,52 Н | 2,5 | 7,96-54,5 |
| HBW 2,5/15,625 | 2,5 мм | 153,2 Н | |||
| HBW 5/62,5 | 5 мм | 612,9 Н | |||
| HBW 10/250 | 10 мм | 2,452 кН | |||
| Легкие сплавы свинец / олово | HBW 1/1 | 1 мм | 9,807 Н | 1 | 3,18-21,8 |
| HBW 2,5/6,25 | 2,5 мм | 61,29 Н | |||
| HBW 5/25 | 5 мм | 245,2 Н | |||
| HBW 10/100 | 10 мм | 980,7 Н | |||
* рекомендованный диапазон твердости по EN ISO 6506-4, таблица 2 | |||||
Минимальное расстояние между отпечатками и минимальная толщина образца при методе по Бринеллю
- При методе по Бринеллю отпечатки следует наносить таким образом, чтобы было достаточное расстояние до кромки образца, а также между отдельными отпечатками. Минимальные значения, которые по стандарту следует соблюдать, указаны в графике.
- Образец должен обладать такой минимальной толщиной, чтобы отпечаток не вызвал визуально различимой деформации на нижней (опорной) поверхности образца. Это означает, что толщина образца согласно стандарту должна минимум в восемь раз превышать глубину вдавливания шарика. Глубину вдавливания можно предположить из ожидаемого значения твердости, которое опять же зависит от среднего диаметра отпечатка. Таким образом можно вывести минимальную толщину образца, в зависимости от среднего диаметра отпечатка и диаметра шарика индентора по Бринеллю. Ниже приведена подробная таблица, в которой можно найти соответствующую минимальную толщину образца по Бринеллю:
| Средний диаметр отпечатка (мм) | Минимальная толщина образца (мм) | |||
|---|---|---|---|---|
| Диаметр шарика (мм) | ||||
| 1,0 | 2,5 | 5,0 | 10 | |
| 0,2 | 0,12 | |||
| 0,3 | 0,18 | |||
| 0,4 | 0,33 | |||
| 0,5 | 0,54 | |||
| 0,6 | 0,80 | 0,29 | ||
| 0,7 | 0,40 | |||
| 0,8 | 0,53 | |||
| 0,9 | 0,67 | |||
| 1,0 | 0,83 | |||
| 1,1 | 1,02 | |||
| 1,2 | 1,23 | 0,58 | ||
| 1,3 | 1,46 | 0,69 | ||
| 1,4 | 1,72 | 0,80 | ||
| 1,5 | 2,00 | 0,92 | ||
| 1,6 | 1,05 | |||
| 1,7 | 1,19 | |||
| 1,8 | 1,34 | |||
| 1,9 | 1,50 | |||
| 2,0 | 1,67 | |||
| 2,2 | 2,04 | |||
| 2,4 | 2,45 | 1,17 | ||
| 2,6 | 2,92 | 1,38 | ||
| 2,8 | 3,43 | 1,60 | ||
| 3,0 | 4,00 | 1,84 | ||
| 3,2 | 2,10 | |||
| 3,4 | 2,38 | |||
| 3,6 | 2,68 | |||
| 3,8 | 3,00 | |||
| 4,0 | 3,34 | |||
| 4,2 | 3,70 | |||
| 4,4 | 4,08 | |||
| 4,6 | 4,48 | |||
| 4,8 | 4,91 | |||
| 5,0 | 5,36 | |||
| 5,2 | 5,83 | |||
| 5,4 | 6,33 | |||
| 5,6 | 6,86 | |||
| 5,8 | 7,42 | |||
| 6,0 | 8,00 | |||
