Бринелля метод

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 опредения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

Принципиальная схема

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля, в отличие от метода Роквелла, измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения. Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как «приложенная нагрузка», делённая на «площадь поверхности отпечатка»:

$\mbox{HB}=\frac{P}{\frac{\pi D}{2}\left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)}$,

где P — приложенная нагрузка, Kgf;

D — диаметр шарика, мм;

d — диаметр отпечатка, мм,

или по формуле:

$\mbox{HB}=\frac{P}{\pi Dh}$,

где h — глубина внедрения индентера.

Нормативными документами определены диаметры индентора, время экспозиции, глубина внедрения индентора.

• В России регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0,13 до 0,35 мм.

В разных спецификациях эти значения различны.

• Наиболее распространённые диаметры шарика — 10, 5, 2,5 и 1 мм и нагрузки 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс.
• Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0,2—0,7 диаметра шарика.
• В методиках ASTM объединены метод с одним шариком и разными нагрузками и метод с применением разных шариков, а также дана формула вычисления твёрдости, не зависящей от нагрузки.

Твёрдость по шкале Бринелля выражают в Н/мм².

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные.

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 можно применять только для сравнительно мягких материалов, иначе сам шарик будет сдавлен. Как альтернатива, возможно применение шариков из карбида вольфрама (WC).
• Измерение диаметра отпечатка — довольно сложный процесс, и необходимая аппаратура является дорогостоящей.
• При вдавливании по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуется «повышение», что затрудняет измерение 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

$\sigma_\Beta=\frac {HB}{3}[\frac{H}{mm^2}]=\frac {10HB}{3}[MPa]$,

где σ_Β — предел прочности.

$\sigma_T=\frac {HB}{6}[\frac{H}{mm^2}]=\frac {10HB}{6}[MPa]$,

где σ_T — предел текучести.

Для алюминиевых сплавов

$\sigma_\Beta=0,362{HB}[\frac{H}{mm^2}]=3,62{HB}[MPa]$

Для медных сплавов

$\sigma_\Beta=0,26{HB}[\frac{H}{mm^2}]=2,6{HB}[MPa]$

• Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методам Виккерса и Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Следует отметить, что таблицы перевода в разных нормативных документах отличаются.

Нормативные документы

• ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
• ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»
• ISO 2039—1:1993 «Пластмассы. Определение твердости. Часть 1. Метод с применением шарикового индентора»
• ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»

См. также

• Твёрдость
• Твёрдость по Виккерсу
• Твёрдость по Шоору
• Твёрдость по Роквеллу
• Шкала Мооса