Твердость по Бринеллю

При стандартном (ГОСТ 9012-59) измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени.

После снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис.1). В поверхностном слое под инден-тором идет интенсивная пластическая деформация, а диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление металла образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D и площади F шаровой поверхности отпечатка:

(1)

Размерность H/мм²;1H/мм²=1МПа»0,1кгс/мм²

Площадь отпечатка определяется по глубине вдавливаемого индентора:

F = pDh (2)

Число твердости имеет размерность напряжения (кгс/мм², Н/ мм²), но в соответствии со стандартом оно не пишется. При определении твердости НВ шариком с D=10мм под нагрузкой Р=3 000 кгс и времени выдержки t=10 сек число твердости записывают так: НВ 400, НВ 250, НВ 230 и так далее. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5(750)30=350 – означает: число твердости по Бринеллю 350, полученное при выдавливании шарика D=5мм, нагрузкой Р=750кгс в течение t=30 сек.

При определении твердости по Бринеллю используют инденторы с завальцованными в них шариками следующих диаметров – 2,5; 5 или 10 мм. Шарики имеют твердость не менее 850 кгс/мм².

С помощью метода Бринелля можно испытывать металлы с твердостью от НВ 8 до НВ 450, при большой твердости образца шарик индентора претерпевает остаточную деформацию на величину, превышающую стандартный допуск.

Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не меньше 10-кратной глубины отпечатка. При известной величине НВ глубина отпечатка:

, мм

Поверхность образца должна быть тщательно отшлифована, чтобы края отпечатка были достаточно отчетливы для измерения его диаметра с требуемой точностью (0,01-0,05 мм). Эти измерения проводят на инструментальных микроскопах или с помощью измерительной лупы. Величина отпечатка d весьма велика по сравнению с размерами отпечатка при других методах определения твердости, что позволяет получать достоверные средние значения НВ по 3-5 отпечаткам.

Расстояния от центра отпечатки до края образца должно быть не менее 2,5d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4d (для металлов НВ 35 соответственно 3d и 6d).

Из формулы (1) следует, что для получения одинаковых значений одного и того же образца при использовании шарика разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D² и d/D. Это условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора. На практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживается в пределах 0,2-0,6. Для получения отпечатков оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. В зависимости от твердости материала величина P/D² должна быть равной 30 (при НВ>130), 10(HB 35-130) и 2,5 (НВ<35). Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10с, для цветных металлов и сплавов 30с (при P/D² = 10 и 30) или 60с (при P/D² = 2,5). Зная данные при испытании Р и D и измерив d, находят число твердости НВ по стандартным таблицам.

Для определения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы. На рис. 2. представлена схема прибора ТШ-2, широко используемого в лабораторной практике.

Прибор смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика 1, устанавливаются сменные спорные столики 5 для испытуемых образцов. В верхней части станины расположен шпиндель 6, в который вставляют сменные наконечники с шариками разных диаметров. Шпиндель опирается на пружину 9, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки 1000 МПа для устранения смещения образца во время испытания. Основная нагрузка прилагается через систему рычагов. На длинном плече основного рычага 15 размещена подвеска, на которую накладываются сменные грузы 18. Комбинацией грузов можно задать нагрузки от 0,62 до 300Н. Вращение вала электродвигателя 21 с помощью червячной передачи сообщается кривошипу 19, он опускается и нагрузка передается на шпиндель прибора. Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун доходит до него, срабатывает концевой переключатель, и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, вследствие чего шатун вновь подключается, и нагрузка снимается со шпинделя. По возвращении шатуна в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.