Определение твердости по Бринеллю согласно ISO 6506 / ASTM E10

Процесс определения твердости по Бринеллю Расчет твердости по Бринеллю Преимущества и недостатки Обзор методов и испытаний по Бринеллю Минимальное расстояние между отпечатками и минимальная толщина образца Твердомер по Бринеллю

Информация по методу испытания по Бринеллю (определение твердости по Бринеллю HBW)

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