2. Метод Бринелля.

Определения твердости по ГОСТ 9012–59 выполняются на приборах типа ТБ вдавливанием стального закаленного шарика, твердость оценивается отношением усилия и площади поверхности отпечатка.

Значения твердости вычисляются по формуле:

. (1)

Здесь НВ – обозначение твердости; Р – прилагаемая нагрузка [кгс]; F – площадь поверхности отпечатка [мм²]; D и d – соответственно, диаметры шарика–индентора и отпечатка [мм] (рис.1). Таким образом, размерность значений твердости – .

Диаметр шарика и нагрузку выбирают так, чтобы соблюдалось соотношение

.

При увеличении нагрузки P, например в 2 раза, глубина и площадь F отпечатка сферического индентора возрастают, но не пропорционально P. Поэтому величина HB зависит от приложенной нагрузки P и диаметра шарика D.

Для исключения этого недостатка метода Бринелля твердость изделий определяют при заранее обусловленных для разных металлов значениях P и D (см. табл.1).

Кроме того, на твердость материала оказывает влияние такие его свойства как предел текучести (s_0,2) и модуль упругости (Е), которые у черных металлов (стали и чугуны) в несколько раз больше, чем у цветных металлов (медь, алюминий и сплавы на их основе).

Толщина изделия при прочих равных условиях также влияет на величину твердости HB: чем оно тоньше, тем меньше должен быть отпечаток, т.е. меньше величины P и D.

Условия испытаний, т.е. величина нагрузки (P) и диаметр шарика (D) для разных материалов в зависимости от толщины изделия приведены в табл.1. Они определяются в зависимости от коэффициента К

.

При соблюдении условий испытания в соответствии с табл.1 числа твердости HB одного и того же металла равны в изделиях разной толщины.

Увеличение времени приложения нагрузки при определении твердости цветных металлов (см. табл. 1) связано с тем, что они пластически деформируются не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после окончания перемещения индентора.

Метод Бринелля не является универсальным. Его нельзя использовать для материалов с твердостью более 450НВ (см. табл.1), т.к. при испытаниях может произойти деформация индентора – шарика.

Измерения твердости выполняются следующим образом. В соответствии с табл.1 выбираются условия испытания. После приложения нагрузки на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки. Для определения твердости необходимо измерить диаметр отпечатка. Он измеряется с помощью микроскопа МПБ – 2 (это лупа со шкалой). Измерения выполняются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для определения твердости берется среднее значение.

Поверхность образца должна быть плоской, иметь определенную шероховатость поверхности (Rz<20), при этом края отпечатка отчетливо видны, что позволяет точно провести измерения.

Таблица 1.

Определение HB по ГОСТ 9012 – 59.

Материал	Твердость, НВ	Минимальная толщина, мм	К, кгс/мм2	D, мм	Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с.
Черные металлы	140…450	От 6 до 3	30	10,0	3000	10
		От 4 до 2		5,0	750
		Менее 2		2,5	187,5
	менее 140	Более 6	10	10,0	3000	10
		От 6 до 2		5,0	750
		Менее 3		2,5	187,5
Цветные металлы	более 130	От 6 до 3	30	10,0	3000	30
		От 4 до 2		5,0	750
		Менее 2		2,5	187,5
	35…130	От 9 до 3	10	10,0	3000	30
		От 6 до 3		5,0	750
		Менее 3		2,5	187,5
	8…35	Более 6	2,5	10,0	3000	60
		От 6 до 3		5,0	750
		Менее 3		2,5	187,5

Обозначение твердости. При определении твердости черных металлов – сталей, чугунов с твердостью свыше 140НВ (диаметр шарика – индентора 10мм, нагрузка 3000кгс, время выдержки под нагрузкой 10с. – табл.1) твердость обозначается только цифрами и латинскими буквами, например, 200НВ. Для этих условий нет необходимости производить вычисления твердости по (1). Значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка уже рассчитаны (приложение 1).

При изменении условий испытаний помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и выдержку под нагрузкой. Например, 185НВ/5/750/30, здесь: 185НВ – твердость по Бринеллю, 5 – диаметр шарика [мм], 750 – нагрузка [кгс], 30 – время выдержки под нагрузкой [с].

Между твердостью по Бринеллю и пределами прочности разных материалов соблюдаются следующие примерные соотношения:

• для сталей – s_в=0,33НВ, s_т=s_в/2;

• для алюминиевых сплавов – s_в=0,33…0,36НВ;

• для медных сплавов отожженных – s_в=0,55НВ;

• для медных сплавов в состоянии наклепа – s_в=0,40НВ.

Эти соотношения верны, если твердость материала не превышает 450НВ. Материалы с такой твердостью при испытаниях на растяжение разрушаются с образованием шейки на образце, т.е. испытывают перед разрушением большую пластическую деформацию (напомним, что твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям). При большей твердости материала его разрушение происходит по другому механизму – хрупко, поэтому приведенные закономерности не соблюдаются.

Определение твердости по Бринеллю положено в основу «метода ударного отпечатка» (метод Польди) по ГОСТ 18661–73. Метод применяется для определения твердости крупногабаритных деталей (например, станины станков), когда невозможно выполнить испытания на стационарном приборе.

Твердость определяют с помощью прибора, состоящего из корпуса 4, бойка 3, шарика – индентора 1 и пружины 2 (рис.2). Измерения производят следующим образом. Прибор прижимают к поверхности детали 6, предварительно вставив в него эталон 5, твердость которого известна. По верхней части бойка 3 наносят удар молотком, при этом шарик вдавливается одновременно и в испытуемую деталь и в эталон, оставляя на них отпечатки.

Твердость обозначается НР, ее величина определяется по следующей формуле:

,

где НР – твердость исследуемого материала; Н_Э – твердость эталона в единицах Бринелля; F_Э и F_И – площади поверхности отпечатков на эталоне и образце, соответственно.