Ме́тод Брине́лля — один из основных методов определения твёрдости материала.

История

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем ( 1849- 1925 гг. ) в 1900 году и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении .

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

Метод Бринелля относится к методам вдавливания .

Испытание проводится следующим образом:

• вначале образец подводят к индентору ;
• затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2‑8 секунд ;
• после достижения максимальной величины нагрузка на индентор выдерживается в определённом промежутке времени (для сталей обычно 10‑15 секунд );
• затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка.

В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметра 1 ; 2 ; 2.5 ; 5 и 10 м м . Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала.

Исследуемые материалы делят на 5 основных групп :

1 — сталь , никелевые и титановые сплавы ;

2 — чугун ;

3 — медь и сплавы меди ;

4 — лёгкие металлы и их сплавы;

5 — свинец , олово .

Кроме того, выше приведённые группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора . И ещё важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24· D до 0,6· D , где D — диаметр индентора (шарика).

Твёрдость по Бринеллю обозначается "HB" (Hardness Brinell) при применении стального шарика в качестве индентора или « HBW » при применении в качестве индентора шарика из твёрдого сплава и может рассчитываться двумя методами:

• метод восстановленного отпечатка;
• метод невосстановленного отпечатка.

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

${\displaystyle {\mbox{HBW}}={\frac {0,102F}{{\frac {\pi D}{2}}\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}}$ ,

где:

• ${\displaystyle F}$ — приложенная нагрузка, Н ;
• ${\displaystyle D}$ — диаметр шарика, м м ;
• ${\displaystyle d}$ — диаметр отпечатка, м м .

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части индентора :

${\displaystyle {\mbox{HBW}}={\frac {0,102F}{\pi Dh}}}$ ,

где ${\displaystyle h}$ — глубина внедрения индентора, м м .

Нормативными документами определены:

• диаметры индентора;
• время вдавливания;
• время выдержки под максимальной нагрузкой;
• минимальная толщина образца;
• минимальная и максимальная величины диагоналей отпечатка;
• максимальные нагрузки;
• группа исследуемого материала.

По ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки: 9.807 Н ; 24.52 Н ; 49.03 Н ; 61.29 Н ; 98.07 Н ; 153.2 Н ; 245.2 Н ; 294.2 Н ; 306.5 Н ; 612.9 Н ; 980.7 Н ; 1226 Н ; 2452 Н ; 4903 Н ; 7355 Н ; 9807 Н ; 14 710 Н ; 29 420 Н .

Пример обозначения твёрдости по Бринеллю:

600 HBW 10/3000/20 ,

где:

• 600 — значение твёрдости по Бринеллю, кгс / м м ²;
• HBW — символьное обозначение твёрдости по Бринеллю;
• 10 — диаметр шарика в м м ;
• 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29 420 Н );
• 20 — время действия нагрузки, с .

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры (например, твердомеры для металлов ) как стационарные, так и переносные.

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
Полиэтилен низкого давления	4,5-5,8 HB
Полистирол	15 HB
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 рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB .
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect ).
• При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и 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

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }={\frac {HB}{3}}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]={\frac {10HB}{3}}[MPa]}$ ,

где ${\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }}$ — предел прочности , М Па .

${\displaystyle \sigma _{T}={\frac {HB}{6}}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]={\frac {10HB}{6}}[MPa]}$ ,

где ${\displaystyle \sigma _{T}}$ — предел текучести , М Па .

Для алюминиевых сплавов

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,362{HB}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]=3,62{HB}[MPa]}$

Для медных сплавов

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,26{HB}[{\frac {kgf}{mm^{2}}}]=2,6{HB}[MPa]}$

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

• Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC ).

• Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности, подготовленной под замер твёрдости.

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по другим методам, например метод Виккерса и метод Роквелла . В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Перевод чисел твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости как табличные, так и рассчитанные по уравнениям согласно ASTM E 140-07 являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. С физической точки зрения, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла.

Нормативные документы

• ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81) «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю»
• ISO 6506-1:2014 « Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method »
• ASTM E -10 « Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials »
• ASTM E 140-07 « Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness , Vickers Hardness , Rockwell Hardness , Superficial Hardness , Knoop Hardness , and Scleroscope Hardness »

См. также

• Твёрдость
• Тест твёрдости Янка
• Твёрдость по Виккерсу
• Твёрдость по Шору
• Твёрдость по Роквеллу
• Шкала Мооса

Примечания