Твёрдость по Бринеллю

Твёрдость по Бринеллю — это метод определения твёрдости материалов, основанный на вдавливании твёрдого сферического индентора (шарика) в поверхность образца под действием статической нагрузки с последующим измерением диаметра полученного отпечатка. Метод назван в честь шведского инженера Юхана Августа Бринелля, предложившего его в 1900 году. Твёрдость по Бринеллю (обозначается HB, HBW или HBS) является одной из наиболее распространённых характеристик механических свойств металлов, сплавов и некоторых неметаллических материалов, особенно в промышленности и машиностроении.

История

Метод был разработан Юханом Августом Бринеллем, работавшим на заводе Fagersta Bruks AB в Швеции. В 1900 году он представил свой способ на Всемирной выставке в Париже, где он получил Гран-при. Первоначально метод предназначался для контроля качества стальных изделий, в частности, рельсов. В 1901 году метод был стандартизирован в Швеции, а затем получил международное признание. В 1919 году была создана Международная ассоциация по испытанию материалов, которая способствовала унификации метода. В СССР метод Бринелля был введён в стандарты в 1930-х годах и до сих пор широко применяется в промышленности, в том числе в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Принцип метода

Метод основан на статическом вдавливании шарика из твёрдого сплава (вольфрамового карбида) или закалённой стали в поверхность образца. Вдавливание производится под действием нагрузки, которая прикладывается плавно и выдерживается в течение определённого времени (обычно 10–30 секунд). После снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности. Твёрдость по Бринеллю вычисляется как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка, которая принимается за сферический сегмент.

Формула расчёта

Число твёрдости по Бринеллю (HB) определяется по формуле:

\[ HB = \frac{2F}{\pi D (D - \sqrt{D^2 - d^2})} \]

где:

• \( F \) — приложенная нагрузка, Н (или кгс);
• \( D \) — диаметр шарика, мм;
• \( d \) — диаметр отпечатка, мм.

В практике часто используется упрощённая формула или таблицы пересчёта диаметра отпечатка в число твёрдости.

Условия испытания

Для получения сопоставимых результатов необходимо соблюдать стандартные условия испытания, которые регламентируются международными стандартами (ISO 6506, ASTM E10) и национальными (ГОСТ 9012-59). Основные параметры:

• Диаметр шарика (D): обычно 10 мм, 5 мм, 2,5 мм или 1 мм. Выбор зависит от толщины образца и ожидаемой твёрдости.
• Нагрузка (F): выбирается в зависимости от диаметра шарика и материала. Стандартные соотношения нагрузки к квадрату диаметра (F/D²) составляют 30, 10, 5, 2,5, 1,25 и 0,5. Для стали и чугуна обычно используется F/D² = 30, для меди и её сплавов — 10, для алюминия — 5, для мягких металлов — 2,5 и ниже.
• Время выдержки: для большинства материалов — 10–15 секунд, для мягких металлов (например, свинца, олова) — до 30 секунд.
• Толщина образца: должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка, чтобы избежать влияния подложки.

Обозначение

Число твёрдости по Бринеллю записывается с указанием условий испытания. Например:

• HBW 10/3000/15 — твёрдость по Бринеллю, измеренная шариком из вольфрамового карбида (W) диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (29,42 кН) в течение 15 секунд.
• HBS 5/750/10 — твёрдость по Бринеллю, измеренная стальным шариком (S) диаметром 5 мм под нагрузкой 750 кгс (7,36 кН) в течение 10 секунд.

В современной практике стальные шарики (HBS) используются реже, так как они деформируются при испытании твёрдых материалов; предпочтение отдаётся шарикам из карбида вольфрама (HBW).

Типы инденторов

• Стальной шарик (HBS): применяется для материалов с твёрдостью до 450 HB. При более высоких значениях стальной шарик может деформироваться, что искажает результаты.
• Шарик из твёрдого сплава (HBW): используется для материалов с твёрдостью до 650 HB. В настоящее время является стандартным для большинства испытаний, так как обеспечивает большую точность и долговечность.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота и наглядность: метод не требует сложного оборудования, а результат (диаметр отпечатка) можно измерить с помощью обычного микроскопа.
• Универсальность: применим для широкого спектра материалов — от мягких металлов (свинец, алюминий) до твёрдых сталей и чугунов.
• Интегральная оценка: отпечаток имеет значительный размер (обычно 2–6 мм), что позволяет усреднять неоднородности структуры материала (например, в литых деталях).
• Связь с другими характеристиками: существует корреляция между твёрдостью по Бринеллю и пределом прочности на растяжение для многих сталей (приближённо \( \sigma_в \approx 0,36 \cdot HB \)).

Недостатки

• Разрушающий метод: на поверхности образца остаётся отпечаток, что может быть неприемлемо для готовых деталей.
• Ограничение по твёрдости: метод не подходит для очень твёрдых материалов (например, закалённых сталей с твёрдостью выше 650 HB, керамики, твёрдых сплавов), так как индентор может повредиться или отпечаток будет слишком мал.
• Влияние толщины: для тонких образцов (менее 1–2 мм) метод неприменим из-за деформации подложки.
• Влияние шероховатости: поверхность образца должна быть чистой и гладкой, иначе измерение диаметра отпечатка будет неточным.

Применение

Метод Бринелля широко используется в следующих областях:

• Металлургия и машиностроение: контроль качества стальных и чугунных отливок, поковок, проката. Например, для проверки твёрдости рельсов, колёс, шестерён, валов.
• Строительство: испытание твёрдости бетона и каменных материалов (в модифицированном виде).
• Авиационная и автомобильная промышленность: оценка свойств алюминиевых и титановых сплавов.
• Научные исследования: изучение механических свойств новых материалов, в том числе полимеров и композитов.

Сравнение с другими методами

• Твёрдость по Роквеллу: измеряет глубину проникновения индентора (алмазного конуса или стального шарика) под двумя нагрузками. Метод более быстрый и менее разрушающий, но менее точен для неоднородных материалов.
• Твёрдость по Виккерсу: использует алмазную пирамиду, что позволяет измерять твёрдость тонких слоёв и очень твёрдых материалов. Отпечаток очень мал, что требует тщательной подготовки поверхности.
• Твёрдость по Шору: основана на отскоке бойка; используется для эластомеров и пластмасс.

Метод Бринелля занимает промежуточное положение: он точнее и надёжнее метода Роквелла для грубых структур, но уступает методу Виккерса по диапазону измеряемых твёрдостей.

Интересные факты

• Первоначально Бринелль использовал стальной шарик диаметром 10 мм и нагрузку 3000 кгс, что до сих пор является стандартным режимом для стали.
• Число твёрдости по Бринеллю часто используется для приблизительной оценки предела прочности стали: \( \sigma_в \approx 3,45 \cdot HB \) (в МПа) или \( \sigma_в \approx 0,36 \cdot HB \) (в кгс/мм²).
• Метод Бринелля был одним из первых стандартизированных методов измерения твёрдости, и его принципы легли в основу многих последующих разработок.

Источники

• ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю».
• ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method».
• ASTM E10-18 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials».
• «Материаловедение» / Под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 2003.
• «Механические свойства материалов» / Под ред. В. С. Золоторевского. — М.: Металлургия, 1985.