Твердость по Бринеллю¶

Твёрдость по Бринеллю — это метод определения твёрдости материалов, основанный на вдавливании твёрдого сферического индентора (шарика) в поверхность образца под действием статической нагрузки. Полученное значение твёрдости (HB) рассчитывается как отношение приложенной силы к площади поверхности полученного отпечатка. Метод является одним из старейших и наиболее распространённых способов механических испытаний, применяемых для металлов, сплавов, пластмасс и некоторых других материалов.

¶История

Метод был предложен в 1900 году шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (Johan August Brinell, 1849–1925). Работая на заводе Fagersta Bruks AB, Бринелль столкнулся с необходимостью объективной оценки качества стали после термообработки. Существовавшие в то время методы (например, царапание или испытание на изгиб) не давали воспроизводимых результатов. Первое публичное описание метода было сделано Бринеллем на Всемирной выставке в Париже в 1900 году. В 1901 году метод был стандартизирован в Швеции, а затем быстро распространился в Европе и США. К 1920-м годам он стал основным методом контроля твёрдости в металлургии и машиностроении. В СССР метод был внедрён в 1930-е годы и регламентировался ГОСТ 9012-59 (ныне ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю»).

¶Принцип метода

Испытание заключается в статическом вдавливании стального или твердосплавного шарика диаметром D в поверхность образца под действием силы F в течение определённого времени выдержки (обычно 10–30 секунд). После снятия нагрузки на поверхности остаётся сферический отпечаток диаметром d. Твёрдость по Бринеллю (HB) вычисляется по формуле:

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

где:

• \( F \) — сила вдавливания, Н (или кгс);
• \( D \) — диаметр шарика, мм;
• \( d \) — средний диаметр отпечатка, мм.

На практике значение HB часто определяют по таблицам, составленным для стандартных сочетаний диаметра шарика и нагрузки, что исключает необходимость расчётов.

¶Оборудование

Для испытаний по Бринеллю применяются твёрдомеры (прессы Бринелля). Основные элементы:

• Станина с механизмом нагружения (рычажным, гидравлическим или электромеханическим).
• Индентор — шарик из закалённой стали (для твёрдости до 450 HB) или твёрдого сплава (карбид вольфрама, для твёрдости до 650 HB). Диаметры шариков стандартизированы: 10; 5; 2,5; 1; 0,5 мм.
• Столик для образца с регулировкой высоты.
• Оптическая система (микроскоп) для измерения диаметра отпечатка с точностью до 0,01 мм.

¶Стандартные условия испытаний

Для металлов и сплавов применяются следующие сочетания нагрузки и диаметра шарика, обеспечивающие сопоставимость результатов:

Толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца — не менее 2,5 диаметра отпечатка, а между соседними отпечатками — не менее 4 диаметров.

¶Обозначение результатов

Твёрдость по Бринеллю обозначается символом HB (или HBW для твёрдосплавного индентора). После числа указываются условия испытания: диаметр шарика, нагрузка и время выдержки. Примеры:

• 120 HB10/3000/15 — твёрдость 120 единиц, измерена шариком 10 мм при нагрузке 3000 кгс и выдержке 15 секунд.
• 400 HBW2,5/187,5/30 — твёрдость 400 единиц, твёрдосплавный шарик 2,5 мм, нагрузка 187,5 кгс, выдержка 30 секунд.

Если условия стандартные (10 мм, 3000 кгс, 10–15 с), обозначение может быть сокращено до «120 HB».

¶Применение

Метод Бринелля широко используется в промышленности и научных исследованиях:

• Металлургия — контроль качества отливок, поковок, проката (сталь, чугун, алюминиевые и медные сплавы).
• Машиностроение — приёмка деталей после термообработки, сварных швов, шестерён, валов.
• Строительство — испытание арматуры, рельсов, труб.
• Авиа- и автомобилестроение — контроль лопаток турбин, коленчатых валов, шатунов.
• Пластмассы и резины — для твёрдых полимеров (например, текстолит, капрон) с использованием малых нагрузок.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая воспроизводимость результатов при соблюдении стандартов.
• Возможность испытания крупнозернистых и неоднородных материалов (чугуны, отливки) — большой отпечаток усредняет локальные неоднородности.
• Прямая корреляция с пределом прочности на растяжение для многих сталей (приближённо: σв ≈ 0,34·HB для углеродистых сталей).
• Простота оборудования и низкая стоимость.

¶Недостатки

• Относительно большой размер отпечатка (до 6 мм), что делает метод непригодным для тонких деталей или готовых изделий.
• Неприменимость для материалов с твёрдостью выше 650 HB (высоколегированные стали, твёрдые сплавы) — шарик деформируется.
• Невозможность испытания закалённых поверхностных слоёв (цементация, азотирование) — отпечаток захватывает сердцевину.
• Разрушающий характер испытания — на поверхности остаётся вмятина.

¶Связь с другими методами

Существуют эмпирические соотношения для пересчёта значений твёрдости между различными шкалами:

• HB → HRC (Роквелл): для сталей HRC ≈ 0,1·HB + 10 (при HB > 200).
• HB → HV (Виккерс): для однородных материалов HV ≈ HB.
• HB → HS (Шор): HS ≈ 0,25·HB + 10.

Однако точный пересчёт возможен только для конкретных материалов и условий испытаний; стандарты (например, ASTM E140) рекомендуют использовать таблицы, а не формулы.

¶Стандартизация

Метод регламентируется следующими стандартами:

• Россия: ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю».
• Международный: ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method».
• США: ASTM E10-18 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials».

¶Интересные факты

• Первоначально Бринелль использовал шарики от подшипников диаметром 10 мм, что стало стандартом.
• В 1920-х годах метод был адаптирован для испытания древесины (твёрдость по Бринеллю для дерева).
• В СССР в 1950-х годах разработали переносные твёрдомеры типа ТБ (твёрдомер Бринелля), используемые в полевых условиях.
• Метод Бринелля применялся для контроля твёрдости брони танков во время Второй мировой войны.

¶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».
• Бринелль, Ю. А. «Способ определения твёрдости материалов» (1900).
• Золоторевский, В. С. «Механические свойства металлов». — М.: Металлургия, 1983.
• Дальский, А. М. «Технология конструкционных материалов». — М.: Машиностроение, 2005.