Метод измерения твёрдости по Бринеллю

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец или изделие под воздействием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно поверхности образца, в течение определённого времени и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 5.1.).Диаметр образующегося сферического отпечатка d измеряется лупой-компаратором (с помощью микроскопа).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) численно равна напряжению, выраженному отношением приложенной нагрузке Р к площади поверхности А сферического отпечатка диаметром d (размерность при обозначении твёрдости опускается).

Для случая измерения нагрузки в килограммах

(5.1)

Для случая измерения нагрузки в ньютонах

(5.2)

где

φ - угол вдавливания, т. е. угол между двумя радиусами шарика, проведёнными к концам отпечатка.

Рисунок 5.1. Схема вдавливания шарика в образец или изделие

Согласно формулам (5.1 и 5.2)для получения одинаковой твёрдости при использовании шариков различных диаметров (ГОСТ допускает применение диаметров 1,0; 2,0; 2,5; 5,0и 10 мм) необходимо, чтобы угол вдавливания φ ( (рис. 5.1)оставался неизменным при постоянном отношении нагрузки к квадрату диаметру шарика, которое обозначается через

Для выбора значений К при испытании различных материалов рекомендуется пользоваться данными табл. 5.1. Определившись со значением К и диаметром шарика D, используемого при испытаниях, выбирают нагрузку Р согласно данным табл. 5.2.

Таблица 5.1

Значения коэффициента К

Металлы и славы	К	НВ
Железо, сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы		от 96 до 450
Титан и его сплавы		50 220
Алюминий, медь, никель и их сплавы		32 200
Магний и его сплавы		16 100
Подшипниковые сплавы	2,5	8 50
Олово, свинец		3,2 20

Согласно ГОСТу твёрдость по Бринеллю при использовании шарика D = 10 мм под нагрузкой Р=29420Н (3000 кГ) с продолжительностью выдержки под нагрузкой от 10 до 15 секунд обозначается цифрами, характеризующими величину твёрдости, и буквами HВ, например: 185 HВ. При других условиях испытания после букв HВ указывается условие испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, например: 185 НВ 5/750/20— твёрдость по Бринеллю, определённая с применением шарика D = 5мм, при нагрузке 750кГ и продолжительности выдержки под нагрузкой 20 с. Размерность числа твёрдости во всех случаях опускается.

Диаметр шарика и нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25D< d< 0,6D. При несоблюдении этих требований необходимо изменить условия испытаний (D и Р).

Твёрдость НВ для многих материалов связана с пределами прочности эмпирическими зависимостями, например, для сталей σ_B =(2,94 — 3,53)НВ, МПа.

Следует иметь в виду, что по Бринеллю нельзя определять твёрдость очень мягких (НВ 8) и очень твёрдых материалов (НВ > 450). В мягких материалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится маленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, искажающую результаты испытания.

Таблица 5.2
Значение нагрузки Р

Диаметр ша- рика, мм	Нагрузка Р, Н(кГ), для К=0, 102Р/D2 , (Р/D2)
				2,5
1 000 ‘	294,2 (30)	-	98,07 (10)	49,03 (5)	24,52 (2,5)	98,807 (1)
2000 ‘	1177 (120)	-	392,3 (40)	196,1 (20)	98,07 (10)	39,23 (4)
2500 ‘	1839 (187,5)	-	612,9 (62,5)	306,0 (31,2)	153,0 (15,6)	60,80 (6,2)
5,000	7355 (750)	-	2452 (250)	1226 (125)	612,9 (62,5)	245,2 (25)
10,000	29420 (3000	14710 (1500)	9807 (1000)	4903 (500)	2452 (250)	980,7 (100)

Условия испытаний и требования к образцам.Минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка и определяться по формуле .

На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведённой в приложении 2 ГОСТ 90 12-59.

При испытании на твёрдость особое значение имеет качество поверхности. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе подготовке поверхности не изменялись свойства поверхностного слоя (вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании или полировке).

Требования к качеству вдавливаемого шарика, условиям приложения силы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов — от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости, и должна быть указана в нормативно-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от центра отпечатка до края образца (изделия) — не менее 2,5d; для металлов с твёрдостью менее 35НВ расстояния должны быть соответственно 6d и 3d.

Число твёрдости может быть определено по формуле (5.1) или (5.2). для быстрого определения числа твёрдости, в зависимости от диаметра шарика D, испытательной нагрузки Р, величины К, пользуются специальными таблицами (см. табл. 5.3), заменяющими вычисления по указанным формулам, приведёнными в приложении 2 ГОСТ 9012-59.

Прибор для измерения твердости металлов ТШ — 2М (тип ТБ).

Прибор ТШ — 2М предназначен для измерения твёрдости металлов по методу Бринелля. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2. Прибор для измерения твердости материалов ТШ-2М

Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт-маховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается.
Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца.

Проведение испытания.Выбирают соответственный шариковый наконечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Поскольку твёрдость материалов, испытываемого студентами в лаборатории лежит в пределах от 140<НВ<450, то испытания проводятся при нагрузке Р=29240Н (3000 кГ) и диаметре шарика D=10 мм. Образец кладётся на столик пресса 8 и с помощью маховика 10 до отказа поджимается к шариковой оправке 7. Нажимом на кнопку включается электродвигатель 1, вращение которого через редуктор 2 передаётся на образец. По окончании испытания, когда погаснет лампочка и включится электродвигатель, опускается столик, снимается образец и измеряется диаметр полученного отпечатка с помощью специальной лупы или микроскопа. На рис. 5.3дано изображение отпечатка, видимое в лупу (d = 4,25 мм).

Рисунок 5.3. Схема измерения отпечатка

Диаметр каждого отпечатка следует измерить дважды по двум взаимно перпендикулярным направления с точностью до сотых долей миллиметра и взять среднее из двух полученных измерений (разность измерений не должна превышать
2%). Число отпечатков каждый раз должно быть не менее трёх. По диаметру отпечатка находят число твёрдости по формулам (5.1) или (5.2)или по табл. 5.3.По числу вычисляют предел прочности материала. Для углеродистой стали σ_В=3,53НВ, МIIа.

Таблица 5.3
Величины твёрдости по Бринеллю при диаметре шарика D=10 мм, нагрузке Р=29420 Н (3000 кГ) и К=30

d, мм	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
2,40	653
2,50		597	592	587		578	573	569	564	560
2,60	555		547	543	538	534	530	526
2,70			507	503	499	495			485
2,80							457	454
2,90				435
3,00								395
3,10		385				375
3,20			359	356	354	352	350		345
3,30				335					325
3,40
3,50					295
3,60							275
3,70				265				259	257	256
3,80	255	253						245
3,90						235
4,00
4,10
4,20
4З0
4,40
4,50
4,60
4,70
4,80
4,90
5,00
5,10
5,20
5,30
5,40
5,50
5,60
5,70
5,80									99,9	99,5
5,90	99,2	98,8	98,4	98,0	97,7	97,3	96,9	96,6	96,2	95,9
6,00	95,5	—	—	—	—	—	—	—	—	—

5.3.Метод измерения твёрдости по Роквеллу

Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом или со стальным шариком в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Р₀) и основной (Р₁) нагрузок и в измерении остаточной глубины проникновения этого наконечника (е)после снятия основной нагрузки (рис. 5.4).

При измерении твёрдости по Роквеллу применяют два типа стандартных наконечников:

а) для материалов небольшой (средней) твёрдости — стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма);

б) для материалов с высокой твёрдостью (с твёрдостью по Бринеллю НВ>230) — алмазный наконечник, представляющий собой конус с углом α = 120⁰ и радиусом закругления при вершине R=0,2 мм.

При испытании по Роквеллу сначала прикладывается малая (предварительная нагрузка) Р₀=98Н (10 кГ) для надёжного прижатия наконечника к образцу. Затем дополнительно прикладывается дополнительная нагрузка Р₁, которая в сумме с предварительной нагрузкой составляют общую нагрузку Р, прикладываемую к испытуемому образцу (Р₀+Р₁=Р). При отсчёте числа твёрдости нагрузка Р уменьшается до Р₀.

Таким образом, твёрдость по Роквеллу характеризуется разницей между максимальной глубиной проникновения в материал наконечника (выраженной в делениях шкалы прибора) и остаточной глубиной его проникновения после снятия основной нагрузки (рис. 5.4).

При испытании по Бринеллю более твёрдому материалу соответствует и большее число твёрдости. Чтобы это условие выполнялось и при определении твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002= 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002=130 делений.

Замеры глубины проникновения осуществляют по шкале циферблата индикатора прибора. На циферблате нанесены числа твердости в условных единицах. Единица твёрдости по Роквеллу соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (размерность при обозначении числа твёрдости опускается).

Прибор для измерения твёрдости по Роквеллу имеет шкалы А, В и С. Отсчёт по шкалам А и С (на циферблате индикатора прибора эти шкалы имеют черный цвет) производится при вдавливании в испытуемый образец алмазного наконечника. Отсчёт по шкале В (на циферблате индикатора эта шкала красного цвета) производится при вдавливании в образец стального шарика под действием соответствующих нагрузок, указанных в табл. 5.4.

Рисунок 5.4. Схемы внедрения алмазного (а) и шарикового (б) наконечников

Таблица 5.4

Значения нагрузок вдавливаемого шарика

Нагрузка	Испытание по Роквеллу
Шкала А	Шкала В	Шкала C
кГ	Н	Н	кГ	Н	кГ
Предварительная нагрузка (Р0)
Основная нагрузка (Р1)
Общая нагрузка (Р)

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, принято выражать его формулами:

а) при измерении по шкале А и С

где e - остаточная глубина проникновения наконечника;

б) при измерении по шкале В

Символ НR сопровождается буквой, указывающий на шкалу, по которой проводились испытания, например: НКА, НКВ или НКС.

Шкалу А применяют для испытания твёрдых сплавов, тонкого листового материала и для определения твердости тонкого верхнего слоя поверхности.

Шкалу В применяют для испытаний металлов средней твёрдости.

Шкала С служит для определения твёрдости термически обработанной стали.

Предельные числа твёрдости для соответствующих шкал приведены в табл. 5.5. При твёрдости менее НRС 20 алмаз слишком глубоко проникает в образец, а при твердости более НRС 67 — в алмазном конусе создаётся слишком большое давление. Аналогично объясняются и пределы применимости шкал А и В.

Таблица 5.5
Предельные числа твёрдости

Число твёрдости по Роквеллу можно перевести в число твёрдости по Бринеллю, пользуясь табличными данными (табл. 5.6)или эмпирическими формулами Петренко:

а) для чёрной шкалы

б) для красной шкалы

Но следует иметь в виду, что перевод чисел Роквелла в числа Бринелля не совсем точен.

Результат испытаний по Бринеллю точнее испытаний по Роквеллу вследствие больших размеров получаемых отпечатков и, следовательно, меньшего влияния неоднородности материала и дефектов на поверхности. Однако метод Роквелла имеет следующие преимущества: незначительность повреждений поверхности испытуемого образца, возможность определения твёрдости тонкостенных деталей, а также твёрдости термически обработанных стальных поверхностей.

Таблица 5.6

Перевод чисел твёрдости по Роrвеллу в числа твёрдости по Бринеллю

НRC	HВ	НRC	HВ	НRC	HВ	НRC	HВ	НRС	HВ	НRС	HВ
						-

Условия испытания и требования к образцам. Толщина образца или глубина поверхностного слоя должна быть не менее чем в 8 раз больше величины е. После испытания на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от отпечатка. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков или от центра отпечатков до края образца должно составлять не менее 3 мм, если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не установлены иные требования. Подготовка поверхности испытуемого образца, требования к наконечникам и условия проведения испытаний регламентируются ГОСТ 90 13-59.

Прибор для измерения твердости металлов ТК-2М.Прибор предназначен для измерения твёрдости металлов и сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закалённого шарика под действием заданной нагрузки в течение определённого времени (метод Роквелла). Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 9013-59. Принципиальная схема прибора показана на рис. 5.5.

Механизм 14 подъёмного столика 11 состоит из пары винт-маховик 12, 13. Испытания образца на твёрдость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем 1. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся кулачковому блоку 16, который через шток 5 опускает грузовой рычаг 6 с грузами 3 и передает нагрузку на образец через наконечник 10 с шариком или алмазным конусом на конце. При повороте кулачкового блока 16 на один оборот шток 5 возвращает грузовой рычаг 6 в первоначальное положение, снимая с наконечника приложенную нагрузку (за счёт подвески 6 и пружины 9 на образец передаётся нагрузка, равная соответственно 60 и 10 кГ; нагрузка в 100 или 150 кГ передаётся на образец за счёт сменных грузов 3).

Рис. 5.5. Прибор для измерения твердости материалов ТК-2М

Включение привода нагружения осуществляется педалью 15, а включение электродвигателя — включателем, установленным на правой стороне корпуса прибора 4.

Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором 7, который приводится в движение рычагом 8. Точная установка индикатора на нуль достигается маховичком 14, который управляет шкалой индикатора 7через трос 17.

Проведение испытания. Испытуемый образец помещают на подъёмный столик 11. Согласно ожидаемой твёрдости выбирают тип наконечника и устанавливают соответствующие грузы 3. Вращением маховичка 13 поднимается столик с образцом до соприкосновения с наконечником. Затем продолжают медленно вращать маховик подъёмного столика до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая примерно вертикально. При таком положении стрелок пружина 9 сжимается и создаёт дополнительную нагрузку на образец Р₀=10 кГ.

Рисунок 5.6. Индикатор пресса Роквелла (ТК-2)

После этого при помощи маховичка 14 управления шкалой индикатора совмещают тридцатое деление красной шкалы (соответствующее отметки 130 условной шкалы глубин) с концом большой стрелки индикатора (положение «а» на рис. 5.6). Нажатием педали 15 включают механизм нагружения прибора: вначале прикладывается полная нагрузка (она соответствует положению стрелки «б»), происходит выдержка под нагрузкой, а затем полная нагрузка снижается до предварительной нагрузки Р₀. Положение стрелки при этой нагрузке (положение «в» на рис. 5.6)соответствует числу твёрдости по Роквеллу. (На рис. 5.6 — НRC=94.) Указанные положения стрелки связаны с положением шарика на шкале глубин, обозначенными буквами «а», «б» и «в». После определения числа твёрдости вращением маховика 13 в обратном направлении освобождают образец. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Все испытания желательно проводить на одном участке образца. Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 4 мм. Не следует также проводить вдавливание наконечника близко к отпечаткам, полученным по способу Бринелля.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется твёрдостью материала?

2. Сущность метода измерения твёрдости по Бринеллю.

3. Чему численно равно твёрдость по Бринеллю?

4. Что такое угол вдавливания?

5. Какие диаметры шариков для измерения твёрдости по Бринеллю допускает ГОСТ?

6. Какое соотношение в расчётных формулах обозначается через К?

7. Какое значение может принимать величина К, и от чего она зависит?

8. Как выбирается нагрузка Р?

9. Как обозначается твёрдость по Бринеллю?

10. В каких пределах может находиться диаметр отпечатка?

11. Какой может быть минимальной толщина образца?

12. Требования, предъявляемые к качеству поверхности образца.

13. Условия испытания (продолжительность выдержки; расстояние между центрами соседних отпечатков; точность замеров отпечатков; необходимое число отпечатков в методе Бринелля).

14. Сущность метода измерения твёрдости по Роквеллу.

15. Какие типы наконечников применяют при измерении твёрдости по Роквеллу?

16. Последовательность приложения нагрузок и измерения твёрдости по Роквеллу.

17. По каким шкалам производится отсчёт при вдавливании алмазного наконечника и стального шарика соответственно?

18. Почему меньшая глубина проникновения наконечника соответствует большей твёрдости материала?

19. Величины предварительной и основной нагрузок для шкал А, В и С.

20. Как обозначается твёрдость по Роквеллу, замеренная по шкале А, В и С?

21. Условия испытания (минимальная толщина образца; минимальное расстояние между центрами соседних отпечатков и от края образца) в методе Роквелла.