Вимірювання твердості за методом Брінелля

Метод полягає у втисканні на твердомірах у поверхню виробу (зразка) протягом певного часу під дією заданного навантаження P сферичного наконечника й вимірювання діаметра d відтиска після розвантаження (рис. 1). Застосовуються наконечники (індентори) у формі кульок різних діаметрів D (мм): 1; 2; 2,5; 5; 10. Для матеріалів, твердість яких не перевищує 450 одиниць, використовуються сталеві загартовані кульки. Твердість у цьому випадку позначається HB. Для твердіших матеріалів (твердістю до 650 одиниць) використовуються кульки з твердого сплаву, а твердість позначається HBW.

Твердість визначається як відношення зусилля втискання індентора в матеріал до площі поверхні відтиску (рис.1):

(1)

де Р – навантаження на індентор, Н; F – площа поверхні сферичного сегмента відтиска після розвантаження, мм²; D – діаметр кульки індентора, мм; h і d – відповідно глибина і діаметр відтиска після розвантаження, мм.

Діаметр відтиска вимірюється за допомогою відлікового мікроскопа в двох взаємно перпендикулярних напрямках з визначенням середнього арифметичного значення, за яким знаходять твердість. Значення твердості можна розрахувати за формулою (1) або визначити з таблиць, у яких для окреслених значень P і D заздалегідь обчислені значення НВ = f(d).

Щоб отримувати однакові значення твердості матеріалу при різних умовах вимірювання (D, Р), необхідно, щоб між діаметром відтиску й діаметром сферичного індентора зберігалося співвідношення: 0,25 D < d > 0,6 D і забезпечувалася геометрична подібність відтисків (j = const) вибором навантаження P за такою залежністю:

, (2)

де K – постійна величина, значення якої вибирають залежно від твердості матеріалу (табл.1).

Таблиця 1 — Вибір коефіцієнта K

Матеріал	Діапазон твердості матеріалу, НВ	K, H/мм2 (кгс/мм2)
Залізо, сталь, чавун та інші міцні сплави	від 96 до 650	294 (30)
Титан і його сплави	від 50 до 220	147 (15)
Алюміній, мідь, нікель та їх сплави	від 32 до 200	98 (10)
Магній та його сплави	від 16 до 100	49 (9)
Підшипникові сплави	від 8 до 50	24,5 (2,5)
Олово, свинець	від 3 до 20	9,8 (1)

Оскільки під час випробування може проявлятися ефект повзучості, тим сильніший, чим м’якший матеріал, рекомендується витримувати індентор під навантаженням відповідно до даних таблиці 2.

Таблиця 2 — Вибір тривалості навантаження індентора залежно від твердості матеріалу

Твердість, НВ	більше 100	35 - 100	10 - 35	до 10
Час навантаження, с	10 – 15

Твердість за Брінеллем, що визначається при стандартних умовах вимірювання (D=10мм, Р = 29400 H, тривалість витримування під навантаженням від 10 до 15 с), позначається цифрами, що характеризують величину твердості, та літерами НВ, наприклад, 65 НВ. При інших умовах вимірювання після букв НВ потрібно послідовно вказувати діаметр кульки, навантаження та тривалість витримки під навантаженням, наприклад, 280 НВ 5/750/20.

Найменша товщина зразка s повинна бути більшою від 10–разової глибини відтиска h, відстань між центрами двох сусідніх відтисків – не меншою від 4d, а відстань від центра відтиску до краю зразка — не меншою від 2,5d; для м’яких металів (<35НВ) ці відстані повинні бути менші відповідно від 6d i 3d.

Вимірювання твердості виконуютьcя на стаціонарних або переносних твердомірах типу ТБ. На рис. 2 показана схема стаціонарного твердоміра ТБ з механічним приводом від електродвигуна. Основні механізми приладу змонтовані в масивному корпусі 17. У його верхній частині закріплений шпиндель 2, у який вставляють змінні наконечники 1. Зразок встановлюють для вимірювання на столику 22 з гладкою опорною поверхнею для плоских зразків або призматичним заглибленням — для циліндричних. Поворотом вручну маховика 20 за годинниковою стрілкою столик приладу піднімають за допомогою гвинта 21 до впирання зразка в кульку, закріплену в наконечнику 1, і стискання пружини 3 (до обмежувача 23). Це забезпечує прикладення до зразка попереднього навантаження 980 Н, що запобігає зміщенню зразка під час випробувань. Основне навантаження прикладається при вмиканні двигуна 13, який через редуктор 14, кривошип 12, шток 9, опорний ролик 8 опускає велике коромисло 6. Коромисло вагою опори 10 і важків 11 через скобу 5 і мале коромисло 4 навантажує шпиндель 2, що забезпечує втискання кульки наконечника в метал. Навантаження кульки зберігається протягом певного часу, який попередньо задається відповідним розташуванням обмежувачів 15 і 16, що встановлені на осі редуктора. Через заданий проміжок часу перемикач 18 реверсує двигун, який, обертаючись у протилежному напрямку, розвантажує кульку. Після автоматичного вимкнення двигуна обертанням маховика 20 опускають столик приладу та знімають зразок. Співвідношення плечей малого коромисла — 1:4, великого — 1:10, загальне співвідношення — 1:40. Комбінацією важків 11 можна регулювати величину навантаження на індентор від 980 до 29430 Н.