Випробування твердості за Брінелем

Для вимірювання твердості за Брінелем застосовують твердоміри типу ТШ та сучасні типу ТБ 5004 і ТБ 5004–01, в яких сталева загартована кулька визначеного діаметра втискується у випробуваний матеріал під дією навантаження протягом певного проміжку часу (10, 30, 60 с).

Застосування у ролі індентора сталевої загартованої кульки обмежує діапазон, що вимірюється твердістю. Тому метод Брінеля може бути застосований для вимірювання твердості, яка не перевищуює НВ = 450 МПа.

Міра твердості за Брінелем (НВ) є середнє значення напружень, що визначене в кгс/мм² (МПа), які отримують в результаті поділу величини випробувального навантаження Р на площу кульової поверхні F утвореного відбитка.

Схему випробування показан на рис. 1

Рис. 1 Визначення твердості за Брінелем

Обчислення числа твердості виконується після виміру діаметра утвореного відбитка за формулою:

, (1)

де НВ – твердість за Брінелем;

Р – навантаження в кгс;

F – площа кулькової поверхні відбитка (сегмента) в мм².

Площа поверхні кулькового сегмента:

, (2)

де D – діаметр кульки;

h – глибина відбитка.

Зручніше вимірювати не глибину відбитка, а його діаметр - d. Тоді площа поверхні сегмента S, визначена через діаметр відбитка і діаметр кульки, дорівнює:

. (3)

Підставляючи значення S в формулу (1), отримаємо:

кгс/мм². (4)

Для переведення числа твердості НВ в систему СІ користуються коефіцієнтом К=9,81∙10⁶ , на який помножують значення твердості НВ_сі=НВ∙К (МПа).

Зміна величини навантаження Р впливає на число твердості, адже залежність між величиною навантаження і діаметром відбитка не є постійною. Тому вимірювання твердості на приладі виконують при постійному співвідношенні між величиною навантаження Р та квадратом діаметра кульки .

Методика проведення випробування

Перед випробуванням поверхню зразка, в яку буде втискуватися кулька, обробляють терпугом або наждачним папером, щоб вона була рівною, гладенькою і щоб на ній не було окалини. При обробці поверхня не повинна нагріватися вище 100-150 ºС. Щоб при втискуванні кульки не відбувалося прогинання матеріалу, товщина його повинна бути не менш десятикратної глибини відбитка. Виходячи із товщини матеріалу і його властивостей, вибирають діаметр кульки.

Для вибору потрібного навантаження на індентор, його діаметра та часу витримування під навантаженням індентора користуються таблицею 1.

Таблиця 1. Залежність діаметра кульки і навантаження від твердості і товщини випробувального матеріалу

Матеріал	Твердість за Брінелем	Мінімальна вимі­рюваль­ного ма­теріалу	Співвід­ношення між на­ванта­женням Р і діамет­ром кульки Д мм	Діаметр кульки Д мм	Наванта­ження Р на інден­тор, кН	Витримуван­ня під наван­тажен­ням, с
Чорні метали і сплави	130...450	6...3	Р=30·D2	10,0	29,420
4...2	5,0	7,355
<2	2,5	1,960
<140	>6	Р=10·D2	10,0	9,807
6...3	5,0	2,452
Кольорові метали і сплави	>140		Р=30·D2	10,0	2,452
>6	5,0	–
	2,5	–
140...450	6...3	Р=10·D2	10,0	29,420
4...2	5,0	7,355
<2	2,5	1,839
35...130	9...3 6...3	Р=2,5·D2	10,0 5,0	9,807 2,452

При випробуванні зразків завтовшки менше 6 мм вибирають кульки з меншим діаметром (5 і 2,5 мм). Отриманий відбиток вимірюють мікроскопом у двох взаємно-перпендикулярних напрямках. Діаметр відбитка визначають як середнє арифметичне з двох вимірів з точністю до 0,05 мм.

Лупа (рис. 2, а) має шкалу (рис. 2, б), мала поділка якої дорівнює 0,1 мм і розташована на тубусі лупи.

Для вимірювання діаметра відбитка лупу нижньою опорною частиною потрібно щільно встановити на поверхню зразка, що випробовується, над відбитком, при цьому виріз (вікно) у нижній частині лупи повернути до світла. Повертають окуляр так, щоб краї відбитка були добре окреслені, а шкалу було чітко видно. Потім, пересуваючи лупу, потрібно досягти, щоб один край відбитка збігався з початком шкали. Прораховують поділку шкали, з якою збігається протилежний край відбитка. Потім лупу повертають на 90 градусів і виміряють відбиток вдруге. Середнє арифметичне записують у протокол випробувань. Розрахунок числового значення твердості за наведеною вище формулою - трудомісткий процес, тому користуються спеціальною таблицею 4, що складена на основі формули (4) і яка дає можливість за отриманим діаметром відбитка вираховувати значення твердості.

Рис. 2. Лупа МПБ-2 для ви­мірювання діа­метра відбитка кульки: а – загальний ви­гляд у розрізі: 1 – окуляр; 2 – шка­ла; 3 – гайка; 4 – об'єктив; 5 – від­биток; 6 – дже­рело світла; б – схема вимірюван­ня діаметра від­битка

Твердість визначають твердоміром типу ТШ (рис. 3), що складаєть­ся із станини 1, в нижній частині якої розміщений гвинт 2, зі змінними сто­ликами для випробування зразків на твердість. Гвинт зі столиком переміщують вручну, обертаючи махо­вик 3. У верхній частині станини розміщений шпин­дель 6, в який вставляють наконечники із кульками різних діаметрів.

Навантаження на ін­дентор здійснюється ван­тажем 9 через систему ва­желів 7 і 8. Комбінацію навантажень можна змі­нювати в межах: 1,847 (187,5); 2,452 (250); 7,350 (750); 9,80 (1000); 14,70 (1500); 29,40 (3000) кН (кгс).

Перед вимірюванням твердості зразок 4 ставлять на столик гвин­та 2 і обертають маховик 5 гвинта 2, притискуючи зразок до індентора 5 доти, доки пружина шпинделя 6 не стиснеться повністю, створивши при цьому попереднє навантаження 98 Н на індентор. Після цього, натиснувши на кнопку твердоміра, вмикається електродвигун 13 твер­доміра, який через редуктор 12 приводить в обертальний рух криво­шип 11. Від кривошипа опускається шатун 10, що звільняє важіль 8 і навантаження переда­ється на шпиндель 6 твердоміра з індентором 5, що вдавлюється в зра­зок 4. При подальшому обертанні кривошипа шатун піднімається і знімає навантаження на індентор, повернувши важіль 8 та вантаж 9 у вихідне положення. При цьому електродвигун 13 твердоміра автоматично вимикається.

Після зняття наван­таження на індентор, знявши зразок із столи­ка, вимірюють діаметр відбитка на поверхні зразка за допомогою лу­пи МПБ-2 (рис. 2, а) з градуйованою шкалою (рис. 2, б). Для цього потрібно край відбитка сумістити з початком шкали (нульовою по­ділкою). Прочитати по­ділку шкали, з якою збі­гається протилежний край відбитка, що відпо­відатиме розміру діамет­ра відбитка (d = 3,2 мм).

Рис. 3. Кінематична схема твердоміра Брінелля (типу ТШ)

На практиці твер­дість визначають за табл. 4, в якій наведе­но числа твердості за­лежно від діаметра від­битка.

Напівавтоматичний твер­домір типу ТБ 5004 (рис. 4) використовують для вимірю­вання твердості в двох режи­мах:

1. Відповідно до методики вимірювання на твердомірі типу ТШ (ручний режим).

На відміну від твердомірів типу ТШ твердоміри типу ТБ 5004 (табл. 2.) облад­нані пультом керування 7 і вимірювальною головкою ін­дикаторного типу 5, а для твердомірів типу ТБ 5004-01 – електронним блоком.

Рис. 4. Загальний вигляд твердоміра Брінелля типу ТБ 5004: 1 – корпус; 2 – маховик; 3 – предметний столик; 4 – індентор; 5 – індикаторна головка; 6 – вантаж; 7 – пульт керування; 8 – перемикач режиму «Робота»; 9 – перемикач режиму «Ручний»;
10 – контрольно-сигнальна лампочка; 11 – вимикач; 12 – вмикач

При ручному режимі після вмикання твердоміра в ме­режу вимикачем 11 переми­кач 8 ставлять у положення «Робота», а перемикачем 9 встановлюють режим роботи «Ручний». Натискують на кнопку «Пуск», після чого включається в роботу привід навантаження, що через систему важелів забезпечує прикладання навантаження індентор 4. При цьому загоряється контрольна лампочка 10, як і на твердомірі типу живлення ТШ, усі дії відбуваються ав­томатично до моменту вимкнення електродвигуна твердоміра.

При автоматичному режимі розбракування на групи твердості на твердомірі типу ТБ 5004-01 здійснюють таким чином. Спочатку ви­мірюють твердість зразка з відомою меншою твердістю в положенні зупинення стрілки індикатора (сигнальна лампочка «Витримка» гасне). Фіксують покажчик «Менше». На зразку з відомою більшою твердістю аналогічно фіксують покажчик «Більше». Після цього ви­пробовують зразки з невідомою твердістю, фіксуючи положення стрілки індикатора в момент її зупинення при знятті навантаження на індентор. Якщо стрілка зупиняється між покажчиками «Більше» і «Менше», то твердість випробуваних зразків відповідає покажчику «Норма».

До недоліків вимірювання твердості на твердомірі Брінеля на­лежать: неможливість випробування сплавів з твердістю понад 450 НВ, оскільки сталева кулька – індентор буде деформуватися, даючи неточні показники твердості; неможливість випробування твердості тонких зразків (менше ніж 2 мм); після випробування за­лишаються помітні сліди на поверхні виробів.