Как найти диаметр шарика по методу бринелля

Измерение твердости по методу Бринелля заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.

Измерение твердости  по Бринеллю  производится для металлов с твердостью не более 650 единиц. Толщина образца должна быть не менее чем в 8 раз превышать глубину отпечатка. Шероховатость поверхности образца (или площадки на изделии)  должна быть не более 2,5 мкм. Образец должен быть подготовлен таким образом, чтобы не изменялись свойства металла в результате механической или другой обработки.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры, как стационарные, так и переносные. Твердомер содержит набор наконечников со стальными шариками диаметром 10,0 5,0 2,5 2,0 и 1,0 мм, на которые в процессе измерения при помощи твердомера прилагается нагрузка от 1 до 3000 кгс.

Перед измерение образца необходимо в зависимости от металла и его твердости определить коэффициент К, для этого можно воспользоваться таблицей:

Усилие F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с таблицей:

Диаметр шарика и усилие выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка был в пределах от 0,24 до 0,6 диаметра шарика.

Продолжительность выдержки наконечника под действием заданного усилия должна соответствовать таблице:

Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других средств измерения с предельной погрешностью:

±0,5% (при применении шариков диаметром 1,0; 2,0 или 2,5 мм);

±0,25% (при применении шариков диаметром 5,0 и 10,0 мм) от диаметра шарика.

НВ — Твердость по Бринеллю при применении стального шарика
HBW — Твердость по Бринеллю при применении шарика из твердого сплава

Для определения твердости HB (HBW) по диаметру отпечатка необходимо воспользоваться таблицами величин из ГОСТ 9012-59 или определить твердость при  помощи онлайн калькулятора http://rcl-radio.ru/?p=57874

Метод Бринелля

Возврат к списку

Какие методы существуют для определения твердости?

Для определения твердости образцов существуют различные методы, такие как статический и динамический (ударный) и ультразвуковой.

Динамические и ультразвуковые методы не требуют определения твердости вручную. Твердость отображается на экране.

Для методов по Бринеллю, Виккерсу и Микро-Виккерсу существуют эмпирические таблицы и формулы для расчета твердости.

Для метода по Роквеллу существует формула для измерения глубины отпечатка.

По методу Шора измеряется глубина вдавливания индентора в поверхность исследуемого образца под действием тарированной пружины.

Как измеряют твердость методом Бринелля?

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Формула твердости по Бринеллю.

Формула расчета твердости методом Бринелля (HB, HBW):

• где НВ – при использовании стального шарика для металлов с твердостью менее 450 единиц; (HBW – при использовании шарика из твердого сплава с твердостью более 450 единиц), кгс;
• F – нагрузка, действующего на индентор, Н (кгс);
• А – площадь поверхности отпечатка, мм²;
• D – диаметр стального шарика, мм;
• d – диаметр отпечатка, мм.

Нагрузку на шарик выбирают в зависимости от вида материала К и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика:

Соответствующую нагрузку F и диаметр шарика D выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Толщина образца должна, как минимум в 8 раз превышала глубину внедрения индентора.

Как измеряют твердость методом Роквелла?

Измерение твердости по Роквеллу основан на погружение алмазного наконечника (120 градусов) или стального закаленного шарика (диаметром 1,588 мм) с последующим измерением глубины отпечатка.

Формула твердости по Роквеллу

Формула расчета твердости по Роквеллу (HR):

• при измерении твердости алмазным наконечником (120 градусов) применяют формулу:

где H-h-разность глубин внедрения индентора (в мм) после снятия основной нагрузки и до ее приложения.

• при измерении твердости закаленным стальным шаровым индентором (диаметром 1,588 мм):

Как измеряют твердость методом Виккерса?

Измерение твердости по Виккерсу происходит путем плавного внедрения четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в исследуемую поверхность образца, с дальнейшим измерением диагонали отпечатка d и расчета твердости исследуемого образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).

Формула твердости по Виккерсу.

Формула расчета твердости по Виккерсу (HV):

• где F – испытательная нагрузка, действующее на индентор, кгс;
• М – площадь поверхности отпечатка, мм²;
• a – наклон алмазного наконечника пирамидной формы;
• d – средняя длина диагонали отпечатка, мм.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 16 июня 2020 года; проверки требуют 2 правки.

Ме́тод Брине́лля — один из основных методов определения твёрдости материала.

История[править | править код]

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849-1925 гг.) в 1900 году и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости[править | править код]

Метод Бринелля относится к методам вдавливания.

Испытание проводится следующим образом:

• вначале образец подводят к индентору;
• затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2‑8 секунд;
• после достижения максимальной величины нагрузка на индентор выдерживается в определённом промежутке времени (для сталей обычно 10‑15 секунд);
• затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка.

В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметра 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала.

Исследуемые материалы делят на 5 основных групп:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;

2 — чугун;

3 — медь и сплавы меди;

4 — лёгкие металлы и их сплавы;

5 — свинец, олово.

Кроме того, выше приведённые группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И ещё важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24·D до 0,6·D, где D — диаметр индентора (шарика).

Твёрдость по Бринеллю обозначается “HB” (Hardness Brinell) при применении стального шарика в качестве индентора или «HBW» при применении в качестве индентора шарика из твёрдого сплава и может рассчитываться двумя методами:

• метод восстановленного отпечатка;
• метод невосстановленного отпечатка.

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

где:

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части индентора:

,

где  — глубина внедрения индентора, мм.

Нормативными документами определены:

• диаметры индентора;
• время вдавливания;
• время выдержки под максимальной нагрузкой;
• минимальная толщина образца;
• минимальная и максимальная величины диагоналей отпечатка;
• максимальные нагрузки;
• группа исследуемого материала.

По ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.

Пример обозначения твёрдости по Бринеллю:

600 HBW 10/3000/20,

где:

• 600 — значение твёрдости по Бринеллю, кгс/мм²;
• HBW — символьное обозначение твёрдости по Бринеллю;
• 10 — диаметр шарика в мм;
• 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29 420 Н);
• 20 — время действия нагрузки, с.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры (например, твердомеры для металлов) как стационарные, так и переносные.

Типичные значения твёрдости для различных материалов[править | править код]

Преимущества и недостатки[править | править код]

Недостатки

• Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect).
• При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
• Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

Преимущества

• Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач.

Для стали

,

где  — предел прочности, МПа.

,

где  — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

Для медных сплавов

• Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

• Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).

• Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности, подготовленной под замер твёрдости.

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами[править | править код]

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по другим методам, например метод Виккерса и метод Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Перевод чисел твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости как табличные, так и рассчитанные по уравнениям согласно ASTM E140-07 являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. С физической точки зрения, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла.

Нормативные документы[править | править код]

• ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81) «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю»
• ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»
• ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»
• ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness»

См. также[править | править код]

• Твёрдость
• Тест твёрдости Янка
• Твёрдость по Виккерсу
• Твёрдость по Шору
• Твёрдость по Роквеллу
• Шкала Мооса

Примечания[править | править код]

Измерение твердости по Бринеллю

Рис. 1.
Схема испытаний на твердость по Бринеллю

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ
9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый
образец стального шарика определенного
диаметраD
под действием заданной нагрузки P
в течение определенного времени (Рис.
1). В результате вдавливания шарика на
поверхности образца получается отпечаток
(лунка). Число твердости по Бринеллю,
обозначаемое HB,
представляет собой отношение нагрузки
P
к площади поверхности сферического
отпечатка F
и измеряется в кгс/мм²
или МПа:

(2)

Площадь шарового
сегмента составит:

,
мм²
(3)

где D
–диаметр шарика, (мм);

h
– глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину
отпечатка измерить трудно, а проще
измерить диаметр отпечатка d,
выражают h
через диаметр шарика D
и отпечатка d:

,
(мм) (4)

Тогда
,
(мм²)
(5)

Число твердости
по Бринеллю определяется по формуле:

,
(кгс/мм²)
(6)

Для перевода
твердости по Бринеллю в единицы СИ
необходимо умножить число твердости в
кгс/мм²
на 9,81, т.е. HB=9,81*HB
(МПа).

Для получения
сопоставимых результатов при определении
твердости HB
шариками различного диаметра необходимо
соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков
при разных D
и P
будет обеспечено, если угол 
остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив
в формулу (6)
,
получим следующее выражение:

Рис.
1.1 Схемы испытаний на твердость:

а – по Бринеллю, б – по Виккерсу, в –
по Роквеллу

Из этой формулы видно, что значениеHB
будет оставаться постоянным, если
и.

В практике при
определении твердости не делают
вычислений по формуле (6), а пользуются
таблицами, составленными для установленных
диаметров шариков, отпечатков и нагрузок.
Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм.
Диаметр шарика и нагрузка выбираются
в соответствии с толщиной и твердостью
образца (табл. 1). При этом для получения
одинаковых чисел твердости одного
материала при испытании шариками разных
диаметров необходимо соблюдать закон
подобия между получаемыми диаметрами
отпечатков. Поэтому твердость измеряют
при постоянном соотношении между
величиной нагрузки P
и квадратом диаметра шарика D².
Это соотношение должно быть различным
для металлов разной твердости.

Метод Бринелля не
рекомендуется применять для материалов
с твердостью более 450 HB,
так, как стальной шарик может заметно
деформироваться, что внесет погрешность
в результаты испытаний.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости
по Бринеллю, измеренное при стандартном
испытании (D
= 10 мм, P
= 3000 кгс), записывается так: HB
350. Если испытания проведены при других
условиях, то запись будет иметь следующий
вид: HB
5/250/30-200, что означает – число твердости
200 получено при испытании шариком
диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и
длительности нагрузки 30 с.

При измерении
твердости по методу бринелля необходимо
выполнять следующие условия:

• образцы с твердостью
  выше HB
  450 кгс/мм²
  (4500 МПа) испытывать запрещается;

• поверхность
  образца должна быть плоской и очищенной
  от окалины и других посторонних веществ;

• диаметры отпечатков
  должны находиться в пределах 0,2Dd0,6D;

• образцы должны
  иметь толщину не менее 10 – кратной
  глубины отпечатка (или менее диаметра
  шарика);

• расстояние между
  центрами соседних отпечатков и между
  центром отпечатка и краем образца
  должны быть не менее 4d.

О

Рис. 2
Схема прибора для измерения твердости
по методу Бринелля

пределение твердостиHB
производится на прессе Бринелля
(твердомер типа ТШ) в следующем порядке.
Испытываемый образец (деталь) устанавливают
на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью
кверху. Поворотом маховика 2 по часовой
стрелке столик прибора поднимают так,
чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую
поверхность. Маховик 2 вращают до упора,
и нажатием кнопки включают электродвигатель
6. Двигатель перемещает коромысло и
постепенно нагружает шток с закрепленным
в нем шариком. Шарик под действием
нагрузки 3, сообщаемой приведенным к
коромыслу грузом, вдавливается в
испытываемый материал. Нагрузка действует
в течение определенного времени (10 …
60 с), задаваемого реле времени, после
чего вал двигателя, вращаясь в обратную
сторону, соответственно перемещает
коромысло и снимает нагрузку. После
автоматического выключения двигателя,
поворачивая маховик 2 против часовой
стрелки, опускают столик прибора и
снимают образец.

Диаметр отпечатка
измеряют при помощи отсчетного микроскопа
(лупы Бринелля), на окуляре которого
имеется шкала с делениями, соответствующими
десятым долям миллиметра. Измерение
проводят с точностью до 0,05 мм в двух
взаимно перпендикулярных направлениях;
для определения твердости следует
принимать среднюю из полученных величин.

Соседние файлы в папке Рефераты

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #