Твёрдость по Бринеллю
Метод Бринелля определяет сопротивление поверхности вдавливанию твёрдосплавного шарика под заданной испытательной силой. После снятия нагрузки измеряют размер отпечатка и получают число HBW. Относительно большой отпечаток позволяет охватить несколько структурных составляющих неоднородного материала, но одновременно требует достаточной толщины образца и расстояния до краёв. Полученное число относится к конкретным условиям испытания, а не к универсальной прочности детали.
Геометрия отпечатка и расчёт
Диаметр шарика обозначают D, средний диаметр отпечатка — d. При оптическом измерении получают два взаимно перпендикулярных диаметра d1 и d2 и вычисляют d = (d1 + d2)/2. Знаменатель расчётной формулы соответствует площади сферического сегмента, а не площади круга π·d²/4. Подмена этих площадей изменяет физическое определение твёрдости.
При силе F в ньютонах и размерах в миллиметрах применяют HBW = 0,102·2·F/[π·D·(D − sqrt(D² − d²))]. Коэффициент 0,102 согласует силовые единицы с традиционной шкалой твёрдости. Если сила уже выражена в кгс, формула содержит 2·Fкгс без множителя 0,102. Повторное введение коэффициента после перевода силы в кгс является ошибкой. Число HBW записывают вместе с методом; его не подменяют напряжением в МПа.
| Обозначение | Что означает | Единица |
|---|---|---|
| D | Диаметр твёрдосплавного шарика | мм |
| d1, d2 | Измеренные диаметры отпечатка | мм |
| F | Испытательная сила | Н |
| B = 0,102·F/D² | Индекс силы и диаметра | Принятый параметр режима |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Условный пример с согласованными единицами
Приняты D = 10,00 мм, F = 29 420 Н, d1 = 4,18 мм и d2 = 4,22 мм. Средний диаметр d = 4,20 мм; отношение d/D = 0,420. Геометрический знаменатель π·10·(10 − sqrt(100 − 4,20²)) = 29,052 мм². Получаем HBW = 0,102·2·29 420/29,052 = 206,58, округлённо 207 HBW. Индекс B = 0,102·29 420/10² = 30,0084, что близко к номинальному режиму 30 при заданной округлённой силе.
Для самостоятельной проверки можно взять силу 3000 кгс: расчёт без 0,102 даёт 206,53 HBW. Небольшое отличие от предыдущего числа объясняется округлённым коэффициентом и округлением силы; нельзя требовать от этих двух подстановок полного математического совпадения. В действительном испытании используют предусмотренную стандартом номинальную силу и установленный способ представления результата.
Выбор режима и запись результата
В руководствах по ISO 6506 и ASTM E10 рекомендуемый диапазон среднего диаметра отпечатка составляет 0,24·D…0,60·D. Слишком малый отпечаток ухудшает относительную точность оптического измерения; слишком большой выходит за область выбранного режима. Силу согласуют с размером шарика и материалом. Для сопоставления результатов при разных шариках сохраняют соответствующий индекс силы и диаметра, но это не устраняет автоматически все различия структуры и поверхности.
Запись 207 HBW 10/3000 указывает число твёрдости, твёрдосплавный шарик диаметром 10 мм и традиционное обозначение нагрузки 3000 кгс. В обозначении метода число 3000 не является силой в ньютонах. Если длительность выдержки отличается от обычного интервала 10–15 с, её включают в запись, например через дополнительное поле /30 для 30 с. Фактическую выдержку сохраняют в протоколе в любом случае.
Поверхность готовят так, чтобы различать границу отпечатка без изменения свойств контролируемого слоя. Требования к толщине, размещению отпечатков, проверке прибора и обработке некруглого отпечатка берут из применённой редакции стандарта. Измерять поверхностный тонкий упрочнённый слой крупным шариком без оценки глубины влияния нельзя. Пересчёт HBW в предел прочности или другую шкалу допустим только по подходящим зависимостям для конкретного материала; универсальный коэффициент в данной методике отсутствует.
Источники и область подтверждения
- EMCO-TEST: Brinell hardness testing: индекс нагрузки, диапазон d/D, запись HBW и выдержка
- ZwickRoell: Brinell testing ISO 6506 / ASTM E10: твёрдосплавный шарик, оптическая оценка, нагрузка и обозначение