Твердость по Бринеллю.

При стандартном (ГОСТ 9012 – 59) измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис. 2.73).

Рисунок 2. 73 - Схема напряженного состояния в зоне пластической деформации (заштрихована) при определении твердости по Бринеллю

В поверхностном слое под индентором идет интенсивная пластическая деформация и вытеснение материала из-под индентора (см. рис. 2.73). Расчетные кривые распределения упругих напряжений вдоль оси вдавливания показывают, что все нормальные напряжения (S_1, S₂ и S₃) плавно снижаются по мере удаления от индентора, а касательные напряжения t_max, достигают максимума на глубине, равной половине радиуса сферической поверхности касания индентора с образцом, а затем уменьшаются.

Распределение напряжений при пластической деформации под индентором не должно существенно меняться по сравнению с упругой деформацией. Пластически деформирующийся объем окружен «твердым», упруго-напряженным материалом, в результате чего и возникает схема напряженного состояния, близкая к гидростатическому сжатию.

Металл, вытесненный индентором, оказывается над первоначальной плоскостью образца (см. рис. 2.73) и может искажать форму отпечатка (при любой форме индентора). Чем выше пластичность испытываемого материала, тем больший объем участвует в пластической деформации, меньше высота образующегося около отпечатка гребня над первоначальной плоскостью и дальше этот гребень от края отпечатка.

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка.

HB = P / F = P / .

Тогда

HB = P / D² (2.27)

Площадь отпечатка определяется и по глубине вдавливания индентора h (без снятия нагрузки):

F = πDh. (2.28)

При определении твердости по Бринеллю шариком с D=10мм под нагрузкой P=30 кН (3000 кг) и времени выдержки τ=10 с число твердости записывают так: 400 HB, 250 HB, или HB=3000 МПа (Н/мм²). При использовании других условий испытания индекс НВ рекомендуется дополнять цифрами, указывающими диаметр использованного шарика, мм, нагрузку, кгс, и продолжительность выдержки, с. Например, 350 НВ 5/750/30 – это число твердости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика с D=5 мм нагрузкой P=750 кгс (7500 Н) в течение τ=30 с.

Твердость по Бринеллю определяют при помощи шарового индентора диаметром 1; 2; 2,5; 5 или 10 мм. Инденторы чаще всего изготавливают из стали с твердостью не менее 8500 МПа для испытания материалов с твердостью от 8 НВ до 450 НВ. При большей твердости образца стальной шарик-индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск. Поэтому для измерения твердости по Бринеллю материалов с >450 НВ используют шарики из твердого сплава с твердостью по Бринеллю ~15000 МПа. Число твердости по Бринеллю, определяемое с использованием таких инденторов, обозначают HBW.

Из формулы (2.27) следует, что для получения одинаковых значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D² и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора). Но на практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживают в пределах 0,2 – 0,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов с учетом ГОСТ 9012 – 59 приведены в табл. 2. 7.

Т а б л и ц а 2. 7. Нагрузка (P) и параметры (D) шариков, рекомендуемые для испытания твердости по Бринеллю (по В.К. Григоровичу)

P, H	D, мм	Примечание
		2,5
30D² 10D² 5 D² 2,5D² 1,25D² 0,5 D²	5 000 2 500 1 250	312,5	312,5 156,25 78,125 32,25	Материалы с 130 – 450 НВ (стали, чугуны, высокопрочные сплавы на основе титана, никеля, меди, алюминия Материалы с 35 – 130 НВ (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы) Алюминий, магний, цинк, латуни Подшипниковые сплавы Свинец, олово, припои Мягкие металлы при повышенных температурах

Для определения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы, которые должны удовлетворять требованиям ГОСТ 2377 – 79. На рис. 2.74 показана схема одного из них, типа ТШ – 2, широко используемого в лабораторной практике.

Прибор смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика 1, устанавливаются сменные опорные столики 5 для испытуемых образцов. В верхней части станины расположен шпиндель 6, в который вставляют сменные наконечники с шариками разных диаметров. Шпиндель опирается на пружину 9, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки 1000 Н для устранения смещений образца во время испытания. Основная нагрузка прилагается через систему рычагов. На длинном плече основного рычага 15 размещена подвеска, на которую накладываются сменные грузы 18. Комбинацией грузов можно задать нагрузки от 625 до 30000 Н. Вращение вала электродвигателя 21 посредством червячной передачи сообщается шатуну 19, он опускается, и нагрузка передается на шпиндель прибора. Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун доходит до него, срабатывает концевой переключатель и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, шатун поднимается, и нагрузка снимается со шпинделя. По возвращении шатуна в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.

Для многих металлов и сплавов между НВ и σ_в существует линейная связь: σ_в= χНВ. Ниже приведены значения коэффициента χ для различных материалов и значение d / D.

Материал d / D

Чугуны……………………………. 0,15 0,4

Литейные алюминиевые

сплавы……………………………. 0,25 0,45

Деформируемые алюминиевые

сплавы……………………………. 0,38 0,4

Титановые сплавы……………….. 0,3 0,4

Стали:

высокопрочные……………………0,33 0,33

малоуглеродистые…………………0,33 0,45

Аустенитные стали и

латуни………………………………0,45 0,4

У малопластичных металлов и сплавов корреляция НВ и σ_в может отсутствовать: высокая твердость часто сочетается с низким пределом прочности. Это вполне естественно, если учесть совершенно разный физический смысл этих характеристик для хрупких материалов. Предел прочности таких материалов близок к истинному сопротивлению разрушению, а НВ остается критерием сопротивляемости значительной пластической деформации в условиях более мягкой схемы напряженного состояния.