Измерение твердости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)

Способ измерения твердости вдавливанием шарика используется для определения твердости, как металлов, так и полимерных материалов. В материал вдавливается стальной шарик и по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком, определяют значение твердости. Шарик вдавливают с помощью пресса. В некоторых конструкциях давление осуществляется гидравлическим способом, а в других – грузами, передвижение которых осуществляется электродвигателем.

 

Рис. 3.1. Схема прибора для измерения твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю):

1 – столик; 2 – маховик; 3 – груз; 4 – индентор; 5 - двигатель

 

Испытуемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 3.1), шлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5. Последний сначала перемещает коромысло и постепенно нагружает шток, а, следовательно, и вдавливает шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10 – 60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала (см. табл. 3.1), 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 затем снимают образец. Регулировкой реле двигателя можно изменять время приложения нагрузки.

В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0, 05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин. Имеются приборы (бривископы), в которых получаемый отпечаток в увеличенном масштабе проецируется на экране прибора, и диаметр этого отпечатка измеряется линейкой.

При измерениях расстояние от центра получаемого отпечатка до края образца должно быть не меньше двух диаметров отпечатка во избежание искажения результатов из-за «выпучивания» края образца. Каждое последующее измерение надо проводить на расстоянии не меньше двух диаметров предыдущего отпечатка. Число твердости по Бринеллю НВ характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка:

 

 

где Р – нагрузка на шарик, н; F – поверхность отпечатка, м²; D – диаметр вдавливаемого шарика, м; d – диаметр отпечатка, м.

Получаемое число твердости при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Он тем меньше, чем выше твердость испытуемого металла. Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между величиной нагрузки и диаметром отпечатка, необходимое для точного определения твердости, сравнительно надежно достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка.

Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток большого диаметра, приближающегося по величине к диаметру шарика. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D². Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости. Деформация металла в разных участках под шариком неодинакова. Вызываемая этим неоднородность напряженного состояния возрастает с увеличением поверхности отпечатка, т. е. величины нагрузки. В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого металла происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. По этому испытанию вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более 4500 НВ).

Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется. Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10 – 30 с). ГОСТом установлены нормы для испытаний по Бринеллю (табл. 3.1).

Твердость полимерных материалов, как и их прочность в большой степени зависит от длительности приложения нагрузки. При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика D.

 

Таблица 3.1