Список тематических статей

Метод Бринелля

Твердость материалов и методы ее измерения

Твердостью называют способность тела к пластическим деформациям под действием еще более твердого инструмента, называемого индентором.

Существует несколько популярных способов испытаний материалов и прежде всего металлов на твёрдость. При помощи них можно получить как некое численный эквивалент прочности изделия, так и данные по его сопротивлению знакопеременным нагрузкам.

К основным методикам определения относятся:

1. 1. Метод Бринелля (приборы и сам процесс подробно будут описаны ниже). При его использовании твёрдость определяется при помощи отпечатка от твердого, чаще всего металлического шарика, вдавливаемого в ровную площадку детали. По диаметрам следов и судят о твердостях.

Рис.1 Внешний вид современного твердомера.

1. 2. Способ Роквелла. По нему значение твёрдости равно относительной глубине вдавливания подобного, используемому по Бринеллю, шарика или алмазного конуса в площадку на поверхности изучаемой детали и обозначается чаще всего символами HR. Т.к. величина относительная, то максимальная величина твёрдости по Роквеллу составляет HR=100. «Роквелл» имеет широкое распространение при оценке качества рабочих узлов оборудования для переработки пластмасс и эластомеров, а также технологической оснастки.
   

2. 3. Способ Виккерса. Подобен способу определения по Бринеллю, но при его применении используют четырёхгранную алмазную пирамиду и, соответственно, след, оставляемый ею. Численное значение твёрдости (обозначается как HV) в этом случае равно отношению нагрузки, приложенной к пирамиде, к площади следа от нее.

3. 4. Твёрдость по Шору (метод вдавливания, обозначается Шор А, Шор D). Является важнейшим для определения твердости пластмасс, эластомеров и композитов. По нему величина твёрдости материала равно глубине проникновения в него специально подготовленной стальной иглы, которую приводит в напряжение калиброванная пружина. Прибором, работающим по методике Шора является дюрометр. Регулируемая международным стандартом ASTM D2240, процесс включает применение 12 шкал, однако на практике подавляющее количество более мягких материалов (например резин и эластомеров испытывают по шкале A), а более жестких (пластмасс и композитов) по шкале D.

4. 5. Дюрометры и шкалы Аскер является еще одним способом, относящемуся к разработкам Шора, похожим по способу измерения на предыдущий. Он применяется для получения значения для мягких веществ, используется главным образом в Японии и имеет несущественные отличия от «Шора», например особенностями оборудования, шкал и инденторов.

5. 6. Твёрдость по Шору (метод отскока). Применяется для получения значений твёрдости для очень твёрдых деталей, например металлических. Величина показателя (имеет обозначение HSx) находится по высоте отскока специального бойка, который падает со стандартной высоты.

6. Кроме описанных основных способов существует еще набор более редких техник, например метод Кузнецова-Герберта-Ребиндера, методика Польди или двойного отпечатка шарика, определений по шкале Мооса, способ Бухгольца и т.п. В данной статье мы не будем рассматривать их подробнее и просим обращаться к специализированной литературе.

Методика измерения твердости по Бринеллю

В соответствии с рассматриваемой технологией значение твёрдости материала определяется как отношение усилия, применимого на шарик, к площади следа от него после удара о изучаемый образец. Важно, что указанная площадь рассчитывается как площадь сферической поверхности отпечатка, а не как площадь круга.

В соответствии с ГОСТ 9012-59 значение показателя пишется в числах без указания единиц измерения, хотя фактически единицей является кг-с/кв.мм. Твёрдость по Бринеллю обозначается как HB и применяется в основном для достаточно мягких металлических сплавов, цветных металлов, чугуна и незакалённой «сырой» стали.

Для измерения твердости по методу Бринелля, как правило, используют шарик или из стали или из карбида вольфрама. Карбидный индентор предназначен для исследования особо твердых материалов, например инструментальных сталей и сплавов. Стальной индентор подходит к металлам с твердостью до стали общего назначения, а также нержавеющей стали, дерева, цветных металлов, стекла и т.д.

В приборах по определению твердости по Бринеллю, использующихся в настоящее время, существует возможность плавно вводить шарик в деталь, что дает очень низкую погрешность измерения, не превышающую 1 процента. Это позволяет получать ее с высокой степени не только точности, но и повторяемостью.

Шарики-инденторы, которые примеряются в составе устройств, имеют диаметр 1, 2,5, 5 и 10 миллиметров. Усилие внедрения шарика и его размер выбирается исходя из типа изучаемого материала.

Испытания по методу Бринелля имеют следующие ограничения и особенности, которые нужно учитывать при его выборе и применении:

1. Неприменимы образцы, имеющие значение по Бринеллю более HB450/650 кгс/кв.мм.

2. Поверхность исследуемой детали должна быть плоская и чистая со всех сторон. Любая деформация может привести к искажению результата.

3. Диаметр каждого следа должен быть в интервале от 0,2 до 0,6 диаметра индентора.

4. Критический размер для образца материала, взятого для оценки твердости по Бринеллю – толщина не менее 10 глубин отпечатка индентора.

5. Расстояние от центра отпечатка до центра ближайшего следа должно быть 4 диаметра отпечатка или более.

6. Время выдержки под нагрузкой – 10-15 секунд для стали и 10-180 с для цветных металлов и сплавов исходя из их твёрдости.

Важно отметить, что не допускается измерять одинаковые детали и сравнивать результаты, полученные на твердомерах разного типа. Также нельзя получить точную твердость по методу Бринелля в месте, находящемся вблизи кромки образца.

При использовании данных после измерения твердости по методу Бринелля нужно обозначать условия получения данных.

В случае, если твёрдость образца выше HB450, то метод Бринелля не подходит, ввиду возможной деформации поверхности шарика при таких свойствах исследуемого вещества.

В ходе испытаний размер следа от индентора измеряют, используя специальную лупу с шагом шкалы 0,05 мм, которая названа также именем Бринелля, по двум перпендикулярным осям. Также возможно использование микроскопа для получения более точных данных. За значение диаметра принимают среднее арифметическое из этих измерений.

Важность для переработки пластмасс

Твердость по Бринеллю, несмотря на то что более распространенным является способ по Роквеллу, имеет широкий спектр применений в области получения изделий из пластмасс и эластомеров. Главным образом численные величины твердостей используется для оценки качества изготовления полимерного оборудования и технологической оснастки.

В области полимерного машиностроения нельзя пренебрегать твердостью исполнения узлов и агрегатов. Несмотря на кажущуюся мягкость и податливость расплавленного полимера, он может достаточно легко повредить и вывести из строя оборудование, не обладающее достаточным качеством металла, из которого оно изготовлено.

Рис.2. Проверка качества деталей оснастки

В частности, при приемке форм для литья пластмасс под давлением у недорогих изготовителей из Китая, крайне распространенной практикой является оценка твердостей формообразующих деталей. Этот процесс проводится при помощи ручного твердомера непосредственно на поверхности оснастки, чуть в стороне от формующей области. Наиболее требовательные заказчики возят свои собственные устройства на приемку пресс-форм.

Что касается непосредственно полимеров и эластомеров, то, как было указано ранее, наиболее распространенной методикой в мире (за исключением Японии и некоторых других стран) являются твердомеры, работающие по Шору и шкалам А и Д. Способ Бринелля может подойти только для особенно сильно наполненных полимеров, но он слишком неточен для стандартных крупнотоннажных пластмасс.