Твердость металла по бринеллю: Таблица твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

Метод Бринелля

Метод Бриннеля — один из основных методов определения твёрдости.

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля, в отличие от метода Роквелла, измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения.

Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как «приложенная нагрузка», делённая на «площадь поверхности отпечатка»:

  ,

где — приложенная нагрузка, H;

— диаметр шарика, мм;

— диаметр отпечатка, мм,

или по формуле:

  ,

где — глубина внедрения индентора.

Нормативными документами определены диаметры индентора, время экспозиции, глубина внедрения индентора.

• В России регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0,13 до 0,35 мм. В разных спецификациях эти значения различны.
• Наиболее распространённые диаметры шарика — 10, 5, 2,5 и 1 мм и нагрузки 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс.
• Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0,2—0,7 диаметра шарика.
• В методиках ISO и ASTM объединены метод с одним шариком и разными нагрузками и метод с применением разных шариков, а также дана формула вычисления твёрдости, не зависящей от нагрузки.

Твёрдость по шкале Бринелля выражают в кгс/мм². Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные.

Таблица: Типичные значения твёрдости бринелль для различных материалов

Преимущества и недостатки

Недостатки

• Метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 HB, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (WC), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 HBW.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка.
• 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

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методам Виккерса и Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Следует отметить, что таблицы перевода в разных нормативных документах отличаются.

Возврат к списку

Твердость по Бринеллю | Мир сварки

Сущность метода измерения по Бринеллю

Кто предложил впервые метод?

Метод Бринелля впервые предложил шведский инженер Юхан Август Бринелль в 1900 году, и стал широко применяемым и эталонным методом измерении твердости.

Какие твердомеры применяют для измерения твердости по методу Бринелля?

Для измерения твердости по Бринеллю применяют стационарные и переносные твердомеры.

В чем сущность измерения твердости по методу Бринелля?

Сущность метода Бринелля заключается в постепенном внедрении индентора со строгими геометрическими размерами в исследуемый образец с определенной нагрузкой, и последующим определением твердости по диаметру отпечатка.

Какой индентор применяют для определения твердости по Бринеллю?

Для определения твердости по Бринеллю используют стальные или твердосплавные шарики с диаметрами 2,5 мм; 5 мм и 10 мм (также для определения твердости пластиков и твердых полимерных материалов используются шарики диаметрами 7,5 и 12 мм).

Как обозначается твердость по методу Бринелля?

Для металлов с твердостью менее 450 единиц используют стальные закаленные шарики (общепринятое обозначение HB).

Для металлов с твердостью от 450 до 650 единиц используют твердосплавный шарик (общепринятое обозначение HBW).210250606-3562,5Менее 32,515,6

Чем измеряют диаметр отпечатка по Бринеллю?

После окончания испытания измеряют диаметр отпечатка с помощью микроскопа с общим увеличением 20х, 40х или 50х, оснащенного окуляром с измерительной визирной шкалой или окулярным микрометром.

Затем по размеру отпечатка и таблицам с эмпирическими данными определяют твердость по Бринеллю.

методы измерения, шкалы HB, HRC, HV

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

Твердость металлов

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

Н_□ 0,195 = 2800, где

_□  — форма наконечника;

_0,196  — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм².

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D²-d²),

• где
  Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.
  Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
  сплавы из железа — 30D²;
  медь и ее сплавы — 10D²;
  баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D².

Условное изображение принципа испытания

Скачать ГОСТ 9012-59

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h_0.

Скачать ГОСТ 9013-59

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d² МПа
HV=1,854*P/d² кгс/мм²
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод Шора

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Испытания на твердость

СОДЕРЖАНИЕ

1. Способ измерения твердости методом царапания
2. Измерение твердости по Бринеллю
3. Измерение твердости по Виккерсу
4. Измерение твердости по Роквеллу
5. Измерение твердости по Шору
6. Измерение микротвердости
7. Соотношение значений твердости

Твердость — свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедре­нии в поверхностный слой материала другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела — индентора.

Способы определения твердости в зависимости от временного характера приложения нагрузки и измерения сопротивления вдавливанию индентора подразделяют на:

• статические
• динамические
• кинетические

Наиболее распространенными являются статические методы, при которых нагрузку к индентору прикладывают плавно и постепенно, а время выдержки под нагрузкой регламентируется стандартами на соответствующие методы.

При динамических методах определения твердости индентор подействует на образец с определенной кинетической энергией, затрачиваемой на упругую отдачу и/или формирование отпечатка, динамическую твердость часто называют также твердостью материала при ударе. Твердость при ударе характеризует сопротивление внедрению не только на поверхности образца, но и в некото­ром объеме материала.

Кинетические методы определения твердости основываются на непрерывной регистрации процесса вдавливания индентора с за­писью диаграммы «нагрузка на индентор — глубина внедрения индентора. Особенность такого подхода заключается в регистрации всей кинетики процесса упругопластического деформирования материала при вдавливании индентора, а не только конечного результата испытаний, как при других методах.

По принципу приложения нагрузки способы определения твердости можно подразделить на способы вдавливания, отскока, царапания и резания.

Способы вдавливания являются наиболее распространенными. Твердость в этом случае определяется как сопротивление, которое оказывает испытуемое тело внедрению более твердого индентора и отражает преимущественно сопротивление поверхностных слоев материала пластической деформации.

Способы отскока основаны на измерении твердости по высоте отскока бойка, падающего на испытуемую поверхность. Твердость при этом отражает преиму­щественно сопротивление упругой деформации. Измерение твердости способом отскока широко применяют для контроля качест­ва прокатных валков, больших изделий и конструкций с использо­ванием переносных приборов.

Способ измерения твердости методом царапания

Способами царапания и резания твердость определяется соответственно как сопротивление материала царапанию или резанию. Способ царапания разработал Моос в начале XIX в.; им были предложена шкала твердости минералов по способности одного наносить царапины на поверхности другого. Эта десятибалльная шкала (от талька № 1 до алмаза № 10) используется в минералогии, а также для оценки твердости технической керамики и монокристаллов.

При определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют интегральное значение твердости материала (усредненное для всех структурных составляющих).

Значения твердости нельзя однозначно переводить в значения других механических свойств материала. Однако определение твердости является эффективным способом сравнения друг с другом однотипных материалов и контроля их качества.

Измерение твердости по Бринеллю

Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.

При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

В качестве инденторов используют полированные (Ra < 0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D =1; 2; 2,5; 5 и 10 мм, последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность измерения твердости.

Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h.

Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10…15 с, а для цветных металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом соотношения К=Р/D2:

Металлы и сплавы                                                         К, кгс/мм2

Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы ………..30

Медь, никель и их сплавы………………………………………..10

Алюминий, магний и их сплавы…………………………………5

Например, при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика D =10 мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10…15 с. Число твердости в этом случае обозначается цифрами со стоящим после них символом НВ (например, 250 НВ). Иногда после букв НВ указывают условия испытаний — НВ D/P/τ, например: 250 НВ 5/750/25 — твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре шарика D =5 мм, нагрузке Р= 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т=25 с.

Измерение твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ

Измерение твердости по Виккерсу

Метод измерения твердости по Виккерсу регламентируется ГОСТ 2999. Метод используют для определения твердости деталей и металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания в образец алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р в течение времени выдержки τ. После снятия нагрузки измеряют диагонали оставшегося на поверхности материала отпечатка –d1, d2 и вычисляют их среднее арифметическое значение — d, мм.

Значения твердости по Виккерсу при стандартных нагрузках н зависимости от длины диагонали d (мм) даны в соответствующих таблицах.

При испытаниях применяют следующие нагрузки Р, кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100. Число твердости по Виккерсу обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим после них символом HV (например, 200 HV). Иногда после символа HV указывают нагрузку и время выдержки, например: 200 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке Р= 10 кгс и времени выдержки под нагрузкой т=40 с.

В ГОСТе сказано, что точного перевода чисел твердости по Виккерсу на числа твердости, полученные другими методами, или на механические свойства при растяжении не существует и таких переводов (за исключением частных случаев) следует избегать.

Измерение твердости по Роквеллу

Метод измерения твердости по Роквеллу регламентирован ГОСТ 9013. При определении твердости этим методом тестируемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной P0 (обычно Р0 =10 кгс) и общей Р — вдавливают индентор (алмазный конус или стальной шарик). При этом общая нагрузка равна сумме предварительной P0 и основной Р1 нагрузок:

P = P0+P1

После выдержки под приложенной общей нагрузкой Р в течение 3…5 с основную нагрузку Р1 снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием общей нагрузки Р затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку P0.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости опре­деляется по шкале индикатора (как правило, часового типа). Индикатор показывает результат вычитания разности глубин (h –h0), на которые вдавливается индентор под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой константы. Величина h0 — глубина внедрения индентора в испыту­емый образец под действием предварительной нагрузки P0.

В зависимости от формы индентора и прилагаемой нагрузки введены три измерительные шкалы: А, В, С. Наиболее часто используемыми шкалами являются А и С.

Число твердости по Роквеллу обозначается цифрами, характе­ризующими величину твердости, со стоящим после них символом HRA, HRB или HRC (в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 28 HRC

Шкалы, использующиеся при измерении твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Шору

Метод измерения твердости по Шору регламентирован ГОСТ 23273. Это — основной метод определения твердости поверхности прокатных валков при их изготовлении, поставке на металлургическое предприятие, а также в процессе эксплуатации валков на прокатных станах.

При измерении твердости по Шору боек определенной массы с алмазным индентором на конце свободно надает по вертикали с определенной высоты h падения =19,0 ± 0,5 мм на испытуемую поверхность. Индентор представляет собой алмазный наконечник в виде тела вращения с радиусом закруглений рабочего конца R =1,0 ± 0,1 мм. Масса бойка вместе с алмазным индентором составляет 36,0 г. За характеристику твердости принимается высота отскока бойка h. За 100 единиц твердости по Шору принимается определенная величина отскока бойка h200 = 13,6 ± 0,5 мм. Такая твердость соответствует максимальной твердости стабилизированной после закалки на мартенсит углеродистой эвтектоидной инструментальной стали по ГОСТ 1435. Согласно стандарту, твердость по Шору измеряют в диапазоне от 20 до 140 единиц (HSD). Число твердости по Шору обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящими после них символом HSD, например 95 HSD. Число твердости указывается с округле­нием до целого числа.

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при из­мерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пи­рамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пира­миду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц «измеряемый параметр — параметр механических свойств», где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла — очень трудоёмкая работа.

В чем измеряется твердость металлов – определение, шкала, как определить единицы измерения в нв, от чего зависит значение

06Дек

Содержание статьи

1. Понятие
2. В каких единицах измеряется твердость металла
3. Насколько твердыми бывают основные металлы
4. Методы измерения
5. Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности
6. Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности
7. Характеристики методики Виккерса
8. Способы перехода между шкалами
9. Требования к образцу

Все материалы, используемые во время машиностроения и изготовления прочих деталей, имеют определенные характеристики. Перед тем как взять в работу конкретный металлический сплав, специалист проверяет все параметры, так как от них зависит и металлообработка, и эксплуатация дальнейшего изделия. В статье расскажем про значение твердости поверхности металла: что это такое, что называется твердой сталью, а также в чем измеряется показатель, и как происходит замер.

Понятие

Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения.

От характеристики зависит множество процессов и условий:

• Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
• Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
• Сопротивление давлению и другим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
• Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.

Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками. Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке. А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:

• Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
• Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
• Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
• Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.

От чего зависит твердость металлов по этому классу:

• От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
• От естественных свойств сырья.
• От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
• От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
• От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
• От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
• От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.

Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.

В каких единицах измеряется твердость металла

Особенность данной характеристики в том, что в зависимости от метода, которым проводили замер, меняется и классическое обозначение. Так как параметр нельзя причислить к основным физическим шкалам, таким как расстояние, скорость, масса, сила, то и единого стандарта нет в так называемой системе СИ.

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

• железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
• медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
• алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение.

Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм. Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу. Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

• A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
• В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
• С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась.

И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Насколько твердыми бывают основные металлы

Большинство материалов уже обладают определенными характеристиками, их давно измерили и записали в таблицы, при этом в сводках обозначены как исходные значения необработанного железа, так и после различных типов термо- и холодной металлообработки. Но при добавлении нестандартных и новых добавок, проведенных процедур необходимо заново измерять данный показатель. Но если вы сталкиваетесь со стандартными сплавами, то следует посмотреть в подготовленные списки.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Титан составляет исключение. Приведем технологию, используемую Бриннелем:

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

• Способ получения – обработка железной руды.
• Увеличенная прочность.
• Невосприимчивость к механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Хорошая свариваемость.
• Невысокая стоимость.

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, поэтому только основные:

• Чугун – 220 НВ.
• Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
• Нержавейка – до 250 НВ.

Методы измерения

Как мы упомянули, есть несколько эффективных технологий, по которым определяют данный показатель. Одни являются более точными, другие – наиболее просты в реализации. Объединяет их то, что в поверхность вдавливается другой предмет по структуре более стойкий. Итогом измерений становится то, как плоскость противостоит воздействию.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальный шарик диаметром от 1 до 10 миллиметров.2

Алгоритм применения метода Бринелля

• Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
• Определяется максимальное усилие.
• Твердомер запускается.
• Измеряется глубина вдавливания.
• Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

• P – нагрузка;
• F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности

Если предыдущая технология называется классической, то данную можно именовать современной, поскольку она более автоматизированная. Точность намного выше и сфер применения тоже, поскольку можно работать даже с очень прочными материалами.

Характеристики метода:

• Изначальное давление в 10 кгс.
• Напряжение выдерживают от 10 секунд до 1 минуты.
• Результат не рассчитывается математически, он высвечивается на цифровом табло.
• Используются разные наконечники, в зависимости от этого ставится маркировка, которая начинается с букв А, В, С. Мы уже подробнее указывали расшифровку индексов, просто напомним, что в качестве индентора может выступать стальной шарик или алмазный конус.

Есть также менее известные и используемые шкалы Е, Н, К с шаром меньшего диаметра. На процедуру накладываются ограничения:

• Делать пробы на одной заготовке можно только на расстоянии по 3-4 у.е., равных размеру проверяющего объекта, друг от друга.
• Толщина не может быть меньше, чем умноженная на 10 глубина проникновения наконечника в сталь.

План исследования по методу Роквелла

Алгоритм проведения аналогичный и даже более упрощенный:

• Необходимо оценить деталь и проверить работоспособность станка.
• Вычислить максимальную нагрузку.
• Установить образец и применить первичное напряжение.
• Выдержать определенный промежуток времени.
• Зафиксировать результат, указанный на табло.

Посмотрим, как выглядит твердомер, а также как им пользоваться:

Характеристики методики Виккерса

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

• Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
• Не допускается деформация более 100 кгс.
• Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
• Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Последовательность исследования

Упрощенный алгоритм:

• Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
• Рассчитайте допустимое усилие.
• Установите образец, закрепите его.
• Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Требования к образцу

В начале каждого объяснения, как проходит алгоритм исследования, мы давали первую рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить.

Особенности экспериментальных частей:

• Ровная поверхность определенной шероховатости без дефектов, микротрещин и любых повреждений. Следует предварительно прогнать верхний слой с помощью фрезерного станка или посредством шлифовальной обработки.
• Максимальная шлифовка и даже полировка. Чем выше шероховатость, тем больше будет неточностей результата, что очень негативно скажется на измерениях в целом.
• Также стоит предупредить наклеп. Это утолщение, упрочнение, которое образуется при заданной температуре (она ниже, чем точка рекристаллизации) и посредством пластических деформаций.
• Все параметры должны соответствовать нормам и прописанным ГОСТам.

Все перечисленные требования обязательны при проведении. Однако на настоящий момент часто это оказывается излишним, поскольку существуют сводные таблицы.

Сделаем вывод. В статье мы рассказали про обозначение единиц измерения твердости металла, а также дали описание термину и перечислили все основные применяемые технологии. Это важная характеристика для стали, поэтому данная процедура имеет ценность для науки материаловедения и для заводов-производителей. При выборе металлообработки необходимо заранее определять все химические и механические свойства.

Посмотрим подробный видеоролик:

После того, как ознакомитесь со статьей, можете прочитать про наши товары. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.

Твердость по Бринеллю — что это такое и для чего ее нужно знать

При выборе паркета покупатель сталкивается со множеством характеристик, ранее ему не знакомых. Одной из них является Твердость по Бринеллю, которая чаще всего используется для оценки твердости полов из разных пород древесины. Иногда в тех же целях применяются и другие методы, например, шкала Янка (широко используется в США).

Автор метода — шведский ученый Юхан Андерс Бринелль, предложивший в 1900 году измерять твердость металлов с помощью вдавливания с определенной силой в их поверхность металлического шарика. Позже метод был применен для определения твердости древесины. По диаметру оставленного шариком отпечатка оценивают степень твердости образца.

В качестве индентора используется шарик из твердого сплава диаметром от 1 до 10 мм, в зависимости от материала исследуемого образца. От него же зависит и степень прилагаемой нагрузки. Для образцов из древесины используется нагрузка в 100 кг и шарик диаметром 10 мм.

Твердость по Бринеллю обозначают HB (BHN, HBS, HBW). Она рассчитывается по формуле:

HB = F/S

Где F — приложенная сила;

S — площадь квадрата, в который вписана окружность полученного отпечатка.

Ниже приведены породы древесины и их показатели HB (чем выше число, тем тверже древесина):

Нетрудно заметить, что у хвойных и быстрорастущих лиственных пород твердость гораздо ниже, чем у медленно растущих лиственных пород, например, дуба. Кроме того, показатель твердости древесины зависит от климатических условий, в которых дерево росло, так что у одной и той же породы твердость может варьироваться. К примеру:

• Вишня — от 3,0 до 3,2
• Ясень — от 3,3 до 4,1
• Клен — от 3,2 до 4,2
• Дуб — от 2,9 до 3,7
• Бук — от 2,7 до 4,0
• Береза ​​- от 2,2 до 2,7
• Сосна — от 1,3 до 1,8

Почему нужно знать твердость древесины по Бринеллю?

Эта информация важна, т. к. позволяет судить о прочности и потенциальной износостойкости конкретного продукта, будь то массивная доска, штучный паркет или инженерные конструкции. Чем мягче слой износа паркета, тем легче он будет повреждаться от твердых предметов (например, ножек мебели, каблуков и т. п.) и быстрее изнашиваться с годами.

Особенно это актуально для мест высокой проходимости: прихожих, детских, кухонь. В таких помещениях рекомендуют укладывать паркет, сделанный из пород высокой и средней твердости. Например, бамбуковый паркет для детской.

Обычно производители широко применяют в изготовлении паркета древесину пород средней твердости (дуб, ясень), реже — древесину сверхтвердых пород (ятоба, сукупира, ярра, венге и др.). При этом стоимость массивной доски тем выше, чем тверже древесина, из которой она сделана. Исключение — паркет из бамбука, сверхпрочный, но при этом доступный по цене. Пример: массивная доска из Бамбука от Amigo.

Для паркетной доски твердость древесины тоже имеет значение, однако нужно иметь в виду, что чем тоньше слой ценной древесины, тем меньшую нагрузку принимает он на себя. Поэтому при производстве шпонированной паркетной доски (ценный слой — 0,5-1,5 мм) в качестве промежуточного слоя используется сверхтвердая HDF-плита, выдерживающая высокие нагрузки.

Твердость по Бринеллю — обзор

5.8.2 Дизайн гидроразрыва и использование качественных данных (газовый сланец Игл-Форд)

В исследовании, проведенном Stegent et al. (2011) было установлено, что гидроразрыв не стимулирует все сланцевые пласты одинаковым образом. Инженер заканчивания сталкивается с проблемой разработки проекта гидроразрыва пласта с небольшим количеством информации или инструментов, относящихся к конкретному сланцевому пласту. Это исследование предоставляет качественный метод, который инженер заканчивания может использовать в качестве руководства при разработке проекта гидроразрыва пласта на участке, имеющем мало достоверных исторических данных.При разработке проекта гидроразрыва следует учитывать: (1) тип углеводородов, которые предполагается добыть, (2) сложность трещиноватости коллектора, (3) литологию и минералогию породы, (4) гео- механические свойства породы, (5) другие параметры коллектора и (6) история добычи (при наличии). Результаты этого исследования могут быть применены к любому горизонтальному заканчиванию в коллекторах с низкой / сверхнизкой проницаемостью. Двумя основными качественными компонентами дизайна трещины являются характеристики коллектора и конструктивные соображения.

Характеристика коллектора имеет решающее значение при гидроразрыве пласта. Сланцевые пласты значительно различаются по своим свойствам, поэтому понимание характеристик коллектора имеет жизненно важное значение для проектирования трещин. В качестве примера можно привести сланцевую формацию Игл Форд, которая считается нефтематеринской нефтематеринской породой, которая простирается в поперечном направлении с юго-запада на северо-восток Техаса (рис. 5-2). Сланец Игл-Форд образовался в меловой период (145 миллионов лет назад) и может быть охарактеризован как смесь аргиллита и мела, обогащенная органическими веществами.Характеристики формации Игл-Форд существенно меняются по простиранию месторождения с юго-запада на северо-восток, а также от падения с северо-запада на юго-восток к Мексиканскому заливу (рис. 5-4). Толщина может колебаться от 45 до 500 футов. Глубина формации колеблется от 2500 до 4500 футов вниз по склону от Сан-Антонио к побережью Техаса.

Рисунок 5-4. Поперечный разрез сланца Игл Форд.

(Геологическая служба США, 2010 г.) Авторские права © 2010 г.

Анализ керна из стратегически важных мест по всему сланцу важен для разработки методов обработки трещин, поскольку каждое место имеет разные свойства, которые делают каждый дизайн трещины уникальным.Тонкие разрезы керна Игл Форд в северо-восточной части тренда характеризуют пласт как плоский слоистый сланец с многочисленными трещинами напластования и матрицей, богатой органическим веществом. Каротажные диаграммы также снимаются в вертикальных скважинах, пробуренных в сланцевых пластах, и калибруются с помощью лабораторных анализов керна. Таким образом, позже могут быть получены надежные каротажные диаграммы горизонтальных скважин для определения местоположения и количества ступенчатых трещин, необходимых для максимальной добычи сланцевого газа.

Анализ керна сланца Игл Форд выявил присутствие около 25% глины, которая набухает на 5–10% при контакте с пресной водой на большей части сланцевого пласта. Это означает, что если в качестве жидкости для гидроразрыва используется пресная вода, гидратированные глины будут закрывать и эффективно закупорить как поры матрицы, так и каналы трещин, значительно снижая конечное извлечение углеводородов. Таким образом, жидкости для гидроразрыва должны были включать 1,0 молярный раствор хлорида натрия или калия (6% NaCl; 7% KCl) для защиты от набухания глины.

Сланец Игл Форд представляет собой мягкую породу с числом твердости по Бринеллю 22, и поэтому проппант может быть внедрен в матрицу под действием давления закрытия пласта после завершения гидроразрыва пласта, что приводит к закрытию трещин (Tiab и Дональдсон, 2012). Проппанты с большим размером ячеек (20/40) использовались для поддержания проводимости каналов трещин. В отличие от этого газовый сланец Барнетта представляет собой очень твердое, хрупкое образование (число твердости по Бринеллю 80), в котором проппант практически отсутствует.

Таблица 5-6. Коллекторские свойства сланца Игл Форд по данным керна

Сланцы Игл-Форд богаты как нефтью, так и газом. Геохимия керна может определить тип керогена и его термическую зрелость, а также определить, находится ли скважина в зоне сухого или сжиженного газа. Если ожидается наличие жидкостей, то используются расклинивающие наполнители с высокой проводимостью и большим размером ячеек. Для участков, которые могут содержать как нефть, так и газ, конструкция трещины должна учитывать одновременный трехфазный поток (вода, нефть и газ) и условия, способствующие образованию эмульсии.Неэмульгирующее поверхностно-активное вещество входит в жидкости для гидроразрыва. Обычно добавление неэмульгирующего поверхностно-активного вещества обеспечивает защиту от несовместимости с жидкостями для интенсификации притока и пластовыми флюидами.

Жидкость для заканчивания (жидкость, используемая на заключительной стадии гидроразрыва) и расклинивающие наполнители имеют решающее значение для успеха любой трещины и поэтому требуют значительного внимания для правильного состава. В приведенном ниже списке подробно описаны наиболее важные петрофизические и химические критерии проектирования для жидкостей заканчивания:

•

В начале гидроразрыва пласта как скорость закачки жидкости, так и удельная расчетная вязкость жидкости гидроразрыва имеют решающее значение для создания требуемую систему трещин и установить точную ширину трещины.Микросейсмическое картирование в реальном времени используется для контроля надлежащей скорости закачки и физических свойств флюида, необходимых для получения эффективной геометрии трещины.

•

Пластичный (мягкий) сланец, такой как у большинства вилок Eagle Fork, требует более вязкой жидкости для гидроразрыва.

•

Относительно небольшая глубина залежей позволяет размещать проппант с крупными ячейками (4 фунта / галлон) с высокой концентрацией (4 фунта / галлон) (20/40 меш) с жидкой водой; но на более глубоких глубинах требуются более вязкие жидкости.

•

Большой размер проппанта с более высокой проводимостью используется для добычи сжиженного газа.

•

Заливка проппанта, мелкие частицы пласта, раздробленный проппант и диагенез проппанта — все это может иметь большое влияние на поддержание проводимости с течением времени.

•

Агенты, модифицирующие поверхность, могут помочь минимизировать эффект медленного снижения проводимости проппантной пачки с течением времени.

•

Выполнение процедур интенсификации притока требует управления огромным объемом данных (каротажные данные, записи долот, анализ шлама, анализ керна, анализ каротажа в необсаженном стволе пилотной скважины, анализ горизонтального каротажа в обсаженном стволе, трехмерная поверхность) сейсмические исследования и микросейсмическое картирование трещин, среди прочего).Когда это возможно, используется единая программная система, способная выполнять трехмерную визуализацию анализа в реальном времени, геологических свойств, петрофизических свойств и статистического анализа.

•

Картирование трещин с использованием микросейсмических инструментов может предоставить важную информацию об успехе (или неудаче) заканчивания.

•

Многоскважинный и многопетрофизический анализ, связанный с добычей, дает ценную информацию и лучшее понимание для будущего дизайна трещин.

Разница между Роквеллом, Бринеллем и Виккерсом

Размещено Роном Дельфини, 14 июня 2017 г., 18:47 Эти испытания определяют различные свойства конкретного металла, такие как износостойкость, вязкость и формуемость.

Различные шкалы испытаний были созданы, чтобы помочь инженерам выбрать подходящие металлы и твердость для их конкретного применения.Чтобы помочь вам разобраться в различных шкалах, мы создали таблицу с перекрестными ссылками для трех наиболее популярных тестов на твердость, приведенных ниже.

Тест на твердость по Бринеллю

Первый широко используемый стандартизированный тест на твердость, метод Бринелля, который определяет твердость металлических материалов при вдавливании и обычно используется для материалов с грубой поверхностью или поверхностью, слишком шероховатой для тестирования другими методами.

Однако тест Бринелля неприменим для полностью закаленной стали или других твердых материалов и часто оставляет большое впечатление на металле.Тест Бринелля тоже очень медленный.

Испытание на твердость по Роквеллу

Разработанный для обеспечения менее разрушительной альтернативы испытанию Бринелля, этот метод дифференциальной глубины устраняет ошибки, связанные с механическими дефектами.

Более быстрый и дешевый, чем тесты Бринелля и Виккерса, тест Роквелла не требует подготовки материала, а значение твердости легко считывается без какого-либо дополнительного оборудования, что делает этот метод измерения твердости одним из наиболее часто используемых.

Испытание на твердость по Виккерсу

Испытание на твердость по Виккерсу с использованием алмазного индентора проводится с меньшим усилием и большей точностью, чем испытание по Бринеллю. Увеличивая поверхность металла, этот тест может быть нацелен на определенные микроструктурные составляющие, такие как мартенсит или бейнит, или оценить качество операций термической обработки или поверхностного упрочнения.

Требуя оптической системы и подготовки материала, тест Виккерса требует более высоких затрат и занимает больше времени, чем тест Роквелла.

Теги: Испытание на твердость по Бринеллю, таблица преобразования твердости, Испытание на твердость по Роквеллу, Испытание на твердость по Виккерсу

Испытание на твердость по Бринеллю

Твердость — это характеристика материала, а не фундаментальное физическое свойство. Он определяется как сопротивление вдавливанию и определяется путем измерения постоянной глубины вдавливания.

Проще говоря, при использовании фиксированной силы (нагрузки) и заданного индентора, чем меньше вдавливание, тем тверже материал.Значение твердости вдавливания получается путем измерения глубины или площади вдавливания с использованием одного из более чем 12 различных методов испытаний.

Узнайте больше об основах испытаний на твердость здесь. Метод испытания на твердость по Бринеллю , используемый для определения твердости по Бринеллю, определен в ASTM E10. Чаще всего он используется для испытания материалов, имеющих слишком грубую структуру или поверхность, слишком грубую для испытания с использованием другого метода испытаний, например, отливок и поковок. При испытаниях по Бринеллю часто используется очень высокая испытательная нагрузка (3000 кгс) и индентор диаметром 10 мм, так что полученное вдавливание усредняет большинство поверхностных и подповерхностных несоответствий.Метод Бринелля применяет заданную испытательную нагрузку (F) к твердосплавному шарику фиксированного диаметра (D), который удерживается в течение заданного периода времени, а затем удаляется. Полученный слепок измеряется с помощью специально разработанного микроскопа Бринелля или оптической системы по крайней мере на двух диаметрах — обычно под прямым углом друг к другу, и эти результаты усредняются (d). Хотя приведенный ниже расчет можно использовать для получения числа Бринелля, чаще всего затем используется диаграмма для преобразования среднего измерения диаметра в число твердости по Бринеллю.

Стандартные испытательные усилия варьируются от 500 кгс, часто используемых для цветных металлов, до 3000 кгс, обычно используемых для сталей и чугуна. Существуют и другие шкалы Бринелля с нагрузкой всего 1 кгс и инденторы диаметром 1 мм, но они используются нечасто.

Метод испытания Иллюстрация

D = Диаметр шарика
d = диаметр отпечатка
F = нагрузка
HB = Результат по Бринеллю

Обычно самый большой источник ошибок при испытаниях по Бринеллю — это измерение вдавливания.Из-за различий в операторах, выполняющих измерения, результаты будут отличаться даже в идеальных условиях. Менее чем идеальные условия могут привести к значительному увеличению разброса. Часто поверхность для испытаний подготавливается с помощью шлифовального станка для удаления поверхностных состояний.

Неровный край затрудняет интерпретацию отпечатка. Кроме того, когда операторы знают пределы спецификаций для брака, на них часто можно повлиять, чтобы увидеть измерения таким образом, чтобы увеличить процент «хороших» тестов и уменьшить количество повторных испытаний.

На протяжении многих лет были разработаны два типа технологических средств решения проблем, связанных с ошибками измерения по Бринеллю. Автоматические оптические прицелы Бринелля, такие как B.O.S.S. системы, используйте компьютеры и анализ изображений для единообразного чтения отпечатков. Эта стандартизация помогает устранить субъективность оператора, поэтому операторы менее склонны автоматически просматривать результаты с отклонениями, когда результат пробы может выходить за пределы допуска.

Единицы Бринелля, которые измеряют в соответствии с ASTM E103, измеряют образцы, используя параметры твердости по Бринеллю вместе с методом твердости по Роквеллу.Этот метод обеспечивает наиболее воспроизводимые результаты (и большую скорость), поскольку капризы оптических интерпретаций устраняются за счет использования автоматического механического измерения глубины.

Однако при использовании этого метода результаты могут не полностью соответствовать результатам по Бринеллю из-за различных методов испытаний — для некоторых материалов может потребоваться смещение результатов. В тех случаях, когда это может быть проблемой, легко установить правильные значения.

Для получения дополнительной информации см. Наше руководство по выбору твердомера Newage по Бринеллю или свяжитесь с нами.

Что такое шкала твердости по Бринеллю

Шкала твердости по Бринеллю, разработанная в 1900 году шведским инженером Йоханом Августом Бринеллем, используется для определения твердости металла. Тест Бринелля является одним из трех основных тестов твердости в сталелитейной промышленности наряду с тестами твердости по Виккерсу и Роквеллу. Метод включает вдавливание исследуемого материала шариком из закаленной стали или карбида диаметром 10 мм с нагрузкой 3000 кг. Радуйтесь, что вам нужно было только сдать SAT, потому что этот тест звучит так, как будто его было бы довольно болезненно пройти.

Для более мягких поверхностей нагрузку можно уменьшить до 500 кг, чтобы предотвратить чрезмерное вдавливание. Нагрузка обычно прикладывается в течение 10–15 секунд для чугуна и стали и не менее 30 секунд для других металлов. Затем используется микроскоп, установленный на малое увеличение, для измерения диаметра вмятины, вызванной исследуемым материалом. Для повышения точности результатов следует использовать среднее значение двух измерений диаметра слепка под прямым углом. Номер привязи по Бринеллю рассчитывается путем деления нагрузки на площадь отпечатка.

При цитировании числа твердости по Бринеллю, сокращенно BHN или HB, необходимо указать номер нагрузки, а также материал, из которого сделан шар. Например, HBS 20/3000 будет означать, что использовался шариковый индентор из закаленной стали. 20 — это диаметр шара в миллиметрах, а 3000 — это сила в килограммах.

Число твердости по Бринеллю для различных типов стали значительно варьируется в зависимости от нескольких факторов. Термическая обработка является обычным способом изменения BHN различных видов стали.Термическая обработка — это контролируемый нагрев и охлаждение металлов для изменения их физических и механических свойств без изменения формы продукта. Это часто связано с увеличением прочности материала, но его также можно использовать для изменения определенных производственных целей, таких как улучшение механической обработки, регулировка формуемости и восстановление пластичности после операции холодной обработки. Это помогает в производственном процессе, а также улучшает характеристики продукта за счет увеличения прочности и других положительных характеристик.

Как ни странно, горячекатаная сталь обычно относительно мягкая по сравнению с холоднокатаной сталью. Горячекатаный прокат производится, когда сталь пропускается через набор рабочих валков при высокой температуре. Холоднокатаная сталь производится при более низкой температуре, ниже ее температуры перекристаллизации. Горячекатаные стальные листы часто используются для каркасов и общих структурных целей, чтобы обеспечить прочность и стабильность, а также в тех случаях, когда защита от ржавчины не требуется.

Холоднокатаные стальные листы и холоднокатаные стальные рулоны часто используются в холодильниках и автомобилях. Холоднокатаная сталь фактически образуется после процесса горячекатаной стали. Холоднокатаный стальной лист минимизирует толщину горячекатаной стали, а также увеличивает ее долговечность.

Шкала твердости

по Бринеллю и Роквеллу используется в качестве индикатора контроля качества на всех типах стальных листов и листов в процессе производства. Это помогает гарантировать, что заказчик и конечный пользователь получат материал нужного качества для выполняемой работы.

Шкала твердости по Бринеллю определяет не только твердость горячекатаной и холоднокатаной стали. Он используется для тестирования множества различных материалов. Наряду с тестом Виккерса и тестом Роквелла, это один из основных методов измерения твердости различных металлических материалов.

Твердость по Бринеллю

J.A. Бринелл предложил первый широко принятый и стандартизированный
испытание на твердость в 1900 году. Стальной шарик вдавливается в поверхность
образец под известной нагрузкой для пластической деформации материала.В
основная концепция заключается в том, что диаметр отпечатка в более жестком
материал имеет меньший диаметр. Число твердости по Бринеллю (BHN или
HB) обратно пропорционален площади отпечатка.

Твердомер Wilson Model «J» по Бринеллю ручной
управляемое механическое устройство. Система рывка ограничивает скорость
приложение нагрузки, чтобы избежать динамических эффектов. Диаметр 10 мм
в образец вдавливается шарик из закаленной стали.Нагрузка
регулируемый. Приложенные нагрузки от 500 кг до 3 000 кг создаются при различной установленной массе.
Меньшие нагрузки используются для мягких материалов, а большие — для более твердых.
Для очень твердых материалов устанавливается шарик из карбида вольфрама диаметром 10 мм.

Образец помещается на опору и поднимается до контакта с
шар, вращая маховик в нижней части колонны наковальни. В
ручка с правой стороны сдвинута назад, чтобы коснуться заднего упора.Система дашпота ограничивает скорость передвижения. Нагрузка удерживается
в течение 15 секунд, чтобы полностью сформировать пластиковую зону. В
ручка отводится назад, а наковальня опускается.

Число твердости по Бринеллю (HB) — это нагрузка, деленная на
площадь отпечатка. Диаметр оттиска составляет
измеряется с помощью микроскопа с наложенной шкалой. Бринелль
Число твердости HB рассчитывается по формуле:

где

• P — приложенная нагрузка 3000, 1500 или 500 кг.2. Однако результаты обычно сообщаются без единиц измерения.

Измерение твердости по Бринеллю | Бюлер

Методы испытаний по Бринеллю определены в следующих стандартах: ASTM E10 и ISO 6506. Рекомендуется, чтобы операторы имели актуальную копию соответствующих стандартов, которые регулярно обновляются.

Испытание на твердость по Бринеллю состоит из приложения постоянной нагрузки или силы, обычно от 187,5 до 3000 кгс, в течение определенного времени (от 10 до 30 секунд), как правило, с использованием 2.Шарик из карбида вольфрама диаметром 5 или 10 мм (см. Схему на изображении справа — Рисунок 23.3).

Время под нагрузкой (выдержка) необходимо для того, чтобы гарантировать прекращение пластического течения металла. Меньшие усилия и шарики меньшего диаметра также используются в определенных приложениях. Подобно тестированию Кнупа и Виккерса, тест Бринелля применяет только одно испытательное усилие. После снятия нагрузки полученный восстановленный круглый слепок измеряется поперек отпечатка под прямым углом с помощью маломощного микроскопа или автоматического измерительного устройства, и среднее значение используется для расчета твердости.

Фактическая твердость по Бринеллю (HB) рассчитывается путем факторизации размера отпечатка и испытательного усилия, так что:

HB = 2L / πD / 2 (D — √ (D ² — d ² ))

Где L = нагрузка, D = диаметр шарикового индентора и d = диаметр отпечатка.

Нет необходимости производить фактический расчет для каждого теста — таблицы расчетов были опубликованы для различных комбинаций диаметров оттисков, нагрузки и размера шарика.Кроме того, для выполнения этих задач доступны различные формы автоматических считывающих устройств Бринелля.

Приложения

Испытание на твердость по Бринеллю обычно используется при испытании алюминиевых и медных сплавов (при более низких усилиях), а также сталей и чугунов при более высоких диапазонах усилий. Поскольку в испытании Бринелля используются относительно высокие нагрузки и, следовательно, относительно большое вдавливание, его часто используют для определения твердости в обстоятельствах, когда выясняются общие свойства материала, а местные вариации твердости или состояния поверхности делают другие методы непригодными, например поковки или отливки крупных деталей.Сильно закаленная сталь или другие материалы обычно не тестируются по методу Бринелля. По существу, машины для определения твердости по Бринеллю (Wilson® Bh4000 Brinell Hardness Tester) часто изготавливаются для размещения крупных деталей, таких как отливки двигателей и трубопроводы большого диаметра. Рекомендуется минимальная толщина материала как минимум в 8 раз превышающая глубину испытания (ISO 6506).

Благодаря большому количеству доступных размеров шариков и нагрузок, можно испытывать очень широкий диапазон значений твердости с использованием метода Бринелля.Это сдерживается самим шариком индентора, который может деформироваться при испытании более твердых материалов.

Следует отметить, что существует взаимосвязь между нагрузкой и диаметром шара (L / D2), в результате чего испытания с комбинациями нагрузка / индентор, имеющими такое же соотношение, дают эквивалентные значения HB. Тесты с разными соотношениями несопоставимы. Ошибки в измерениях по Бринеллю обычно связаны с плохим состоянием поверхности или ошибками оператора при оптических измерениях, но из-за большого размера отпечатка эти ошибки имеют тенденцию к ограничению.

Для получения дополнительной информации о проверке твердости см. Руководство Buehler SumMet Guide.

Тестирование | Анализ разрушения твердости по Роквеллу

Описание техники

Описание техники

Проверка твердости по Бринеллю была одним из первых методов, разработанных для измерения твердости металла. Тест представляет собой двухэтапный процесс. Сначала с помощью сферического (шарообразного) индентора диаметром 10 мм делают отпечаток на поверхности образца при установленной нагрузке.Затем измеряется средний диаметр оттиска при небольшом увеличении, обычно около 20Х. Число твердости по Бринеллю рассчитывается путем деления испытательного усилия (кгс) на площадь поверхности оттиска (мм ² ). Могут использоваться различные комбинации размеров индентора и нагрузки, что позволяет тестировать как мягкие, так и твердые материалы одним методом. Числа твердости по Бринеллю могут использоваться для корреляции с пределом прочности на разрыв для некоторых металлов и сплавов, а также доступны стандартизованные преобразования для перевода результатов в другие шкалы твердости.

Из обычных методов определения твердости вдавливанием, испытание по Бринеллю дает наибольшее впечатление на испытуемом образце, обычно диаметром 2-6 мм. Большой оттиск благоприятен для материалов с неоднородной или крупнозернистой микроструктурой, таких как отливки, потому что любые локальные изменения микроструктуры усредняются по большой испытательной площади. Однако для большого вдавливания требуется большой образец для испытаний, что ограничивает типы образцов, которые могут быть испытаны.

Изначально инденторы изготавливались из стальных шарикоподшипников.Чтобы приспособить испытание более твердых материалов без риска повреждения или деформации шара при многократном использовании, шар из карбида вольфрама стал стандартным индентором. Для ясности HBS или HBW часто указываются после числового значения твердости, чтобы указать, что измерения были выполнены с использованием стального индентора или индентора из карбида вольфрама соответственно.

Аналитическая информация

Чтобы обеспечить точные и повторяемые результаты, методы тестирования должны регулироваться признанной стандартизированной процедурой.Стандарты испытаний на твердость по Бринеллю включают ASTM E10 и ISO 6506-1.

Тест на твердость по Бринеллю имеет три различных параметра: размер индентора, испытательное усилие и время выдержки. Чаще всего используется шариковый индентор диаметром 10 мм, испытательная сила 3000 кгс и время выдержки 10–15 секунд. Эти условия идеальны для испытаний таких материалов, как чугун, углеродистая и легированная сталь. Другие параметры испытания, такие как испытательное усилие 500 кгс, обычно используются для испытания тонких образцов или более мягких материалов, таких как алюминий.

Для выражения результатов испытаний на твердость по Бринеллю обозначение HB без какой-либо дополнительной информации указывает на то, что использовался шарик из карбида вольфрама диаметром 10 мм с испытательным усилием 3000 кгс и временем выдержки 10–15 секунд. Если для испытания используются альтернативные условия, параметр испытания следует указывать после указанного значения твердости. Например, обозначение твердости «300 HBW 5/250/20» указывает на то, что значение твердости 300 было получено при испытании с использованием 5-миллиметрового индентора из карбида вольфрама, испытательного усилия 250 кгс и 20-секундной выдержки. время.

Типичные области применения

• Большие образцы, например:
• Отливки
• Тарелки
• Конструкционные балки
• Корпус насоса

• Проверка термической обработки металлов и сплавов

Литературные ссылки на твердость также часто приводятся по Бринеллю, поэтому прямое испытание по шкале Бринелля полезно для сравнения с литературными значениями.

Образец требований

Идеальный образец для испытаний по Бринеллю должен иметь квадрат не менее 1 дюйма с плоскими и параллельными гранями, хотя измерения также можно проводить на изогнутых поверхностях.