Как найти твердость по бринеллю

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. 

Существуют два вида методов расчета твердости:

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

где:

•  — приложенная нагрузка, H;
•  — диаметр шарика, мм;
•  — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части индентора:

,

где  — глубина внедрения индентора, мм.

Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R — Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

 1)    Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет  определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм; 

  2)    Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;


  3)    Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки к поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Твердость измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Метод Виккерса — самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой  для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод  Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер  — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Твёрдость минералов.

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Какие методы существуют для определения твердости?

Для определения твердости образцов существуют различные методы, такие как статический и динамический (ударный) и ультразвуковой.

Динамические и ультразвуковые методы не требуют определения твердости вручную. Твердость отображается на экране.

Для методов по Бринеллю, Виккерсу и Микро-Виккерсу существуют эмпирические таблицы и формулы для расчета твердости.

Для метода по Роквеллу существует формула для измерения глубины отпечатка.

По методу Шора измеряется глубина вдавливания индентора в поверхность исследуемого образца под действием тарированной пружины.

Как измеряют твердость методом Бринелля?

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Формула твердости по Бринеллю.

Формула расчета твердости методом Бринелля (HB, HBW):

• где НВ – при использовании стального шарика для металлов с твердостью менее 450 единиц; (HBW – при использовании шарика из твердого сплава с твердостью более 450 единиц), кгс;
• F – нагрузка, действующего на индентор, Н (кгс);
• А – площадь поверхности отпечатка, мм²;
• D – диаметр стального шарика, мм;
• d – диаметр отпечатка, мм.

Нагрузку на шарик выбирают в зависимости от вида материала К и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика:

Соответствующую нагрузку F и диаметр шарика D выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Толщина образца должна, как минимум в 8 раз превышала глубину внедрения индентора.

Как измеряют твердость методом Роквелла?

Измерение твердости по Роквеллу основан на погружение алмазного наконечника (120 градусов) или стального закаленного шарика (диаметром 1,588 мм) с последующим измерением глубины отпечатка.

Формула твердости по Роквеллу

Формула расчета твердости по Роквеллу (HR):

• при измерении твердости алмазным наконечником (120 градусов) применяют формулу:

где H-h-разность глубин внедрения индентора (в мм) после снятия основной нагрузки и до ее приложения.

• при измерении твердости закаленным стальным шаровым индентором (диаметром 1,588 мм):

Как измеряют твердость методом Виккерса?

Измерение твердости по Виккерсу происходит путем плавного внедрения четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в исследуемую поверхность образца, с дальнейшим измерением диагонали отпечатка d и расчета твердости исследуемого образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).

Формула твердости по Виккерсу.

Формула расчета твердости по Виккерсу (HV):

• где F – испытательная нагрузка, действующее на индентор, кгс;
• М – площадь поверхности отпечатка, мм²;
• a – наклон алмазного наконечника пирамидной формы;
• d – средняя длина диагонали отпечатка, мм.

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.

Измерение твердости по Бринеллю

Рис. 1.
Схема испытаний на твердость по Бринеллю

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ
9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый
образец стального шарика определенного
диаметраD
под действием заданной нагрузки P
в течение определенного времени (Рис.
1). В результате вдавливания шарика на
поверхности образца получается отпечаток
(лунка). Число твердости по Бринеллю,
обозначаемое HB,
представляет собой отношение нагрузки
P
к площади поверхности сферического
отпечатка F
и измеряется в кгс/мм²
или МПа:

(2)

Площадь шарового
сегмента составит:

,
мм²
(3)

где D
–диаметр шарика, (мм);

h
– глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину
отпечатка измерить трудно, а проще
измерить диаметр отпечатка d,
выражают h
через диаметр шарика D
и отпечатка d:

,
(мм) (4)

Тогда
,
(мм²)
(5)

Число твердости
по Бринеллю определяется по формуле:

,
(кгс/мм²)
(6)

Для перевода
твердости по Бринеллю в единицы СИ
необходимо умножить число твердости в
кгс/мм²
на 9,81, т.е. HB=9,81*HB
(МПа).

Для получения
сопоставимых результатов при определении
твердости HB
шариками различного диаметра необходимо
соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков
при разных D
и P
будет обеспечено, если угол 
остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив
в формулу (6)
,
получим следующее выражение:

Рис.
1.1 Схемы испытаний на твердость:

а – по Бринеллю, б – по Виккерсу, в –
по Роквеллу

Из этой формулы видно, что значениеHB
будет оставаться постоянным, если
и.

В практике при
определении твердости не делают
вычислений по формуле (6), а пользуются
таблицами, составленными для установленных
диаметров шариков, отпечатков и нагрузок.
Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм.
Диаметр шарика и нагрузка выбираются
в соответствии с толщиной и твердостью
образца (табл. 1). При этом для получения
одинаковых чисел твердости одного
материала при испытании шариками разных
диаметров необходимо соблюдать закон
подобия между получаемыми диаметрами
отпечатков. Поэтому твердость измеряют
при постоянном соотношении между
величиной нагрузки P
и квадратом диаметра шарика D².
Это соотношение должно быть различным
для металлов разной твердости.

Метод Бринелля не
рекомендуется применять для материалов
с твердостью более 450 HB,
так, как стальной шарик может заметно
деформироваться, что внесет погрешность
в результаты испытаний.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости
по Бринеллю, измеренное при стандартном
испытании (D
= 10 мм, P
= 3000 кгс), записывается так: HB
350. Если испытания проведены при других
условиях, то запись будет иметь следующий
вид: HB
5/250/30-200, что означает – число твердости
200 получено при испытании шариком
диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и
длительности нагрузки 30 с.

При измерении
твердости по методу бринелля необходимо
выполнять следующие условия:

• образцы с твердостью
  выше HB
  450 кгс/мм²
  (4500 МПа) испытывать запрещается;

• поверхность
  образца должна быть плоской и очищенной
  от окалины и других посторонних веществ;

• диаметры отпечатков
  должны находиться в пределах 0,2Dd0,6D;

• образцы должны
  иметь толщину не менее 10 – кратной
  глубины отпечатка (или менее диаметра
  шарика);

• расстояние между
  центрами соседних отпечатков и между
  центром отпечатка и краем образца
  должны быть не менее 4d.

О

Рис. 2
Схема прибора для измерения твердости
по методу Бринелля

пределение твердостиHB
производится на прессе Бринелля
(твердомер типа ТШ) в следующем порядке.
Испытываемый образец (деталь) устанавливают
на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью
кверху. Поворотом маховика 2 по часовой
стрелке столик прибора поднимают так,
чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую
поверхность. Маховик 2 вращают до упора,
и нажатием кнопки включают электродвигатель
6. Двигатель перемещает коромысло и
постепенно нагружает шток с закрепленным
в нем шариком. Шарик под действием
нагрузки 3, сообщаемой приведенным к
коромыслу грузом, вдавливается в
испытываемый материал. Нагрузка действует
в течение определенного времени (10 …
60 с), задаваемого реле времени, 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
снимают образец.

Диаметр отпечатка
измеряют при помощи отсчетного микроскопа
(лупы Бринелля), на окуляре которого
имеется шкала с делениями, соответствующими
десятым долям миллиметра. Измерение
проводят с точностью до 0,05 мм в двух
взаимно перпендикулярных направлениях;
для определения твердости следует
принимать среднюю из полученных величин.

Соседние файлы в папке Рефераты

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Метод Бринелля

Возврат к списку