Брінелля метод: специфічні особливості та суть

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 112

Щоб визначити твердість матеріалу, найчастіше використовується винахід шведського інженера Брінелля — метод, що вимірює властивості поверхні і дає додаткові характеристики полімерних металів.

Оцінка матеріалу

Саме завдяки цьому відкриттю зараз оцінюються шляхи найбільш ефективного застосування пластиків. Не дуже висока твердість пластмаси перевіряється на еластичність і м’якість, щоб бути використаними як герметизуючий, ущільнювальний і прокладальний матеріал. Розробка Брінелля — метод, що дозволяє визначити міцність і твердість матеріалу, який буде служити у важливих конструкціях — в зубчастих колесах і вінцях, підшипниках під важким навантаженням, деталях різьбових сполук і т. д.

Оцінку міцності найбільш точно дає саме цей спосіб. Значення параметра, який позначається R1V, важко переоцінити. Найбільш часто для цієї мети застосовується розробка Брінелля — метод, при якому п’ятиміліметрова сталева кулька втискається в матеріал. За глибиною втискування кульки і визначається ГОСТ.

Історія

У 1900 році інженера зі Швеції Юхана Августа Брінелля метод, запропонований ним світовому матеріалознавству, зробив знаменитим. Він не тільки був названий на честь винахідника, але і став найбільш широко використовуватися, стандартизувався.

Що таке твердість? Це особлива властивість матеріалу, який не відчуває пластичну деформацію від контактного місцевого впливу, яке найчастіше зводиться до впровадження індектора (більш твердого тіла) в матеріал.

Відновлена і невстановлена твердість

Метод Брінелля допомагає виміряти відновлену твердість, яка визначається ставленням величини навантаження до обсягу відбитка, площі проекції або площі поверхні. Таким чином, твердість буває об’ємна, проекційна і поверхнева. Остання визначається ставленням: навантаження до площі відбитка. Об’ємна твердість вимірюється ставленням навантаження до обсягу його, а проекційна — навантаження до площі проекції, яку залишив відбиток.

Невстановлена твердість за методом Брінелля визначається за тими ж параметрами, тільки основною вимірюваною величиною стає сила опору, відношення якої до площі поверхні, обсягу або проекції показує впроваджений в матеріал індектор. Таким же чином розраховується об’ємна, проекційна і поверхнева твердість: ставленням сили опору або до площі поверхні впровадженої частини індектора, або до площі проекції його, або до обсягу.

Визначення твердості

Здатність до опору пластичної і упругої деформації при впливі на матеріал більш твердого індектора — це визначення твердості, тобто, фактично це тест матеріалу на вдавлювання. Метод вимірювання твердості за Брінелем — вимірювання, наскільки глибоко індектор проник у матеріал. Щоб знати точне значення твердості цього матеріалу, потрібно виміряти глибину проникнення. Для цього існує метод Брінелля і Роквелла, рідше застосовується метод Віккерса.

Якщо метод Роквелла визначає безпосередньо глибину проникнення кульки в матеріал, то Віккерс і Брінелль вимірюють відбиток за площею його поверхні. Виходить, що чим глибше індекстор в матеріалі, тим відбиток виходить більшою площею. На твердість можна тестувати абсолютно будь-які матеріали: мінерали, метали, пластмаси тощо, але визначається твердість кожного з них власним методом.

Як знайти спосіб

Метод визначення твердості по Брінелю дуже хороший для неоднорідних матеріалів, для сплавів, які не дуже тверді. Не тільки вигляд матеріалу визначає спосіб вимірювання, але й самі параметри, які потрібно визначити. Твердість сплавів вимірюється ніби усереднено, оскільки в них сусідять матеріали з різними характеристиками. Наприклад, чавун. У нього дуже неоднорідна структура, там присутні цементит, графіт, перліт, феррит, а тому виміряна твердість чавуну — величина усереднення, що складає з твердості всіх складових.

Вимірювання твердості металів за методом Брінелля проводиться з використанням великого індектора, щоб відбиток вийшов на більшій площі зразка. Таким чином і на чавуні можна отримати в цих умовах значення, що є середнім по багатьох і різних фазах. Дуже хороший цей метод при вимірюванні твердості сплавів — чавуну, кольорових металів, міді, алюмінію тощо. Досить точно цей метод показує значення твердості пластмас.

Метод Роквелла порівняно

Він хороший для твердих і надтвердих металів, і отримане значення твердості теж усереднене. Індектором є така ж сталева кулька або конус, але крім них використовується і алмазна піраміда. Відбиток на матеріалі при вимірі за методом Роквелла теж виходить великим, а число твердості за різними фазами усереднене.

Методи Брінелля і Роквелла розрізняються в принципі: у першого результат представлений у вигляді приватного після ділення сили втискування на поверхню площі відбитка, а ось Роквелл обчислює співвідношення глибини проникнення до одиниці шкали приладу, що вимірює глибину. Саме тому твердість по Роквеллу практично безрозмірна, а по Бріннелю вона чітко вимірюється в кілограмах на квадратний міліметр.

Метод Віккерса

Якщо зразок малюнок або необхідні вимірювання об’єкта меншого, ніж величина відбитка індексу, якими вимірюється твердість по Роквелу або Брінелю, потрібно використовувати методи мікротвердості, серед яких найпопулярніший — метод Віккерса. Індектором служить алмазна піраміда, а відбиток вивчається і вимірюється оптичною системою, схожою на мікроскоп. Буде відоме також усереднене значення, але твердість обчислюється за значно меншою площею.

Якщо масштаб вимірюваного об’єкта зовсім малий, то використовується мікротвердомер, який вміє зробити відбиток в окремому зерні, фазі, шарі, і навантаження втискування можна вибрати самостійно. Металознавство дозволяє з використанням цих методів визначити і твердість, і мікротвердість металів, а матеріалознавство таким же чином визначає мікротвердість і твердість матеріалів неметалевих.

Діапазон

Існує три діапазони для вимірювання твердості. У макродієстоні регламентується величина навантаження від 2 Н до 30 кН. Мікроді^ він обмежує не тільки навантаження на індектор, але і глибину впровадження. Перша величина не перевищує 2 Н, а друга — понад 0,2 мкм. У нанодіяшоні регламентується тільки глибина впровадження індектора — менше 0,2 мкм. Результат дає нанотвёрдость матеріалу.

Параметри вимірювань залежать, перш за все, від навантаження, яке прикладається до індектора. Ця залежність навіть отримала особливу назву — розмірний ефект, англійською — indentation size effect. Характер розмірного ефекту можна визначити формою індексу. Сферичний — твердість збільшується зі збільшенням навантаження, стало бути, цей розмірний ефект зворотний. Піраміда Віккерса або Берковича зменшує твердість зі збільшенням навантаження (тут звичайний або прямий розмірний ефект). Конус-сфера, який використовується для методу Роквелла, показує, що збільшення навантаження спочатку призводить до збільшення твердості, а потім, при впровадженні сферичної частини, зменшується.

Матеріали та методи вимірювання

Найскірші на сьогоднішній день з існуючих матеріалів — дві модифікації вуглецю: лонсдейліт, наполовину переважаючий алмаз за твердістю, а також фуллерит, який перевершує алмаз в два рази. Практичне застосування цих матеріалів тільки починається, а поки з поширених найбільш твердим є алмаз. Саме з його допомогою встановлюється твердість всіх металів.

Методи визначення (найпопулярніші) були перераховані вище, але, щоб уяснити їх особливості і зрозуміти суть, потрібно розглянути й інші, які можна умовно поділити на динамічні, тобто ударні, і статичні, які були вже розглянуті. Метод вимірювання інакше називається шкалою. Необхідно нагадати, що найпопулярнішою є все-таки шкала Брінелля, де твердість вимірюється за діаметром відбитка, який залишає сталеву кульку, що втискається в поверхню матеріалу.

Визначення числа твердості

Метод Брінелля (ГОСТ 9012-59) дозволяє записати число твердості без одиниць вимірювання, позначаючи її НВ, де Н — твердість (hardness), а В — власне Брінелль. Площа відбитка вимірюється як частина сфери, а не площа кола, як це робить шкала Мейєра наприклад. Метод Роквелла відрізняє те, що визначенням глибини шарика або конуса з алмаза твердість виходить безрозмірною. Позначається вона HRA, HRC, HRB або HR. Формула обчисленої твердості виглядає так: HR = 100 (130) − kd. Тут d є глибиною втискування, а k — коефіцієнтом.

Методом Віккерса твердість можна визначити за відбитком, залишеним чотиригранною пірамідою, втиснутою в поверхню матеріалу, у співвідношенні з навантаженням, яке було додано до піраміди. Площа відбитка — не ромб, а частина площі піраміди. Розмірністю одиниць по Віккерсу слід вважати кгс на мм², позначається одиниця HV. Також існує метод вимірювання за Шором (втискування), частіше використовується для полімерів і має дванадцять шкал вимірювання. Відповідні Шору шкали Аскер (японська модифікація для матеріалів м’яких і еластичних) багато в чому схожі на попередній метод, тільки параметри вимірювального приладу відрізняються і використовуються інші індектори. Ще один метод по Шору — з відскоком — для високомодульних, тобто дуже твердих матеріалів. Звідси можна зробити висновок, що всі методи, що вимірюють твердість матеріалу, поділяються на дві категорії — динамічні і статичні.

Інструменти та прилади

Прилади для визначення твердості називаються твердомірами, це вимірювання інструментальні. Тестування по-різному впливає на об’єкт, тому методи можуть бути руйнуючими його і не руйнують. Між усіма цими шкалами прямої взаємозв’язку немає, оскільки жоден з методів не відображає фундаментальних властивостей матеріалу цілком.

Проте побудовані в достатній мірі наближені таблиці, де зв’язуються шкали і різні методи для категорій матеріалів та окремих їх груп. Створення цих таблиць стало можливим після проведення низки експериментів і тестувань. Однак теорій, які б дозволяли одним з розрахункових методів переходити від одного способу до іншого, поки не існує. Конкретний метод, яким визначається твердість, зазвичай вибирають, виходячи з наявної апаратури, завдань вимірювання, умов проведення його, і, звичайно, з властивостей самого матеріалу.