Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Твёрдость по Бринеллю (HB) — один из базовых показателей механических свойств металлов, определяемый вдавливанием твердосплавного или закалённого стального шарика в поверхность образца под заданной нагрузкой. Метод регламентирован ГОСТ 9012-59 и международным стандартом ISO 6506-1:2014. Применяется для незакалённых сталей, чугунов, цветных сплавов при числе твёрдости не выше HBW 650 (для твердосплавного шарика). Знание числа твёрдости по Бринеллю позволяет инженеру оперативно оценить прочностные характеристики материала без разрушения детали.
Твёрдость по Бринеллю — это отношение приложенной нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка, оставленного индентором. Число HB не имеет единицы измерения в традиционном понимании: оно выражает сопротивление материала пластической деформации в условиях стандартизованного вдавливания.
Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем в 1900 году и с тех пор остаётся одним из наиболее распространённых в металлургии и машиностроении. Его главное преимущество — простота подготовки образца и наглядность результата. Крупный размер отпечатка позволяет усреднять структурную неоднородность материала, что особенно важно при контроле чугунов и крупнозернистых сплавов.
Обозначение результата испытания включает число твёрдости, символ метода, диаметр шарика, нагрузку и время выдержки. Пример: 200 HBW 10/3000/15 означает: HBW = 200, твердосплавный шарик ∅10 мм, нагрузка 3000 кгс, выдержка 15 с. Обозначение HBS (стальной шарик) сохраняется только в ранее изданных документах по ГОСТ 9012-59; действующая редакция ISO 6506-1:2014 использует исключительно HBW (шарик из карбида вольфрама).
В поверхность испытуемого материала плавно, без ударов вдавливают шарик диаметром D = 10, 5 или 2,5 мм. Нагрузку выдерживают в течение установленного времени, после чего измеряют диаметр отпечатка d с помощью отсчётного микроскопа. Диаметр измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях, результаты усредняются. Глубина отпечатка t рассчитывается геометрически по диаметрам D и d.
HB = P / (π · D · t)
где: P — нагрузка, кгс; D — диаметр шарика, мм; t — глубина отпечатка, мм.
Эквивалентная полная форма через измеренный диаметр отпечатка d:
HB = 2P / (π · D · (D − √(D² − d²)))
На практике число твёрдости определяют не вычислением, а по стандартным таблицам, включённым в ГОСТ 9012-59 и ISO 6506-4: зная D и измеренное d, находят HBW напрямую. Это ускоряет работу и исключает арифметические ошибки оператора.
Нагрузка выбирается в зависимости от типа материала и диаметра шарика из условия геометрического подобия отпечатков. Ключевой параметр — безразмерное отношение P/D², которое должно оставаться постоянным для каждой группы материалов при смене диаметра шарика. Это обеспечивает сопоставимость результатов, полученных с разными инденторами.
По ГОСТ 9012-59 метод Бринелля со стальным шариком (HBS) ограничен значением HBS ≤ 450: при большей твёрдости шарик деформируется, что искажает отпечаток и снижает воспроизводимость. При использовании твердосплавного шарика (HBW) граница применимости расширяется до HBW ≤ 650 согласно ISO 6506-1:2014. Для закалённых сталей с числом твёрдости выше этих пределов применяют методы Роквелла (HRC, ГОСТ 9013-59) или Виккерса (HV, ГОСТ 2999-75).
Дополнительное ограничение — минимальная толщина образца: она должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка t. Для тонких покрытий и поверхностно упрочнённых слоёв метод не применяется — в этих случаях используют метод Виккерса с малыми нагрузками.
Практическое правило допустимого диапазона отпечатка: диаметр d должен находиться в пределах 0,2D ≤ d ≤ 0,6D по ГОСТ 9012-59. Стандарт ISO 6506-1:2014 устанавливает более жёсткую нижнюю границу: 0,24D ≤ d ≤ 0,6D. Выход за эти пределы указывает на неправильно подобранную нагрузку и требует повторного испытания с корректировкой режима.
Между твёрдостью по Бринеллю и пределом прочности при растяжении существует устойчивая эмпирическая связь. Для сталей она обусловлена тем, что оба показателя определяются сопротивлением металла пластической деформации. Для расчётов применяют следующие зависимости (источник: Гуляев А.П. «Металловедение», Новиков И.И. «Теория термической обработки металлов», а также таблицы ISO 18265:2013):
σв (МПа) = 3,4 · HB — для углеродистых и низколегированных сталей при HB от 120 до 450
σв (МПа) = 3,5 · HB — для легированных конструкционных сталей (ГОСТ 4543-2016)
σв (МПа) = 3,2 · HB — для серых чугунов (СЧ-серия, ГОСТ 1412-85)
Для высокопрочных чугунов (ВЧ) и ковких чугунов (КЧ) данная зависимость не применима: у этих материалов свойства определяются формой графита и матрицей. Значения σв берут по соответствующим стандартам (ГОСТ 7293-85 для ВЧ, ГОСТ 1215-79 для КЧ).
Приведённые коэффициенты для сталей дают приближённый результат с погрешностью ±10–15 %. Для точных инженерных расчётов, приёмочных испытаний и оформления документов на металлопродукцию необходимо проведение испытания на одноосное растяжение по ГОСТ 1497-2023 (введён в действие с 1 июля 2024 г. взамен ГОСТ 1497-84).
Данные соответствуют требованиям ГОСТ 1050-2013 (нелегированные конструкционные стали), ГОСТ 4543-2016 (легированные конструкционные стали) и Марочнику сталей (ЦНИИчермет им. И.П. Бардина). Значения σв рассчитаны по эмпирической зависимости σв = 3,4 · HB и приведены для справки.
* Для легированных сталей рекомендуется коэффициент 3,5: 40Х улучшение σв ≈ 945–1120 МПа.
Нормируемые значения твёрдости HB для литых чугунов приведены по действующим стандартам. Значения σв для серых чугунов рассчитаны с коэффициентом 3,2; для высокопрочных чугунов ВЧ указан гарантированный предел прочности по ГОСТ 7293-85, поскольку формула σв = const · HB для ВЧ не применима.
Поверхность в зоне испытания должна быть плоской, чистой, без окалины, смазки и загрязнений. Шероховатость подготовленной поверхности — не хуже Ra 2,5 мкм. Обработку ведут шлифованием или полированием, исключая локальный нагрев, способный изменить твёрдость поверхностного слоя.
Расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее 4d. Расстояние от центра отпечатка до края образца — не менее 2,5d. Эти требования установлены ГОСТ 9012-59 и обусловлены зоной остаточной пластической деформации вокруг каждого отпечатка, влияние которой искажает последующие измерения.
Для получения достоверного результата на каждом образце, как правило, выполняют не менее трёх отпечатков. Если отдельное значение отклоняется от среднего более чем на 5%, его исключают как выброс и делают дополнительное измерение.
Метод Бринелля — надёжный и хорошо стандартизованный способ оценки механических свойств металлов. Число HBW, полученное при испытании, позволяет оперативно оценить предел прочности материала, проверить соответствие термической обработки техническим условиям и принять решение о пригодности детали к эксплуатации.
Ключевые практические выводы: для конструкционных сталей стандартная нагрузка составляет 3000 кгс при шарике ∅10 мм; при HBS выше 450 (HBW выше 650) следует переходить на метод Роквелла или Виккерса; перевод HB в σв через коэффициент 3,4 применим только для незакалённых сталей и обеспечивает точность ±10–15 % — достаточную для оценочных расчётов, но не для приёмочных испытаний. Для чугунов ВЧ и КЧ значения σв следует брать исключительно из нормативных документов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.