Метод Бринелля

Ме́тод Брине́лля — один из основных методов определения твёрдости материала.

История 
Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849-1925 гг.) в 1900 году и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости 

Метод Бринелля относится к методам вдавливания.

Испытание проводится следующим образом:
 вначале образец подводят к индентору;
 затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2‑8 секунд;
 после достижения максимальной величины нагрузка на индентор выдерживается в определённом промежутке времени (для сталей обычно 10‑15 секунд);
 затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка.

В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметра 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала.

Исследуемые материалы делят на 5 основных групп:
 1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;
 2 — чугун;
 3 — медь и сплавы меди;
 4 — лёгкие металлы и их сплавы;
 5 — свинец, олово.

Кроме того, выше приведённые группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И ещё важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24·D до 0,6·D, где D — диаметр индентора (шарика).

Твёрдость по Бринеллю обозначается "HB" (Hardness Brinell) при применении стального шарика в качестве индентора или «HBW» при применении в качестве индентора шарика из твёрдого сплава и может рассчитываться двумя методами:
 метод восстановленного отпечатка;
 метод невосстановленного отпечатка.

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

 ,

где:
  — приложенная нагрузка, Н;
  — 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.

Нормативными документами определены:
 диаметры индентора;
 время вдавливания;
 время выдержки под максимальной нагрузкой;
 минимальная толщина образца;
 минимальная и максимальная величины диагоналей отпечатка;
 максимальные нагрузки;
 группа исследуемого материала.

По ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н;  Н;  Н;  Н;  Н;  Н;  Н;  Н.

Пример обозначения твёрдости по Бринеллю:
 600 HBW 10/3000/20,
где:
 600 — значение твёрдости по Бринеллю, кгс/мм²;
 HBW — символьное обозначение твёрдости по Бринеллю;
 10 — диаметр шарика в мм;
 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс ( кгс =  Н);
 20 — время действия нагрузки, с.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердомеры (например, твердомеры для металлов) как стационарные, так и переносные.

Типичные значения твёрдости для различных материалов

Преимущества и недостатки 
 Недостатки

 Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
 Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — ).
 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

 Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач.

Для стали

 ,

где  — предел прочности, МПа.

 ,

где  — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

 

Для медных сплавов

 

 Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

 Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).

 Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности, подготовленной под замер твёрдости.

Перевод результатов измерения твёрдости различными методами 
Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по другим методам, например метод Виккерса и метод Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Перевод чисел твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости как табличные, так и рассчитанные по уравнениям согласно ASTM E140-07 являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. С физической точки зрения, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла.

Нормативные документы 
 ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81) «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю»
ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»
ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»
ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness»

См. также 
 Твёрдость
 Тест твёрдости Янка
 Твёрдость по Виккерсу
 Твёрдость по Шору
 Твёрдость по Роквеллу
 Шкала Мооса

Примечания 

Материаловедение
Методы экспериментальной физики
Твёрдость