Метод измерения твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)

Историческая справка

Метод измерения твёрдости, предложенный шведским инженером Йоханом Августом Бринеллем в 1900 году, стал первым стандартизированным способом количественной оценки сопротивления материала пластической деформации. Именно этот метод заложил основы современного материаловедения и до сих пор широко применяется в промышленности, особенно при работе с мягкими и средне-твёрдыми металлами. В СССР и позже в России метод был стандартизирован в ГОСТ 9012-59 (действующий до сих пор в редакции с изменениями), который регламентирует условия проведения испытаний, оборудование, обработку результатов и допустимые погрешности.

Физический принцип метода

Суть метода Бринелля заключается во вдавливании стального или твёрдосплавного шарика (индентора) в поверхность испытуемого образца под действием постоянной нагрузки, приложенной в течение строго определённого времени (обычно 10--15 секунд для чёрных металлов, 30 секунд — для цветных). После снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток (лунка), диаметр которого измеряется с помощью оптического устройства (чаще всего — измерительного микроскопа).

Твёрдость по Бринеллю (HB, от Hardness Brinell) рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности полученного отпечатка:

где:
F — нагрузка, кгс (килограмм-сила),
D_ш — диаметр индентора, мм,
D_отп — диаметр отпечатка, мм.

⚠️ Важно: в формуле используется площадь сферического сегмента, а не проекция отпечатка, что делает метод физически корректным для оценки объёмной пластической деформации.

Оборудование и схема испытаний

На рис. 1 представлена упрощённая схема твердомера Бринелля:

• Индентор — закалённый стальной шарик (для материалов твёрдостью до 450 HB) или карбидо-вольфрамовый (твердосплавный) шарик (может использоваться для более твёрдых материалов до 650 HBW). Согласно современным иностранным стандартам ISO и ASTM в методе Бринелля используют только твердосплавный шарик. Однако в ГОСТ 9012 изначально предусматривались только стальные шарики, но на практике сейчас применяют и твёрдосплавные, хотя и значительно реже.
• Нагрузка создаётся с помощью грузов (8) и рычажной системы (коромысла), обеспечивающей точную передачу усилия F. В современных и более точных твердомерах используют шаговые двигатели с тензометрической ячейкой.
• Типичные комбинации «нагрузка/диаметр шарика» стандартизированы:

Такой подход обеспечивает геометрическое подобие отпечатков, что позволяет сравнивать результаты при разных нагрузках и диаметрах индентора.

Посмотреть линейку твердомеров Бринелля.

Процедура измерения

1. Подготавливают поверхность образца: шлифуют до чистоты, исключающей влияние шероховатости на измерение.
2. Устанавливают образец на стол твердомера.
3. Прикладывают нагрузку F в течение заданного времени.
4. Снимают нагрузку.
5. Измеряют диаметр отпечатка D_отп в двух перпендикулярных направлениях с помощью измерительного микроскопа (рис. 2).

6. Вычисляют среднее значение D_отп и подставляют в формулу или используют табличные значения (в приложениях к ГОСТ).

Образцовые меры твердости по Бринеллю

Меры твёрдости по Бринеллю выражаются в условных единицах HB (Hardness Brinell) и всегда указываются с расшифровкой условий испытания. Современные стандарты требуют обозначения HBW (твердосплавный шарик) или HB (стальной шарик), диаметра индентора (в мм), нагрузки (в кгс) и времени выдержки (в секундах). Например: 250 HBW 10/3000/10 — твёрдость 250, измерена шариком Ø10 мм при нагрузке 3000 кгс в течение 10 с. Такая запись обеспечивает сопоставимость результатов и соответствует требованиям ГОСТ 9012-59 и международного стандарта ISO 6506. Только в стандарте ISO применяют запись HBS для стального шарика.

Испытания на твёрдость по Бринеллю проводятся в аккредитованных лабораториях, в том числе в лаборатории компании «Центр «МЕТ», которая выполняет измерения с соблюдением всех требований нормативной документации — от подготовки образцов до выдачи протоколов с корректным оформлением результатов в единицах HBW/HB. Это гарантирует высокую точность и признание данных как на территории РФ, так и в странах СНГ.

Посмотреть линейку мер твердости по Бринеллю.

Преимущества метода Бринелля

• Высокая воспроизводимость при испытании неоднородных материалов (например, чугуна, литых сплавов), благодаря крупному отпечатку (обычно 2--6 мм в диаметре), усредняющему локальные неоднородности структуры.
• Стабильность результатов при больших нагрузках (до 3000 кгс), что делает метод надёжным для промышленного контроля.
• Простота интерпретации: HB — это хотя и техническая величина, но связанна с пределом текучести материала (эмпирически: σt ≈ 0,36⋅HB для сталей).
• Подходит для сверхмягких материалов (например, свинец, олово), где другие методы (Роквелл, Виккерс) дают неточные результаты.

Недостатки и ограничения

• Требует подготовки оператора: точность измерения диаметра отпечатка сильно зависит от умения определить его границы под микроскопом (особенно на шероховатых или тёмных поверхностях).
• Разрушающий характер: оставляет видимый отпечаток диаметром до 6 мм, что недопустимо для готовых изделий или декоративных деталей.
• Не подходит для тонких образцов: по ГОСТ, толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.
• Не применим для измерения твёрдости тонких слоёв (например, гальванических покрытий, цементированных поверхностей).
• Низкая производительность: процесс измерения и расчёта занимает больше времени, чем, например, у метода Роквелла.

Области применения

• Контроль качества чугуна (серого, ковкого, высокопрочного), где структура неоднородна;
• Испытания цветных металлов и сплавов: алюминий, медь, бронза, латунь;
• Оценка мягких сталей и отожжённых заготовок;
• Научные исследования, где важна связь твёрдости с механическими свойствами;
• Материалы с твёрдостью до 650 HB (при использовании твёрдосплавного индентора).

⚠️ Важно: для материалов твёрже 450 HB стальной шарик деформируется, что искажает результат. Поэтому современные стандарты (ISO 6506, ASTM E10) рекомендуют только твёрдосплавные инденторы, обозначаемые как HBW (W — вольфрам, от Wolfram), в отличие от HBS (стальной шарик, Steel). В российской практике часто всё ещё используют обозначение HB, но при оформлении протоколов важно указывать тип индентора.

Сравнение с другими методами

Заключение

Несмотря на «возраст», метод Бринелля остаётся одним из самых надёжных и физически обоснованных способов оценки твёрдости, особенно для грубозернистых и неоднородных материалов. Его главная сила — в повторяемости результата, полученного за счёт усреднения по большой площади. Однако для современного производства, где важны скорость и неразрушающий контроль, метод постепенно уступает место Роквеллу и Виккерсу.

Тем не менее, в лабораториях, литейных цехах и при приёмке металлопроката метод Бринелля по ГОСТ 9012-59 продолжает играть ключевую роль — как эталонный и проверенный временем инструмент инженера-металлурга.