Для вимірювання твердості за Брінелем застосовують твердоміри типу ТШ та сучасні типу ТБ 5004 і ТБ 5004–01, в яких сталева загартована кулька визначеного діаметра втискується у випробуваний матеріал під дією навантаження протягом певного проміжку часу (10, 30, 60 с).
Застосування у ролі індентора сталевої загартованої кульки обмежує діапазон, що вимірюється твердістю. Тому метод Брінеля може бути застосований для вимірювання твердості, яка не перевищуює НВ = 450 МПа.
Міра твердості за Брінелем (НВ) є середнє значення напружень, що визначене в кгс/мм2 (МПа), які отримують в результаті поділу величини випробувального навантаження Р на площу кульової поверхні F утвореного відбитка.
Схему випробування показан на рис. 1
Рис. 1 Визначення твердості за Брінелем
Обчислення числа твердості виконується після виміру діаметра утвореного відбитка за формулою:
, (1)
де НВ – твердість за Брінелем;
Р – навантаження в кгс;
F – площа кулькової поверхні відбитка (сегмента) в мм2.
Площа поверхні кулькового сегмента:
, (2)
де D – діаметр кульки;
h – глибина відбитка.
Зручніше вимірювати не глибину відбитка, а його діаметр - d. Тоді площа поверхні сегмента S, визначена через діаметр відбитка і діаметр кульки, дорівнює:
. (3)
Підставляючи значення S в формулу (1), отримаємо:
кгс/мм2. (4)
Для переведення числа твердості НВ в систему СІ користуються коефіцієнтом К=9,81∙106, на який помножують значення твердості НВсі=НВ∙К (МПа).
Зміна величини навантаження Р впливає на число твердості, адже залежність між величиною навантаження і діаметром відбитка не є постійною. Тому вимірювання твердості на приладі виконують при постійному співвідношенні між величиною навантаження Р та квадратом діаметра кульки 
.
Методика проведення випробування
Перед випробуванням поверхню зразка, в яку буде втискуватися кулька, обробляють терпугом або наждачним папером, щоб вона була рівною, гладенькою і щоб на ній не було окалини. При обробці поверхня не повинна нагріватися вище 100-150 ºС. Щоб при втискуванні кульки не відбувалося прогинання матеріалу, товщина його повинна бути не менш десятикратної глибини відбитка. Виходячи із товщини матеріалу і його властивостей, вибирають діаметр кульки.
Для вибору потрібного навантаження на індентор, його діаметра та часу витримування під навантаженням індентора користуються таблицею 1.
Таблиця 1. Залежність діаметра кульки і навантаження від твердості і товщини випробувального матеріалу
| Матеріал | Твердість за Брінелем | Мінімальна вимірювального матеріалу | Співвідношення між навантаженням Р і діаметром кульки Д мм | Діаметр кульки Д мм | Навантаження Р на індентор, кН | Витримування під навантаженням, с |
| Чорні метали і сплави | 130...450 | 6...3 | Р=30·D2 | 10,0 | 29,420 | |
| 4...2 | 5,0 | 7,355 | ||||
| <2 | 2,5 | 1,960 | ||||
| <140 | >6 | Р=10·D2 | 10,0 | 9,807 | ||
| 6...3 | 5,0 | 2,452 | ||||
| Кольорові метали і сплави | >140 | Р=30·D2 | 10,0 | 2,452 | ||
| >6 | 5,0 | – | ||||
| 2,5 | – | |||||
| 140...450 | 6...3 | Р=10·D2 | 10,0 | 29,420 | ||
| 4...2 | 5,0 | 7,355 | ||||
| <2 | 2,5 | 1,839 | ||||
| 35...130 | 9...3 6...3 | Р=2,5·D2 | 10,0 5,0 | 9,807 2,452 |
При випробуванні зразків завтовшки менше 6 мм вибирають кульки з меншим діаметром (5 і 2,5 мм). Отриманий відбиток вимірюють мікроскопом у двох взаємно-перпендикулярних напрямках. Діаметр відбитка визначають як середнє арифметичне з двох вимірів з точністю до 0,05 мм.
Лупа (рис. 2, а) має шкалу (рис. 2, б), мала поділка якої дорівнює 0,1 мм і розташована на тубусі лупи.
Для вимірювання діаметра відбитка лупу нижньою опорною частиною потрібно щільно встановити на поверхню зразка, що випробовується, над відбитком, при цьому виріз (вікно) у нижній частині лупи повернути до світла. Повертають окуляр так, щоб краї відбитка були добре окреслені, а шкалу було чітко видно. Потім, пересуваючи лупу, потрібно досягти, щоб один край відбитка збігався з початком шкали. Прораховують поділку шкали, з якою збігається протилежний край відбитка. Потім лупу повертають на 90 градусів і виміряють відбиток вдруге. Середнє арифметичне записують у протокол випробувань. Розрахунок числового значення твердості за наведеною вище формулою - трудомісткий процес, тому користуються спеціальною таблицею 4, що складена на основі формули (4) і яка дає можливість за отриманим діаметром відбитка вираховувати значення твердості.
Рис. 2. Лупа МПБ-2 для вимірювання діаметра відбитка кульки: а – загальний вигляд у розрізі: 1 – окуляр; 2 – шкала; 3 – гайка; 4 – об'єктив; 5 – відбиток; 6 – джерело світла; б – схема вимірювання діаметра відбитка
Твердість визначають твердоміром типу ТШ (рис. 3), що складається із станини 1, в нижній частині якої розміщений гвинт 2, зі змінними столиками для випробування зразків на твердість. Гвинт зі столиком переміщують вручну, обертаючи маховик 3. У верхній частині станини розміщений шпиндель 6, в який вставляють наконечники із кульками різних діаметрів.
Навантаження на індентор здійснюється вантажем 9 через систему важелів 7 і 8. Комбінацію навантажень можна змінювати в межах: 1,847 (187,5); 2,452 (250); 7,350 (750); 9,80 (1000); 14,70 (1500); 29,40 (3000) кН (кгс).
Перед вимірюванням твердості зразок 4 ставлять на столик гвинта 2 і обертають маховик 5 гвинта 2, притискуючи зразок до індентора 5 доти, доки пружина шпинделя 6 не стиснеться повністю, створивши при цьому попереднє навантаження 98 Н на індентор. Після цього, натиснувши на кнопку твердоміра, вмикається електродвигун 13 твердоміра, який через редуктор 12 приводить в обертальний рух кривошип 11. Від кривошипа опускається шатун 10, що звільняє важіль 8 і навантаження передається на шпиндель 6 твердоміра з індентором 5, що вдавлюється в зразок 4. При подальшому обертанні кривошипа шатун піднімається і знімає навантаження на індентор, повернувши важіль 8 та вантаж 9 у вихідне положення. При цьому електродвигун 13 твердоміра автоматично вимикається.
Після зняття навантаження на індентор, знявши зразок із столика, вимірюють діаметр відбитка на поверхні зразка за допомогою лупи МПБ-2 (рис. 2, а) з градуйованою шкалою (рис. 2, б). Для цього потрібно край відбитка сумістити з початком шкали (нульовою поділкою). Прочитати поділку шкали, з якою збігається протилежний край відбитка, що відповідатиме розміру діаметра відбитка (d = 3,2 мм).
Рис. 3. Кінематична схема твердоміра Брінелля (типу ТШ)
На практиці твердість визначають за табл. 4, в якій наведено числа твердості залежно від діаметра відбитка.
Напівавтоматичний твердомір типу ТБ 5004 (рис. 4) використовують для вимірювання твердості в двох режимах:
1. Відповідно до методики вимірювання на твердомірі типу ТШ (ручний режим).
На відміну від твердомірів типу ТШ твердоміри типу ТБ 5004 (табл. 2.) обладнані пультом керування 7 і вимірювальною головкою індикаторного типу 5, а для твердомірів типу ТБ 5004-01 – електронним блоком.
Рис. 4. Загальний вигляд твердоміра Брінелля типу ТБ 5004: 1 – корпус; 2 – маховик; 3 – предметний столик; 4 – індентор; 5 – індикаторна головка; 6 – вантаж; 7 – пульт керування; 8 – перемикач режиму «Робота»; 9 – перемикач режиму «Ручний»;
10 – контрольно-сигнальна лампочка; 11 – вимикач; 12 – вмикач
При ручному режимі після вмикання твердоміра в мережу вимикачем 11 перемикач 8 ставлять у положення «Робота», а перемикачем 9 встановлюють режим роботи «Ручний». Натискують на кнопку «Пуск», після чого включається в роботу привід навантаження, що через систему важелів забезпечує прикладання навантаження індентор 4. При цьому загоряється контрольна лампочка 10, як і на твердомірі типу живлення ТШ, усі дії відбуваються автоматично до моменту вимкнення електродвигуна твердоміра.
При автоматичному режимі розбракування на групи твердості на твердомірі типу ТБ 5004-01 здійснюють таким чином. Спочатку вимірюють твердість зразка з відомою меншою твердістю в положенні зупинення стрілки індикатора (сигнальна лампочка «Витримка» гасне). Фіксують покажчик «Менше». На зразку з відомою більшою твердістю аналогічно фіксують покажчик «Більше». Після цього випробовують зразки з невідомою твердістю, фіксуючи положення стрілки індикатора в момент її зупинення при знятті навантаження на індентор. Якщо стрілка зупиняється між покажчиками «Більше» і «Менше», то твердість випробуваних зразків відповідає покажчику «Норма».
До недоліків вимірювання твердості на твердомірі Брінеля належать: неможливість випробування сплавів з твердістю понад 450 НВ, оскільки сталева кулька – індентор буде деформуватися, даючи неточні показники твердості; неможливість випробування твердості тонких зразків (менше ніж 2 мм); після випробування залишаються помітні сліди на поверхні виробів.
