Brinell-kovuus HBW – mittausmenetelmä, asteikko, kaava ja sovellus

Brinell-kovuus on yksi metallien ja seosten kovuuden arviointiin käytetyistä perusmenetelmistä. Menetelmässä painetaan pallomainen volframikarbidista valmistettu painumatyökalu testattavan materiaalin pintaan ja mitataan sitten kuormituksen poistamisen jälkeen jäljelle jäävän pysyvän painumajäljen halkaisija. Testitulos raportoidaan muodossa HBW.
Brinell-menetelmä on erityisen hyödyllinen rakenneterästen, valurautojen, taemien, valukappaleiden ja ei-rautametalliseosten testauksessa. Suhteellisen suuren sisennyksensä ansiosta se toimii hyvin myös heterogeenisten rakenteiden omaavien materiaalien testauksessa, koska tulos peittää suuremman alueen testattavasta materiaalista kuin menetelmät, joissa käytetään hyvin pieniä sisennyksiä.

Mitä Brinell-kovuus HBW tarkoittaa?

Brinell-kovuus määrittää materiaalin kestävyyden paikalliselle plastiselle muodonmuutokselle, joka tapahtuu, kun pallomaista sisennystyökalua puristetaan tietyn kuormituksen alaisena.
Nykyään käytetty nimitys on HBW:

• H – kovuus,
• B – Brinell,
• W – volframikarbidista valmistettu sisennystyökalu.

Vanhemmissa teknisissä dokumenteissa käytetään myös merkintää HB . Nykyaikainen Brinell-koe suoritetaan kuitenkin volframikarbidikuulalla, joten tuloksen oikea merkintä on HBW.

Mikä on Brinellin menetelmä?

Testi aloitetaan valitsemalla kuulan halkaisija ja sopiva kuormitusvoima. Kuulaa painetaan sitten näytepintaa vasten tietyn ajan.
Kuorman poistamisen jälkeen pinnalle jää pysyvä, pallomainen jälki. Sen halkaisija mitataan useimmiten kahdessa keskenään kohtisuorassa suunnassa.
Laskelmissa käytetään keskiarvoa:
d = (d₁ + d₂) / 2
missä:

• d₁ – jäljennöksen halkaisija ensimmäiseen suuntaan,
• d₂ – jäljennöksen halkaisija kohtisuorassa suunnassa,
• d – tulosteen keskimääräinen halkaisija.

Tutkimusasetelma voidaan esittää seuraavasti:
kuulan valinta → voiman valinta → kuormituksen kohdistaminen → kuorman pitäminen → kuorman lievitys → painauman halkaisijan mittaus → HBW:n määritys

Brinellin kovuuskaava

Brinellin kovuus liittyy käytetyn voiman arvoon ja pallomaisen painauman pinta-alaan.
SI-järjestelmässä se voidaan ilmaista kaavalla:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
missä:

• F – kuormitusvoima [N],
• D – kuulan halkaisija [mm],
• d – jäljennöksen keskimääräinen halkaisija [mm],
• 0,102 – kerroin, joka liittyy historialliseen tapaan ilmaista voima kilogrammoina voimana.

Mitä pienempi on tietyllä pallon halkaisijalla ja voimalla luotu jälki, sitä suurempi on materiaalin kovuus.
Pehmeät materiaalit mahdollistavat sisennystyökalun tunkeutumisen syvemmälle, mikä johtaa suurempaan sisennyksen halkaisijaan. Kovat materiaalit tarjoavat suuremman vastuksen ja tuottavat pienemmän sisennyksen.

Brinell-paininta

Nykyään Brinell-menetelmässä käytetty sisennyslaite on kovametallipallo volframi.
Kovuustyökalun on oltava paljon kovempi kuin testattava materiaali ja sen on oltava kestävä muodonmuutokselle mittauksen aikana.
Pallon itsensä muodonmuutos johtaisi näytteen kanssa kosketuksen geometrian muutokseen ja aiheuttaisi virheellisiä tuloksia.

Brinell-menetelmässä käytettyjen pallojen halkaisijat

Materiaalin tyypistä, näytteen mitoista ja vaaditusta menetelmästä riippuen käytetään erilaisia ​​sisennystyökalun halkaisijoita.

Kuulan halkaisija on valittava testattavan materiaalin ja sen paksuuden mukaan. Liian suuri kuula tai liian raskas kuorma voi johtaa ohuen näytteen liialliseen tunkeutumiseen.

Brinell-koekuorma

Kuormitusvoima valitaan kuulan halkaisijan ja testattavan materiaalin tyypin mukaan.
Käytännössä sovelletaan periaatetta, jonka mukaan kuormitusvoiman ja pallon halkaisijan neliön välillä on oltava sopiva suhde:
F ∝ D²
Perinteisessä kilogramma-voima-merkintämuodossa suhde voidaan kirjoittaa seuraavasti:
F = K × D²
gdzie K on kerroin, joka riippuu testattavan materiaalin ryhmästä.
Säilyttämällä sopivan voiman ja kuulan halkaisijan suhteen on mahdollista saada vertailukelpoisia tuloksia käytettäessä eri sisennystyökalun halkaisijoita.

Brinellin kuormituskerroin

Eri materiaaliryhmille käytetään erilaisia ​​kuormituskertoimia. Kovat materiaalit vaativat suurempia kuormia, kun taas pehmeät materiaalit testataan pienemmillä arvoilla.

Pallon halkaisijan, voiman ja kuormituksen keston tarkka valinta tulee määrätä testattavan materiaalin asianmukaisesta standardista ja tyypistä.

HBW 10/3000 – mitä se tarkoittaa?

Yksi tyypillisimmistä teräksen testauksessa käytetyistä järjestelmistä on:
HBW 10/3000
Tämä tarkoittaa seuraavien käyttöä:

• volframikarbidipallot, joiden halkaisija on 10 mm,
• historiallista kuormitusta vastaava voima 3000 kgf, eli suunnilleen 29,42 kN.

Jos näissä olosuhteissa saatiin kovuudeksi 250, tulos voidaan kirjoittaa muodossa:
250 HBW 10/3000
Kovuusmerkinnän tulisi mahdollistaa testin suorittamisen perusolosuhteiden tunnistaminen.

Miten jäljennöksen halkaisija mitataan?

Kuorman poistamisen jälkeen jäljennöksen halkaisija mitataan optisella tai digitaalisella järjestelmällä.
Mittaus suoritetaan kahdessa keskenään kohtisuorassa suunnassa.
Jos jäljennös on oikea ja näytteen pinta on oikein valmisteltu, d₁:n ja d₂:n välisen eron pitäisi olla pieni.
Lukemisvaikeuksia voi ilmetä, jos:

• epätasainen tai karhea pinta,
• vaa'an läsnäolo,
• materiaalin voimakas anisotropia,
• epähomogeeninen mikrorakenne,
• näytteen muodonmuutos,
• testattavan elementin liian pieni paksuus.

Pinnan valmistelun merkitys

Testattavan elementin pinnan tulisi mahdollistaa painauman rajojen tarkka määrittäminen.
Erittäin hienoa kiillotusta ei aina tarvita, kuten Vickersin mikrokovuusmittauksissa, mutta pinnan tulisi olla:

• puhdas,
• vapaa irtonaisesta hilseestä,
• ilman paksuja naarmuja,
• tarpeeksi tasainen,
• tukevasti tuettuna tutkimuksen aikana.

Pintakäsittely ei myöskään saa aiheuttaa paikallista ylikuumenemista tai murskautumista, joka muuttaisi pintakerroksen kovuutta.

Näytteen paksuus ja HBW-tulos

Testattavan elementin paksuuden on oltava sopivan kokoinen suhteessa syntyvän jäljennöksen syvyyteen.
Jos näyte on liian ohut, alusta tai tuki voi vaikuttaa mittaustulokseen.
Liian pieni paksuus voi myös johtaa vastakkaisen pinnan näkyvään muodonmuutokseen.
Siksi kuulan halkaisijan ja kuormituksen valinnassa on aina otettava huomioon testattavan elementin paksuus.

Etäisyys jäljennösten välillä ja näytteen reunasta

Brinelling-ilmiö aiheuttaa paikallista plastista muodonmuutosta paitsi suoraan pallon alla myös jollakin sen ympärillä olevalla alueella.
Tästä syystä peräkkäisiä jäljennöksiä ei voida tehdä liian lähelle toisiaan.
Sinun tulee myös pitää sopiva etäisyys testattavan elementin reunaan.
Jos jäljennökset tehdään liian lähelle toisiaan, muodonmuutosvyöhykkeet voivat mennä päällekkäin ja vaikuttaa seuraavan mittauksen tulokseen.

Brinell-menetelmän soveltamisala

HBW-menetelmä on erityisen hyödyllinen materiaaleille, joissa suuri sisennys mahdollistaa paikallisten mikrorakenteellisten erojen keskiarvon laskemisen.
Sitä käytetään muun muassa seuraavien tutkimiseen:

• rakenneteräs,
• niukkaseosteiset teräkset,
• terästä jälkeen hehkutus i normalisointi,
• harmaa valurauta,
• pallografiittivalurauta
• valettu teräs,
• taotut osat,
• valukappaleet,
• alumiiniseokset,
• seokset kupari,
• pronssit ja messingit.

Miksi Brinell toimii hyvin valuraudassa ja valukappaleissa?

Valuraudoilla ja monilla valumateriaaleilla on heterogeeninen mikrorakenne.
Pienellä alueella voi esiintyä erilaisia ​​rakenneosia, joilla on erilainen kovuus.
Hyvin pienellä sisennyksellä tulos voi riippua pitkälti siitä, mihin mikrorakenteen osaan sisennyslaite osui.
Suuri Brinell-sisennys peittää suuremman materiaalimäärän ja tuottaa edustavamman keskimääräisen tuloksen.
Tämä on yksi HBW-menetelmän suurimmista eduista.

Brinell ja karkaistut teräkset

Brinell-menetelmä ei yleensä ole ensisijainen valinta erittäin kovien mittausten tekemiseen, karkaistu teräs.
Suurella kovuudella sisennys muuttuu suhteellisen pieneksi, mikä vaikeuttaa sen halkaisijan tarkkaa mittaamista ja vähentää menetelmän käytännön hyödyllisyyttä.
Seuraavia käytetään yleisemmin karkaistujen terästen testaamiseen:

• Rockwell HRC,
• Vickers HV.

Brinell on kuitenkin edelleen erittäin hyödyllinen alemmalla ja keskikovuusalueella.

Brinell vs. Rockwell – tärkeimmät erot

Brinell ja Vickers – tärkeimmät erot

Vickers-menetelmässä käytetään neliöpohjaista pyramidin muotoista timanttimaista sisennystyökalua. Mitataan sisennyksen lävistäjät, ei sen halkaisijaa.
Vickers mahdollistaa erittäin laajan kovuusalueen ja paljon pienempien materiaalialueiden testaamisen.
Brinell on puolestaan ​​erityisen edullinen silloin, kun tarvitaan arvo, joka edustaa suurempaa materiaalipinta-alaa.

Brinell-menetelmän edut

Tärkeimpiä etuja ovat:

• hyvä mittausten toistettavuus asianmukaisella näytteenvalmistuksella,
• suuri jäljennös, joka keskiarvoistaa rakenteen heterogeenisyyden,
• erittäin hyvä käyttö valukappaleille ja takokappaleille,
• mahdollisuus testata terästä, valurautaa ja monia ei-rautametalliseoksia,
• pitkä teollinen perinne ja vertailukelpoisen datan laaja saatavuus,
• joidenkin terästen kovuuden ja vetolujuuden välisen likimääräisen suhteen mahdollisuus.

Brinell-menetelmän haitat ja rajoitukset

Menetelmällä on myös rajoituksia:

• jättää suhteellisen suuren pysyvän jäljen
• ei sovellu hyvin ohuille elementeille,
• ei ole paras menetelmä erittäin koville teräksille,
• vaatii painatushalkaisijan optisen mittauksen,
• on hitaampi kuin Rockwellin menetelmä,
• ei sovellu hyvin pienten mikrorakennealueiden tutkimiseen,
• Näytteen pinnan on mahdollistettava painauman rajan oikea lukeminen.

Brinell-kovuus ja vetolujuus Rm

Monilla hiili- ja niukkaseosteisilla teräksillä Brinell-kovuuden ja vetolujuuden välillä on likimääräinen suhde.
Suunnilleen seuraava suhde löytyy:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
missä:

• Rm – vetolujuus [MPa],
• HBW – Brinell-kovuus.

Esimerkiksi noin 200 HBW:n kovuudella voidaan saada:
Rm ≈ 700 MPa
Tämä suhde on kuitenkin likimääräinen, eikä sitä pitäisi automaattisesti soveltaa kaikkiin materiaaleihin.
Erityistä varovaisuutta on noudatettava seuraavien osalta:

• austeniittiset ruostumattomat teräkset,
• duplex- ja superduplex-teräs,
• erkautuskarkaistut teräkset,
• valurauta,
• seokset alumiini,
• nikkeliseokset.

HBW:n muuntaminen HRC:ksi ja HV:ksi

Teollisuudessa on usein tarpeen verrata Brinell-tulosta Rockwell- tai Vickers-kovuuteen.
Tällainen muuntaminen tulisi suorittaa asianmukaisten muunnostaulukoiden perusteella.
Ei ole olemassa yhtä ainoaa matemaattista riippuvuutta, joka pätisi kaikille metalleille.
Esimerkkejä teräksen likimääräisistä arvoista:

Arvoja tulisi pitää likimääräisinä. Tarkat laskelmat riippuvat testattavan materiaalin tyypistä ja sen kovuusalueesta.

Brinell-kovuuden mittaamisessa esiintyvät virheet

Yleisimpiä virhelähteitä ovat:

• väärin valmisteltu pinta,
• pallon halkaisijan väärä valinta,
• liian vähän tai liian paljon kuormaa,
• liian ohut näyte,
• jättäen jäljen liian lähelle reunaa,
• tekemällä peräkkäisiä jälkiä liian lähelle toisiaan,
• painojäljen halkaisijan virheellinen mittaus,
• sisennyslaitteen muodonmuutos tai kuluminen,
• testattavan elementin epävakaa tuki,
• väärin tarkistettu kovuusmittauslaite.

Brinell-menetelmän standardit

Brinell-kovuusmittauksen kansainvälinen perusstandardi on ISO 6506.
Sarja sisältää muun muassa itse testausmenetelmää, koneellista tarkastusta, kovuusstandardien kalibrointia ja kovuusarvotaulukoita koskevat vaatimukset.

Nykyinen julkaistu ISO-testimenetelmästandardi on ISO 6506-1:2014 . Tämä standardi on edelleen ajan tasalla, mutta uusi versio on valmisteilla. ASTM-järjestelmässä nykyinen aktiivinen versio on ASTM E10-23.

ISO 6506-1 ja ASTM E10

Molemmat dokumentit kuvaavat metallisten materiaalien Brinell-kovuuskokeen, mutta ei pidä olettaa, että menetelmän jokainen yksityiskohta on identtinen.
Jos hyväksymisvaatimukset, tilaus, asiakasdokumentaatio tai materiaalistandardi määrittelevät tietyn menetelmän, testi on suoritettava kyseisen asiakirjan mukaisesti.
Tämä on erityisen tärkeää seuraavissa tapauksissa:

• hyväksyntätestit,
• materiaalitodistukset,
• laadunvalvonta,
• asiakkaalle tehdyt laboratoriotestit,
• vertailemalla eri laboratorioiden tuloksia.

Missä HBW-mittausta käytetään käytännössä?

Brinell-kovuutta käytetään muun muassa seuraavissa:

• metallurgia,
• valimo,
• taonta,
• koneen osien tuotanto,
• rakennusmateriaalien hallinta,
• suurten teräspuolivalmisteiden testaus,
• valukappaleiden ja taettujen kappaleiden vastaanotto,
• materiaalilaboratoriot.

Mittaus voidaan suorittaa sekä laboratorionäytteistä että suoraan asianmukaisesti valmistelluista suurempien alkuaineiden palasista.

Onko HBW materiaalinen arvo?

Kovuus ei ole materiaalivakio, joka on riippumaton testiolosuhteista.
HBW-arvo riippuu muun muassa seuraavista tekijöistä:

• materiaalin tyyppi,
• mikrorakenteet,
• lämpökäsittelyn tila,
• muokkauslujittumisaste,
• mittauksen suorittamisen edellytykset,
• näytteen pinnan kunto.

Siksi tuloksia verrattaessa on aina kiinnitettävä huomiota testiolosuhteisiin ja materiaalin kuntoon.

Teräksen Brinell-kovuus ja lämpökäsittely

HBW voi olla erittäin hyödyllinen parametri lämpökäsittelyn tehokkuuden hallinnassa.
Mikrorakenteen muutos hehkutuksen, normalisoinnin, lämpökäsittelyn tai muiden prosessien aikana johtaa kovuuden muutokseen.
Mittausta voidaan siksi käyttää nopeana menetelmänä sen tarkistamiseen, onko materiaali saavuttanut odotetun ominaisuusalueen.
Pelkkää kovuutta ei kuitenkaan pidä pitää testauksen täydellisenä korvikkeena:

• Rm – vetolujuus,
• Rp0,2 – tavanomainen myötölujuus,
• A – laajennukset,
• KV – iskunkestävyys.

Kahdella saman kovuuden omaavalla materiaalilla voi olla erilainen sitkeys, iskunkestävyys tai murtumissitkeys.

Brinell-menetelmä on klassinen ja edelleen erittäin tärkeä menetelmä metallien kovuuden mittaamiseen. Sen perusominaisuus on volframikarbidikuulan käyttö ja kovuuden määrittäminen pysyvän painauman halkaisijan perusteella.
HBW-menetelmän suurin etu on kyky saada edustava tulos heterogeenisen rakenteen omaaville materiaaleille, minkä vuoksi menetelmä on erityisen suosittu rakenneterästen, valurautojen, valukappaleiden ja takeiden testauksessa.
Oikean tuloksen saavuttamiseksi vaaditaan kuulan halkaisijan, kuormituksen, näytteen paksuuden, jäljennösten välisen etäisyyden ja asianmukaisen pinnan esikäsittelyn asianmukainen valinta.
Teknisissä testeissä on sovellettava asiaankuuluvien standardien vaatimuksia, erityisesti ISO-6506 1 oraz ASTM E10.

Sovellus – Kovuusmuunnin Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Metallien ja terästen kovuus – mittausmenetelmät, kovuusasteikot ja muuntaminen
Rockwell-kovuus HRC, HRB ja HRA – mittausmenetelmä, asteikot ja sovellukset
Brinell-kovuus HBW – mittausmenetelmä, asteikko, kaava ja sovellus
Vickersin kovuus HV – mittausmenetelmä, kaava ja sovellus
Knoop-kovuus HK – mittausmenetelmä, mikrokovuus ja käyttö
Mohsin asteikko – mineraalien ja materiaalien kovuustaulukko
HBW-, HRC-, HRB- ja HV-kovuuksien muuntaminen – muunnostaulukot