Tvrdoća po Brinellu HBW – Metoda mjerenja, skala, formula i primjena

Tvrdoća po Brinellu jedna je od osnovnih metoda za procjenu tvrdoće metala i legura. Metoda uključuje utiskivanje sfernog utiskivača od volframovog karbida u površinu materijala koji se ispituje, a zatim mjerenje promjera trajnog udubljenja koje ostaje nakon uklanjanja opterećenja. Rezultat ispitivanja se prikazuje kao H.B.W..
Brinellova metoda je posebno korisna za ispitivanje konstrukcijskih čelika, lijevanog željeza, otkovaka, odljevaka i neželjeznih legura. Zbog relativno velikog udubljenja, dobro se pokazao i na materijalima s heterogenim strukturama, jer rezultat pokriva veću površinu ispitivanog materijala nego metode koje koriste vrlo mala udubljenja.

Što znači Brinellova tvrdoća HBW?

Brinellova tvrdoća određuje otpor materijala na lokalnu plastičnu deformaciju koja nastaje kada se sferni utiskivač pritisne pod određenim opterećenjem.
Danas se koristi oznaka H.B.W.:

• H – tvrdoća,
• B – Brinell,
• W – uvlakač izrađen od volframovog karbida.

Starija tehnička dokumentacija također koristi oznaku HB . Međutim, moderni Brinell test se provodi pomoću volfram-karbidne kuglice, pa je ispravna oznaka za rezultat HBW.

Što je Brinell metoda?

Ispitivanje započinje odabirom promjera kugle i odgovarajuće sile opterećenja. Kugla se zatim pritisne na površinu uzorka određeno vrijeme.
Nakon uklanjanja opterećenja, na površini ostaje trajni, sferni otisak. Njegov promjer se najčešće mjeri u dva međusobno okomita smjera.
Za izračune se koristi prosječna vrijednost:
d = (d₁ + d₂) / 2
gdje je:

• d₁ – promjer otiska u prvom smjeru,
• d₂ – promjer otiska u okomitom smjeru,
• d – prosječni promjer otiska.

Dizajn studije može se predstaviti na sljedeći način:
odabir kuglice → odabir sile → nanošenje opterećenja → držanje opterećenja → rasterećenje opterećenja → mjerenje promjera udubljenja → određivanje HBW

Formula tvrdoće po Brinellu

Brinellova tvrdoća povezana je s vrijednošću primijenjene sile i površinom sfernog otiska.
U SI sustavu to se može izraziti odnosom:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
gdje je:

• F – sila opterećenja [N],
• D – promjer kugle [mm],
• d – prosječni promjer otiska [mm],
• 0,102 – koeficijent povezan s povijesnim načinom izražavanja sile u kilogramima-silama.

Što je manji otisak stvoren za dani promjer kugle i silu, to je veća tvrdoća materijala.
Meki materijali omogućuju utiskivaču da prodre dublje, što rezultira većim promjerom udubljenja. Tvrdi materijali pružaju veći otpor i stvaraju manje udubljenje.

Brinell utiskivač

Danas se utiskivač koji se koristi u Brinell metodi... karbidna kugla volfram.
Utiskivač mora biti mnogo tvrđi od materijala koji se ispituje i otporan na deformacije tijekom mjerenja.
Deformacija same kugle dovela bi do promjene geometrije kontakta s uzorkom i uzrokovala bi pogrešne rezultate.

Promjeri kuglica korištenih u Brinellovoj metodi

Ovisno o vrsti materijala, dimenzijama uzorka i potrebnoj metodologiji, koriste se različiti promjeri utiskivača.

Promjer kuglice mora biti odabran prikladno za materijal koji se ispituje i njegovu debljinu. Prevelika kuglica ili preveliko opterećenje mogu rezultirati prekomjernim prodiranjem tankog uzorka.

Brinell ispitno opterećenje

Sila opterećenja odabire se ovisno o promjeru kugle i vrsti materijala koji se ispituje.
U praksi se primjenjuje načelo održavanja odgovarajućeg omjera između sile opterećenja i kvadrata promjera kugle:
F ∝ D²
U tradicionalnoj notaciji kilogram-sila, odnos se može zapisati kao:
F = K × D²
gdje K je koeficijent koji ovisi o skupini ispitivanog materijala.
Održavanjem odgovarajućeg omjera sile i promjera kuglice, moguće je dobiti usporedive rezultate pri korištenju utiskivača različitih promjera.

Brinellov faktor opterećenja

Za različite skupine materijala koriste se različiti faktori opterećenja. Tvrdi materijali zahtijevaju veća opterećenja, dok se meki materijali ispituju pri nižim vrijednostima.

Točan odabir promjera kugle, sile i trajanja opterećenja trebao bi proizaći iz odgovarajućeg standarda i vrste materijala koji se ispituje.

HBW 10/3000 – što to znači?

Jedan od najkarakterističnijih sustava koji se koriste u ispitivanju čelika je:
HBW 10/3000
To znači korištenje:

• Kuglice od volframovog karbida promjera 10 mm,
• sila koja odgovara povijesnom opterećenju 3000 kgf, tj. približno 29,42 kN.

Ako je pod tim uvjetima postignuta tvrdoća od 250, rezultat se može zapisati kao:
250 HBW 10/3000
Oznaka tvrdoće trebala bi omogućiti identifikaciju osnovnih uvjeta pod kojima je ispitivanje provedeno.

Kako se mjeri promjer otiska?

Nakon uklanjanja opterećenja, promjer otiska mjeri se optičkim ili digitalnim sustavom.
Mjerenje se provodi u dva međusobno okomita smjera.
Ako je otisak ispravan i površina uzorka pravilno pripremljena, razlika između d₁ i d₂ trebala bi biti mala.
Problemi s čitanjem mogu se pojaviti ako:

• neravna ili hrapava površina,
• prisutnost skale,
• izražena anizotropija materijala,
• nehomogena mikrostruktura,
• deformacija uzorka,
• premala debljina ispitivanog elementa.

Važnost pripreme površine

Površina ispitivanog elementa trebala bi omogućiti precizno određivanje granica otiska.
Vrlo fino poliranje nije uvijek potrebno, kao što je slučaj kod mjerenja mikrotvrdoće po Vickersu, ali površina treba biti:

• čist,
• bez rastresitog kamenca,
• bez debelih ogrebotina,
• dovoljno ravno,
• stabilno poduprti tijekom pregleda.

Površinska obrada također ne smije uzrokovati lokalno pregrijavanje ili drobljenje koje bi promijenilo tvrdoću površinskog sloja.

Debljina uzorka i rezultat HBW-a

Ispitivani element mora biti odgovarajuće debljine u odnosu na dubinu dobivenog otiska.
Ako je uzorak pretanak, podloga ili nosač mogu utjecati na rezultat mjerenja.
Premala debljina također može dovesti do vidljive deformacije suprotne površine.
Stoga, pri odabiru promjera kugle i opterećenja uvijek treba uzeti u obzir debljinu ispitivanog elementa.

Udaljenost između otisaka i od ruba uzorka

Brinelling efekt uzrokuje lokalnu plastičnu deformaciju ne samo neposredno ispod kugle već i u nekim područjima oko nje.
Zbog toga se sljedeći otisci ne mogu napraviti preblizu jedan drugome.
Također biste trebali održavati odgovarajuću udaljenost od ruba testiranog elementa.
Ako su otisci napravljeni preblizu jedan drugome, zone deformacije mogu se preklapati i utjecati na rezultat sljedećeg mjerenja.

Područje primjene Brinellove metode

HBW metoda je posebno korisna za materijale gdje veliko udubljenje omogućuje usrednjavanje lokalnih mikrostrukturnih razlika.
Koristi se, između ostalog, za ispitivanje:

• konstrukcijski čelik,
• niskolegirani čelici,
• čelik nakon žarenje i normalizacija,
• sivo lijevano željezo,
• nodularno lijevano željezo,
• lijevani čelik,
• otkivci,
• odljevci,
• aluminijske legure,
• legure bakar,
• bronce i mesing.

Zašto Brinell dobro djeluje na lijevano željezo i odljevke?

Lijevano željezo i mnogi lijevani materijali imaju heterogenu mikrostrukturu.
Unutar malog područja mogu se pojaviti različite strukturne komponente različite tvrdoće.
S vrlo malim udubljenjem, rezultat bi mogao uvelike ovisiti o tome koju komponentu mikrostrukture je utiskivač pogodio.
Veliki Brinell utisk pokriva veći volumen materijala i daje reprezentativniji prosječni rezultat.
Ovo je jedna od najvećih prednosti HBW metode.

Brinell i kaljeni čelici

Brinellova metoda obično nije prvi izbor za mjerenje vrlo teških, otvrdnuo čelik.
Pri visokoj tvrdoći, udubljenje postaje relativno malo, što otežava točno mjerenje njegovog promjera i smanjuje praktičnu korisnost metode.
Za ispitivanje kaljenih čelika češće se koriste sljedeći postupci:

• Rockwell HRC,
• Vickers HV.

Brinell, međutim, ostaje vrlo koristan u području niže i srednje tvrdoće.

Brinell vs. Rockwell – najvažnije razlike

Brinell vs. Vickers – najvažnije razlike

Vickersova metoda koristi dijamantni utiskivač u obliku piramide s kvadratnom bazom. Mjere se dijagonale udubljenja, a ne njegov promjer.
Vickers omogućuje ispitivanje vrlo širokog raspona tvrdoća i mnogo manjih površina materijala.
Brinell je, međutim, posebno povoljan tamo gdje je potrebna vrijednost koja predstavlja veću površinu materijala.

Prednosti Brinell metode

Najvažnije prednosti uključuju:

• dobra ponovljivost mjerenja uz pravilnu pripremu uzorka,
• veliki otisak koji usrednjava heterogenost strukture,
• vrlo dobra primjena za odljevke i otkivke,
• mogućnost ispitivanja čelika, lijevanog željeza i mnogih legura obojenih metala,
• duga industrijska tradicija i široka dostupnost komparativnih podataka,
• mogućnost približnog odnosa između tvrdoće i vlačne čvrstoće za neke čelike.

Nedostaci i ograničenja Brinell metode

Metoda također ima ograničenja:

• ostavlja relativno veliki trajni otisak,
• nije baš prikladno za vrlo tanke elemente,
• nije najbolja metoda za vrlo tvrde čelike,
• zahtijeva optičko mjerenje promjera otiska,
• sporija je od Rockwellove metode,
• nije prikladno za ispitivanje vrlo malih područja mikrostrukture,
• površina uzorka mora omogućiti ispravno očitavanje granice otiska.

Brinellova tvrdoća i vlačna čvrstoća Rm

Za mnoge ugljične i niskolegirane čelike postoji približan odnos između tvrdoće po Brinellu i vlačne čvrstoće.
Otprilike se može naći sljedeći odnos:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
gdje je:

• Rm – vlačna čvrstoća [MPa],
• H.B.W. – Brinellova tvrdoća.

Na primjer, za tvrdoću od približno 200 HBW, može se dobiti:
Rm ≈ 700 MPa
Međutim, ovaj odnos je približan i ne bi se trebao automatski primjenjivati ​​na sve materijale.
Poseban oprez treba biti usmjeren na:

• austenitni nehrđajući čelici,
• dupleks i superdupleks čelik,
• precipitacijski kaljeni čelici,
• lijevano željezo,
• legure aluminijum,
• legure nikla.

Pretvaranje HBW u HRC i HV

U industrijskoj praksi često je potrebno usporediti Brinell-ov rezultat s tvrdoćom prema Rockwellu ili Vickersu.
Takvu pretvorbu treba izvršiti na temelju odgovarajućih tablica pretvorbe.
Ne postoji jedinstveni matematički odnos koji vrijedi za sve metale.
Primjeri približnih vrijednosti za čelik:

Vrijednosti treba smatrati približnim. Točni izračuni ovise o vrsti materijala koji se testira i njegovom rasponu tvrdoće.

Pogreške pri mjerenju tvrdoće po Brinellu

Najčešći izvori pogrešaka uključuju:

• nepravilno pripremljena površina,
• pogrešan odabir promjera kugle,
• premalo ili previše opterećenja,
• pretanak uzorak,
• ostavljajući dojam preblizu rubu,
• praveći uzastopne otiske preblizu jedan drugome,
• netočno mjerenje promjera otiska,
• deformacija ili trošenje utiskivača,
• nestabilna podloga ispitivanog elementa,
• neispravno verificirani stroj za mjerenje tvrdoće.

Standardi za Brinellovu metodu

Osnovni međunarodni standard za ispitivanje tvrdoće po Brinellu je ISO 6506.
Serija uključuje, između ostalog, zahtjeve za samu metodu ispitivanja, provjeru stroja, kalibraciju standarda tvrdoće i tablice vrijednosti tvrdoće.

Trenutno objavljena ISO norma za metodu ispitivanja je ISO 6506-1:2014 . Ova norma ostaje važeća, ali se priprema novo izdanje. U ASTM sustavu, trenutna aktivna verzija je ASTM E10-23.

ISO 6506-1 i ASTM E10

Oba dokumenta opisuju Brinellovo ispitivanje tvrdoće metalnih materijala, ali ne treba pretpostavljati da je svaki detalj postupka identičan.
Ako zahtjevi za prihvaćanje, narudžba, dokumentacija kupca ili standard materijala određuju određenu metodu, ispitivanje se mora provesti u skladu s navedenim dokumentom.
To je posebno važno u slučaju:

• prihvatni testovi,
• materijalni certifikati,
• kontrola kvalitete,
• laboratorijska ispitivanja provedena za klijenta,
• usporedbom rezultata iz različitih laboratorija.

Gdje se mjerenje HBW koristi u praksi?

Brinellova tvrdoća se koristi, između ostalog, u:

• metalurgija,
• ljevaonica,
• kovanje,
• proizvodnja strojnih komponenti,
• kontrola građevinskih materijala,
• ispitivanje velikih poluproizvoda od čelika,
• prihvaćanje odljevaka i otkivaka,
• laboratoriji za materijale.

Mjerenje se može provesti i na laboratorijskim uzorcima i izravno na odgovarajuće pripremljenim fragmentima većih elemenata.

Je li HBW materijalna vrijednost?

Tvrdoća nije materijalna konstanta neovisna o uvjetima ispitivanja.
Vrijednost HBW ovisi, između ostalog, o:

• vrsta materijala,
• mikrostrukture,
• stanje toplinske obrade,
• stupanj očvršćavanja,
• uvjeti za izvođenje mjerenja,
• površinsko stanje uzorka.

Stoga, prilikom usporedbe rezultata, uvijek treba obratiti pozornost na uvjete ispitivanja i stanje materijala.

Brinellova tvrdoća i toplinska obrada čelika

HBW može biti vrlo koristan parametar za kontrolu učinkovitosti toplinske obrade.
Promjena mikrostrukture tijekom žarenja, normalizacije, toplinske obrade ili drugih procesa dovodi do promjene tvrdoće.
Mjerenje se stoga može koristiti kao brza metoda za provjeru je li materijal postigao očekivani raspon svojstava.
Međutim, sama tvrdoća ne bi se trebala smatrati potpunom zamjenom za ispitivanje:

• Rm – vlačna čvrstoća,
• Rp0,2 – konvencionalna granica razvlačenja,
• A – ekstenzije,
• KV – udarna čvrstoća.

Dva materijala slične tvrdoće mogu imati različitu duktilnost, udarnu čvrstoću ili žilavost na lom.

Brinellova metoda je klasična i još uvijek vrlo važna metoda za mjerenje tvrdoće metala. Njena osnovna značajka je korištenje volfram-karbidne kuglice i određivanje tvrdoće na temelju promjera trajnog udubljenja.
Najveća prednost HBW metode je mogućnost dobivanja reprezentativnog rezultata za materijale s heterogenom strukturom, zbog čega je metoda posebno popularna pri ispitivanju konstrukcijskih čelika, lijevanog željeza, odljevaka i otkovaka.
Za ispravan rezultat potreban je odgovarajući odabir promjera kuglice, opterećenja, debljine uzorka, udaljenosti između otisaka i pravilna priprema površine.
U tehničkim ispitivanjima treba primjenjivati ​​zahtjeve relevantnih normi, posebno ISO-6506 1 oraz ASTM E10.

Primjena – Pretvarač tvrdoće Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Tvrdoća metala i čelika – metode mjerenja, skale tvrdoće i pretvorba
Tvrdoća po Rockwellu HRC, HRB i HRA – Metoda mjerenja, skale i primjena
Tvrdoća po Brinellu HBW – Metoda mjerenja, skala, formula i primjena
Tvrdoća po Vickersu HV – Metoda mjerenja, formula i primjena
Knoopova tvrdoća HK – Metoda mjerenja, mikrotvrdoća i primjena
Mohsova skala – tablica tvrdoće minerala i materijala
Pretvorba tvrdoće HBW, HRC, HRB i HV – tablice za pretvorbu