קשיות ברינל HBW - שיטת מדידה, קנה מידה, נוסחה ויישום

קשיות ברינל היא אחת השיטות הבסיסיות להערכת קשיות של מתכות וסגסוגות. השיטה כוללת לחיצה על שקע כדורי של טונגסטן קרביד לתוך פני החומר הנבדק ולאחר מכן מדידת קוטר השקע הקבוע שנותר לאחר הסרת העומס. תוצאת הבדיקה מדווחת כ H.B.W..
שיטת ברינל שימושית במיוחד לבדיקת פלדות מבניות, ברזל יצוק, חישולים, יציקות וסגסוגות לא ברזליות. בשל השקע הגדול יחסית שלה, היא מתפקדת היטב גם על חומרים בעלי מבנים הטרוגניים, מכיוון שהתוצאה מכסה שטח גדול יותר של החומר הנבדק בהשוואה לשיטות המשתמשות בשקעים קטנים מאוד.

מה המשמעות של קשיות ברינל HBW?

קשיות ברינל קובעת את עמידותו של חומר בפני דפורמציה פלסטית מקומית המתרחשת כאשר חותך כדורי נלחץ תחת עומס מסוים.
כיום, הכינוי בו משתמשים הוא H.B.W.:

• H – קשיות,
• B – ברינל,
• W – חותך עשוי טונגסטן קרביד.

תיעוד טכני ישן יותר משתמש גם הוא בכינוי HB . עם זאת, מבחן ברינל המודרני מבוצע באמצעות כדור טונגסטן קרביד, כך שהכינוי הנכון לתוצאה הוא HBW.

מהי שיטת ברינל?

הבדיקה מתחילה בבחירת קוטר הכדור וכוח הטעינה המתאים. לאחר מכן הכדור נלחץ כנגד משטח הדגימה למשך זמן מוגדר.
לאחר הסרת העומס, נותרת חותם כדורי קבוע על פני השטח. קוטרו נמדד לרוב בשני כיוונים ניצבים זה לזה.
הערך הממוצע משמש לחישובים:
d = (d₁ + d₂) / 2
איפה:

• ד₁ – קוטר הטביעה בכיוון הראשון,
• ד₂ – קוטר הטביעה בכיוון הניצב,
• d – קוטר ממוצע של ההדפס.

ניתן להציג את מבנה המחקר באופן הבא:
בחירת כדור ← בחירת כוח ← יישום עומס ← החזקת עומס ← הקלה בעומס ← מדידת קוטר הכניסה ← קביעת משקל גוף מלא (HBW)

נוסחת קשיות ברינל

קשיות ברינל קשורה לערך הכוח המופעל ולשטח הטביעה הכדורית.
במערכת SI ניתן לבטא זאת באמצעות הקשר:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
איפה:

• F – כוח טעינה [N],
• D – קוטר הכדור [מ"מ],
• d – קוטר ממוצע של הטביעה [מ"מ],
• 0,102 – מקדם הקשור לאופן ההיסטורי של ביטוי כוח בקילוגרמים-כוח.

ככל שהחותם שנוצר עבור קוטר כדור וכוח נתונים קטן יותר, כך קשיות החומר גדולה יותר.
חומרים רכים מאפשרים לחריץ לחדור עמוק יותר, וכתוצאה מכך קוטר השקע גדול יותר. חומרים קשים מציעים עמידות רבה יותר ומייצרים שקע קטן יותר.

ברינל אינדנטר

כיום, המדחס המשמש בשיטת ברינל הוא כדור קרביד ווֹלפרָם.
על המדחס להיות קשה בהרבה מהחומר הנבדק ועמיד בפני עיוות במהלך המדידה.
עיוות הכדור עצמו יוביל לשינוי בגיאומטריה של המגע עם הדגימה ויגרום לתוצאות שגויות.

קוטר הכדורים המשמשים בשיטת ברינל

בהתאם לסוג החומר, מידות הדגימה והמתודולוגיה הנדרשת, משתמשים בקטרים ​​שונים של מדחס.

יש לבחור את קוטר הכדור בהתאם לחומר הנבדק ולעוביו. כדור גדול מדי או עומס כבד מדי עלולים לגרום לחדירה מוגזמת של הדגימה הדקה.

עומס בדיקת ברינל

כוח הטעינה נבחר בהתאם לקוטר הכדור ולסוג החומר הנבדק.
בפועל, מיושם עקרון שמירה על היחס המתאים בין כוח הטעינה לריבוע קוטר הכדור:
F ∝ D²
בסימון הקילוגרם-כוח המסורתי, ניתן לכתוב את הקשר כך:
F = K × D²
gdzie K הוא מקדם התלוי בקבוצת החומר הנבדק.
על ידי שמירה על יחס מתאים בין כוח לקוטר הכדור, ניתן להשיג תוצאות דומות בעת שימוש בקטרים ​​שונים של חותך.

מקדם עומס של ברינל

גורמי עומס שונים משמשים עבור קבוצות שונות של חומרים. חומרים קשים דורשים עומסים גבוהים יותר, בעוד שחומרים רכים נבדקים בערכים נמוכים יותר.

הבחירה המדויקת של קוטר הכדור, הכוח ומשך העומס צריכה לנבוע מהתקן המתאים וסוג החומר הנבדק.

HBW 10/3000 – מה המשמעות של זה?

אחת המערכות האופייניות ביותר המשמשות בבדיקת פלדה היא:
HBW 10/3000
משמעות הדבר היא שימוש ב:

• כדורי טונגסטן קרביד בקוטר 10 מ"מ,
• כוח התואם לעומס ההיסטורי 3000 ק"ג, כלומר בערך 29,42 kN.

אם התקבל קשיות של 250 בתנאים אלה, ניתן לכתוב את התוצאה כך:
250 HBW 10/3000
סימון הקשיות אמור לאפשר זיהוי התנאים הבסיסיים שבהם בוצעה הבדיקה.

כיצד מודדים את קוטר הטביעה?

לאחר הסרת העומס, קוטר הטביעה נמדד באמצעות מערכת אופטית או דיגיטלית.
המדידה מתבצעת בשני כיוונים ניצבים זה לזה.
אם הרושם נכון ומשטח הדגימה מוכן כראוי, ההפרש בין d₁ ל-d₂ אמור להיות קטן.
בעיות קריאה עלולות להתרחש אם:

• משטח לא אחיד או מחוספס,
• נוכחות של אבנית,
• אניזוטרופיה בולטת של החומר,
• מיקרו-מבנה לא הומוגני,
• דפורמציה של הדגימה,
• עובי קטן מדי של האלמנט הנבדק.

חשיבות הכנת פני השטח

פני השטח של האלמנט הנבדק צריכים לאפשר קביעה מדויקת של גבולות הטביעה.
ליטוש עדין מאוד לא תמיד נדרש, כמו במקרה של מדידות מיקרו-קשיות של ויקרס, אך פני השטח צריכים להיות:

• לְנַקוֹת,
• נקי מאבנית רופפת,
• ללא שריטות עבות,
• שטוח מספיק,
• נתמך באופן יציב במהלך הבחינה.

אסור שטיפול פני השטח יגרום לחימום יתר או ריסוק מקומי שישנו את קשיות שכבת פני השטח.

עובי הדגימה ותוצאת HBW

הרכיב הנבדק חייב להיות בעובי מתאים ביחס לעומק הטביעה המתקבלת.
אם הדגימה דקה מדי, המצע או התמיכה עלולים להשפיע על תוצאת המדידה.
עובי קטן מדי יכול גם להוביל לעיוות גלוי של המשטח הנגדי.
לכן, בחירת קוטר הכדור והעומס צריכה תמיד לקחת בחשבון את עובי האלמנט הנבדק.

מרחק בין טביעות ומקצה הדגימה

אפקט הברינלינג גורם לעיוות פלסטי מקומי לא רק ישירות מתחת לכדור אלא גם באזור כלשהו סביבו.
מסיבה זו, לא ניתן ליצור רשמים עוקבים קרוב מדי זה לזה.
עליך גם לשמור על מרחק מתאים מקצה הרכיב הנבדק.
אם הטביעות נעשות קרוב מדי זו לזו, אזורי העיוות עלולים לחפוף ולהשפיע על תוצאת המדידה הבאה.

היקף היישום של שיטת ברינל

שיטת HBW שימושית במיוחד עבור חומרים שבהם שקע גדול מאפשר מיצוע של הבדלים מיקרו-מבניים מקומיים.
הוא משמש, בין היתר, לבחינת:

• פלדה מבנית,
• פלדות סגסוגת נמוכה,
• פלדה לאחר רִכּוּך i נרמול,
• ברזל יצוק אפור,
• ברזל רקיע,
• פלדה יצוקה,
• חישולים,
• יציקות,
• סגסוגות אלומיניום,
• סגסוגות נְחוֹשֶׁת,
• ברונזה ופליז.

מדוע ברינל עובד היטב על ברזל יצוק ויציקות?

לברזל יצוק ולחומרים יצוקים רבים יש מיקרו-מבנה הטרוגני.
בתוך שטח קטן, עשויים להופיע רכיבים מבניים שונים בעלי קשיות שונה.
עם שקע קטן מאוד, התוצאה יכולה להיות תלויה במידה רבה באיזה רכיב של המיקרו-מבנה פגע השקע.
שקע ברינל גדול מכסה נפח גדול יותר של חומר ומייצר תוצאה ממוצעת מייצגת יותר.
זהו אחד היתרונות הגדולים ביותר של שיטת HBW.

ברינל ופלדות מוקשחות

שיטת ברינל אינה בדרך כלל הבחירה הראשונה למדידה מדויקת במיוחד, מוּקשֶׁה פְּלָדָה.
בקשיות גבוהה, השקע הופך קטן יחסית, מה שמקשה על מדידה מדויקת של קוטרו ומפחית את התועלת המעשית של השיטה.
הבאים נפוצים יותר לבדיקת פלדות מוקשחות:

• רוקוול HRC,
• ויקרס HV.

עם זאת, ברינל נותר שימושי מאוד בטווח קשיות נמוך ובינוני.

ברינל מול רוקוול - ההבדלים החשובים ביותר

ברינל וויקרס - ההבדלים החשובים ביותר

שיטת ויקרס משתמשת במתקן שקע יהלום בצורת פירמידה עם בסיס מרובע. אלכסוני השקע נמדדים, לא קוטרו.
ויקרס מאפשר בדיקה של מגוון רחב מאוד של קשיות ושטחים קטנים בהרבה של החומר.
עם זאת, ברינל יתרון במיוחד כאשר נדרש ערך המייצג שטח חומר גדול יותר.

יתרונות שיטת ברינל

היתרונות החשובים ביותר כוללים:

• חזרתיות טובה של מדידה עם הכנת דגימה נכונה,
• חותם גדול המייצג ממוצע של ההטרוגניות של המבנה,
• יישום טוב מאוד ליציקות וחישולים,
• אפשרות לבדיקת פלדה, ברזל יצוק וסגסוגות מתכות לא ברזליות רבות,
• מסורת תעשייתית ארוכה וזמינות רחבה של נתונים השוואתיים,
• אפשרות של קשר משוער בין קשיות לחוזק מתיחה עבור פלדות מסוימות.

חסרונות ומגבלות של שיטת ברינל

לשיטה יש גם מגבלות:

• משאיר חותם קבוע יחסית גדול,
• לא מתאים במיוחד לאלמנטים דקים מאוד,
• אינה השיטה הטובה ביותר עבור פלדות קשות מאוד,
• דורש מדידה אופטית של קוטר ההטבעה,
• איטי יותר משיטת רוקוול,
• לא מתאים לבדיקת אזורים קטנים מאוד של מיקרו-מבנה,
• משטח הדגימה חייב לאפשר קריאה נכונה של גבול הטביעה.

קשיות ברינל וחוזק מתיחה Rm

עבור פלדות פחמן רבות וסגסוגת נמוכה, קיים קשר משוער בין קשיות ברינל לחוזק מתיחה.
בערך, ניתן למצוא את הקשר הבא:
Rm ≈ 3,4–3,6 × משקל גוף עמוק
איפה:

• Rm – חוזק מתיחה [MPa],
• H.B.W. – קשיות ברינל.

לדוגמה, עבור קשיות של כ-200 HBW, ניתן לקבל:
Rm ≈ 700 מגה פסקל
עם זאת, קשר זה הוא משוער ואינו אמור להיות מיושם באופן אוטומטי על כל החומרים.
יש לנקוט משנה זהירות לגבי:

• פלדות אל חלד אוסטניטיות,
• פלדת דופלקס וסופר-דופלקס,
• פלדות מוקשחות במשקעים,
• בַּרזֶל יְצִיקָה,
• סגסוגות אלומיניום,
• סגסוגות ניקל.

המרת HBW ל-HRC ו-HV

בפרקטיקה התעשייתית, לעתים קרובות יש צורך להשוות את תוצאת ברינל לקשיות רוקוול או ויקרס.
יש לבצע המרה כזו על סמך טבלאות המרה מתאימות.
אין קשר מתמטי אוניברסלי אחד התקף לכל המתכות.
דוגמאות לערכים משוערים עבור פלדה:

יש להתייחס לערכים כקירוב. חישובים מדויקים תלויים בסוג החומר הנבדק ובטווח הקשיות שלו.

שגיאות בעת מדידת קשיות ברינל

מקורות השגיאה הנפוצים ביותר כוללים:

• משטח שלא הוכן כראוי,
• בחירה שגויה של קוטר הכדור,
• עומס קטן מדי או גדול מדי,
• דגימה דקה מדי,
• יוצר רושם קרוב מדי לקצה,
• יצירת רשמים עוקבים קרובים מדי זה לזה,
• מדידה שגויה של קוטר ההטבעה,
• עיוות או שחיקה של המחבר,
• תמיכה לא יציבה של האלמנט הנבדק,
• מכונת מדידת קשיות שאומתה באופן שגוי.

תקנים לשיטת ברינל

התקן הבינלאומי הבסיסי לבדיקת קשיות ברינל הוא ISO 6506.
הסדרה כוללת, בין היתר, דרישות לשיטת הבדיקה עצמה, בדיקת מכונה, כיול של תקני קשיות וטבלאות של ערכי קשיות.

תקן שיטת הבדיקה הנוכחי שפורסם על ידי ISO הוא ISO 6506-1:2014 . תקן זה נותר בתוקף, אך מהדורה חדשה נמצאת בהכנה. במערכת ASTM, הגרסה הפעילה הנוכחית היא ASTM E10-23.

ISO 6506-1 ו-ASTM E10

שני המסמכים מתארים את בדיקת הקשיות של ברינל של חומרים מתכתיים, אך אין להניח שכל פרט בהליך זהה.
אם דרישות הקבלה, ההזמנה, תיעוד הלקוח או תקן החומרים מציינים שיטה ספציפית, יש לבצע את הבדיקה בהתאם למסמך שאליו מתייחסים.
זה חשוב במיוחד במקרה של:

• מבחני קבלה,
• תעודות חומר,
• בקרת איכות,
• בדיקות מעבדה שבוצעו עבור הלקוח,
• השוואת תוצאות ממעבדות שונות.

היכן משתמשים בפועל במדידת HBW?

קשיות ברינל משמשת, בין היתר, ב:

• מֵטַלוּרגִיָה,
• בֵּית יְצִיקָה,
• לְטִישָׁה,
• ייצור רכיבי מכונות,
• שליטה על חומרי בניין,
• בדיקות של מוצרי פלדה גדולים למחצה מוגמרים,
• קבלת יציקות וחישולים,
• מעבדות חומרים.

ניתן לבצע את המדידה הן על דגימות מעבדה והן ישירות על שברי יסודות גדולים יותר שהוכנו כראוי.

האם HBW הוא ערך מהותי?

קשיות אינה קבועה של חומר שאינה תלויה בתנאי הבדיקה.
ערך ה-HBW תלוי, בין היתר, ב:

• סוג החומר,
• מיקרו-מבנים,
• מצב טיפול בחום,
• מידת התקשות העבודה,
• תנאים לביצוע המדידה,
• מצב פני השטח של הדגימה.

לכן, בעת השוואת תוצאות, יש לשים לב תמיד לתנאי הבדיקה ולמצב החומר.

קשיות ברינל וטיפול בחום של פלדה

HBW יכול להיות פרמטר שימושי מאוד לשליטה על יעילות הטיפול בחום.
שינוי במיקרו-מבנה במהלך חישול, נרמול, טיפול בחום או תהליכים אחרים מוביל לשינוי בקשיות.
לכן, ניתן להשתמש במדידה כשיטה מהירה לבדיקה האם החומר השיג את טווח התכונות הצפוי.
עם זאת, אין להתייחס לקשיות לבדה כתחליף מלא לבדיקה:

• Rm – חוזק מתיחה,
• Rp0,2 – חוזק כניעה קונבנציונלי,
• א – הרחבות,
• KV – חוזק פגיעה.

לשני חומרים בעלי קשיות דומה עשויות להיות גמישות, חוזק פגיעה או קשיחות שבר שונים.

שיטת ברינל היא שיטה קלאסית ועדיין חשובה מאוד למדידת קשיות מתכות. המאפיין הבסיסי שלה הוא שימוש בכדור טונגסטן קרביד וקביעת קשיות על סמך קוטר השקע הקבוע.
היתרון הגדול ביותר של HBW הוא היכולת לקבל תוצאה מייצגת עבור חומרים בעלי מבנה הטרוגני, ולכן השיטה פופולרית במיוחד בעת בדיקת פלדות מבניות, ברזל יצוק, יציקות וחומרי חישול.
התוצאה הנכונה דורשת בחירה מתאימה של קוטר הכדור, עומס, עובי הדגימה, מרחק בין טביעה והכנת פני השטח נכונה.
בבדיקות טכניות, יש ליישם את דרישות התקנים הרלוונטיים, במיוחד ISO-6506 1 oraz ASTM E10.

יישום – ממיר קשיות Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

קשיות מתכות ופלדות - שיטות מדידה, סולמות קשיות והמרה
קשיות רוקוול HRC, HRB ו-HRA - שיטת מדידה, סולמות ויישומים
קשיות ברינל HBW - שיטת מדידה, קנה מידה, נוסחה ויישום
קשיות ויקרס HV - שיטת מדידה, נוסחה ויישום
קשיות קנופ HK – שיטת מדידה, מיקרו-קשיות ויישום
סולם מוס - טבלה של קשיות מינרלים וחומרים
המרת קשיות HBW, HRC, HRB ו-HV – טבלאות המרה