Kekerasan Brinell HBW – Kaedah Pengukuran, Skala, Formula dan Aplikasi

Kekerasan Brinell merupakan salah satu kaedah asas untuk menilai kekerasan logam dan aloi. Kaedah ini melibatkan penekanan lekukan tungsten karbida sfera ke dalam permukaan bahan yang diuji dan kemudian mengukur diameter lekukan kekal yang tinggal selepas beban dikeluarkan. Keputusan ujian dilaporkan sebagai HBW.
Kaedah Brinell amat berguna untuk menguji keluli struktur, besi tuang, tempaan, tuangan dan aloi bukan ferus. Disebabkan lekukannya yang agak besar, ia juga berfungsi dengan baik pada bahan dengan struktur heterogen, kerana hasilnya meliputi kawasan bahan yang diuji yang lebih besar berbanding kaedah yang menggunakan lekukan yang sangat kecil.

Apakah maksud kekerasan Brinell HBW?

Kekerasan Brinell menentukan rintangan bahan terhadap ubah bentuk plastik setempat yang berlaku apabila indentor sfera ditekan di bawah beban tertentu.
Pada masa kini, gelaran yang digunakan ialah HBW:

• H – kekerasan,
• B – Brinell,
• W – indentor yang diperbuat daripada tungsten karbida.

Dokumentasi teknikal yang lebih lama juga menggunakan gelaran HB . Walau bagaimanapun, ujian Brinell moden dilakukan menggunakan bola tungsten karbida, jadi gelaran yang betul untuk hasilnya ialah HBW.

Apakah kaedah Brinell?

Ujian bermula dengan memilih diameter bola dan daya pembebanan yang sesuai. Bola kemudian ditekan pada permukaan sampel untuk tempoh masa yang ditentukan.
Selepas beban dikeluarkan, jejak sfera kekal kekal di permukaan. Diameternya paling kerap diukur dalam dua arah yang saling berserenjang.
Nilai purata digunakan untuk pengiraan:
d = (d₁ + d₂) / 2
di mana:

• d₁ – diameter cetakan pada arah pertama,
• d₂ – diameter cetakan dalam arah tegak lurus,
• d – diameter purata cetakan.

Reka bentuk kajian boleh dibentangkan seperti berikut:
pemilihan bola → pemilihan daya → aplikasi beban → pegangan beban → pelepasan beban → pengukuran diameter lekukan → penentuan HBW

Formula kekerasan Brinell

Kekerasan Brinell berkaitan dengan nilai daya yang dikenakan dan luas jejak sfera.
Dalam sistem SI, ia boleh dinyatakan melalui hubungan:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
di mana:

• F – daya pemuatan [N],
• D – diameter bola [mm],
• d – diameter purata cetakan [mm],
• 0,102 – pekali yang berkaitan dengan cara sejarah menyatakan daya dalam kilogram-daya.

Semakin kecil jejak yang terhasil untuk diameter dan daya bola tertentu, semakin besar kekerasan bahan tersebut.
Bahan lembut membolehkan lekukan menembusi lebih dalam, menghasilkan diameter lekukan yang lebih besar. Bahan keras menawarkan rintangan yang lebih besar dan menghasilkan lekukan yang lebih kecil.

Indentor Brinell

Pada masa kini, indentor yang digunakan dalam kaedah Brinell ialah bola karbida tungsten.
Indentor mestilah jauh lebih keras daripada bahan yang diuji dan tahan terhadap ubah bentuk semasa pengukuran.
Ubah bentuk bola itu sendiri akan menyebabkan perubahan dalam geometri sentuhan dengan sampel dan akan menyebabkan keputusan yang salah.

Diameter bola yang digunakan dalam kaedah Brinell

Bergantung pada jenis bahan, dimensi sampel dan metodologi yang diperlukan, diameter indentor yang berbeza digunakan.

Diameter bola mesti dipilih dengan sewajarnya untuk bahan yang diuji dan ketebalannya. Bola yang terlalu besar atau beban yang terlalu berat boleh mengakibatkan penembusan sampel yang nipis secara berlebihan.

Beban ujian Brinell

Daya pemuatan dipilih bergantung pada diameter bola dan jenis bahan yang diuji.
Dalam praktiknya, prinsip mengekalkan perkadaran yang sesuai antara daya pembebanan dan kuasa dua diameter bola digunakan:
F ∝ D²
Dalam notasi daya kilogram tradisional, hubungan tersebut boleh ditulis sebagai:
F = K × D²
di mana K ialah pekali yang bergantung kepada kumpulan bahan yang diuji.
Dengan mengekalkan nisbah daya kepada diameter bola yang sesuai, adalah mungkin untuk memperoleh hasil yang setanding apabila menggunakan diameter indenter yang berbeza.

Faktor Beban Brinell

Faktor beban yang berbeza digunakan untuk kumpulan bahan yang berbeza. Bahan keras memerlukan beban yang lebih tinggi, manakala bahan lembut diuji pada nilai yang lebih rendah.

Pemilihan diameter bola, daya dan tempoh beban yang tepat hendaklah hasil daripada piawaian dan jenis bahan yang diuji.

HBW 10/3000 – apakah maksudnya?

Salah satu sistem yang paling khas yang digunakan dalam pengujian keluli ialah:
HBW 10/3000
Ini bermakna menggunakan:

• bola tungsten karbida dengan diameter 10 mm,
• daya yang sepadan dengan beban sejarah 3000 kg, iaitu lebih kurang 29,42 kN.

Jika kekerasan 250 diperoleh di bawah syarat-syarat ini, hasilnya boleh ditulis sebagai:
250 HBW 10/3000
Penandaan kekerasan hendaklah membolehkan pengenalpastian keadaan asas di mana ujian dijalankan.

Bagaimanakah diameter cetakan diukur?

Selepas menanggalkan beban, diameter cetakan diukur menggunakan sistem optik atau digital.
Pengukuran dilakukan dalam dua arah yang saling berserenjang.
Jika cetakan adalah betul dan permukaan sampel disediakan dengan betul, perbezaan antara d₁ dan d₂ sepatutnya kecil.
Masalah membaca mungkin berlaku jika:

• permukaan yang tidak rata atau kasar,
• kehadiran skala,
• anisotropi bahan yang ketara,
• mikrostruktur yang tidak homogen,
• ubah bentuk sampel,
• ketebalan elemen yang diuji terlalu kecil.

Kepentingan penyediaan permukaan

Permukaan elemen yang diuji hendaklah membolehkan penentuan sempadan cetakan yang tepat.
Penggilapan yang sangat halus tidak selalu diperlukan, seperti halnya dengan pengukuran kekerasan mikro Vickers, tetapi permukaannya harus:

• bersih,
• bebas daripada skala longgar,
• bebas daripada calar tebal,
• cukup rata,
• disokong dengan stabil semasa peperiksaan.

Rawatan permukaan juga tidak boleh menyebabkan pemanasan melampau atau penghancuran setempat yang akan mengubah kekerasan lapisan permukaan.

Ketebalan sampel dan keputusan HBW

Elemen yang diuji mestilah mempunyai ketebalan yang sesuai berhubung dengan kedalaman cetakan yang terhasil.
Jika sampel terlalu nipis, substrat atau sokongan boleh menjejaskan keputusan pengukuran.
Ketebalan yang terlalu kecil juga boleh menyebabkan ubah bentuk permukaan yang bertentangan kelihatan.
Oleh itu, pemilihan diameter dan beban bola harus sentiasa mengambil kira ketebalan elemen yang diuji.

Jarak antara teraan dan dari tepi sampel

Kesan pengairan air menyebabkan ubah bentuk plastik setempat bukan sahaja terus di bawah bola tetapi juga di beberapa kawasan di sekelilingnya.
Atas sebab ini, tanggapan seterusnya tidak boleh dibuat terlalu dekat antara satu sama lain.
Anda juga harus mengekalkan jarak yang sesuai dari tepi elemen yang diuji.
Jika cetakan dibuat terlalu rapat antara satu sama lain, zon ubah bentuk mungkin bertindih dan menjejaskan hasil pengukuran seterusnya.

Skop aplikasi kaedah Brinell

Kaedah HBW amat berguna untuk bahan yang mempunyai lekukan yang besar membolehkan purata perbezaan mikrostruktur tempatan.
Ia digunakan, antara lain, untuk memeriksa:

• keluli struktur,
• keluli aloi rendah,
• keluli selepas penyepuhlindapan i menormalkan,
• besi tuang kelabu,
• besi mulur,
• keluli tuang,
• tempaan,
• tuangan,
• aloi aluminium,
• aloi tembaga,
• gangsa dan loyang.

Mengapakah Brinell berfungsi dengan baik pada besi tuang dan tuangan?

Besi tuang dan banyak bahan tuang mempunyai mikrostruktur yang heterogen.
Dalam kawasan yang kecil, komponen struktur yang berbeza dengan kekerasan yang berbeza mungkin berlaku.
Dengan lekukan yang sangat kecil, hasilnya mungkin banyak bergantung pada komponen mikrostruktur yang terkena indenter.
Lekukan Brinell yang besar meliputi isipadu bahan yang lebih besar dan menghasilkan hasil purata yang lebih representatif.
Ini adalah salah satu kelebihan terbesar kaedah HBW.

Brinell dan keluli yang dikeraskan

Kaedah Brinell biasanya bukan pilihan pertama untuk mengukur dengan sangat teliti, mengeras keluli.
Pada kekerasan yang tinggi, lekukan menjadi agak kecil, yang menjadikannya sukar untuk mengukur diameternya dengan tepat dan mengurangkan kegunaan praktikal kaedah tersebut.
Berikut adalah yang lebih biasa digunakan untuk menguji keluli yang dikeraskan:

• Rockwell HRC,
• Vickers HV.

Walau bagaimanapun, Brinell kekal sangat berguna dalam julat kekerasan yang lebih rendah dan sederhana.

Brinell vs. Rockwell – perbezaan yang paling penting

Brinell dan Vickers – perbezaan yang paling penting

Kaedah Vickers menggunakan lekukan berlian berbentuk seperti piramid dengan tapak segi empat sama. Pepenjuru lekukan diukur, bukan diameternya.
Vickers membolehkan pengujian pelbagai kekerasan dan kawasan bahan yang jauh lebih kecil.
Walau bagaimanapun, Brinell amat berfaedah apabila nilai yang mewakili kawasan bahan yang lebih besar diperlukan.

Kelebihan kaedah Brinell

Kelebihan yang paling penting termasuk:

• kebolehulangan pengukuran yang baik dengan penyediaan sampel yang betul,
• jejak besar yang menganggarkan heterogeniti struktur,
• aplikasi yang sangat baik untuk tuangan dan tempaan,
• kemungkinan menguji keluli, besi tuang dan banyak aloi logam bukan ferus,
• tradisi perindustrian yang panjang dan ketersediaan data perbandingan yang luas,
• kemungkinan hubungan anggaran antara kekerasan dan kekuatan tegangan untuk sesetengah keluli.

Kelemahan dan batasan kaedah Brinell

Kaedah ini juga mempunyai batasan:

• meninggalkan kesan kekal yang agak besar,
• tidak sesuai untuk elemen yang sangat nipis,
• bukanlah kaedah terbaik untuk keluli yang sangat keras,
• memerlukan pengukuran optik diameter cetakan,
• lebih perlahan daripada kaedah Rockwell,
• tidak sesuai untuk memeriksa kawasan mikrostruktur yang sangat kecil,
• permukaan sampel mesti membolehkan bacaan sempadan cetakan yang betul.

Kekerasan Brinell dan kekuatan tegangan Rm

Bagi kebanyakan keluli karbon dan aloi rendah, terdapat hubungan anggaran antara kekerasan Brinell dan kekuatan tegangan.
Secara lebih kurang, hubungan berikut boleh didapati:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
di mana:

• Rm – kekuatan tegangan [MPa],
• HBW – Kekerasan Brinell.

Contohnya, untuk kekerasan kira-kira 200 HBW, seseorang boleh mendapatkan:
Rm ≈ 700 MPa
Walau bagaimanapun, hubungan ini adalah anggaran dan tidak boleh digunakan secara automatik untuk semua bahan.
Perhatian khusus perlu diambil untuk:

• keluli tahan karat austenit,
• keluli dupleks dan superdupleks,
• keluli pengerasan pemendakan,
• besi tuang,
• aloi aluminium,
• aloi nikel.

Menukar HBW kepada HRC dan HV

Dalam amalan perindustrian, sering kali perlu membandingkan keputusan Brinell dengan kekerasan Rockwell atau Vickers.
Penukaran sedemikian hendaklah dilakukan berdasarkan jadual penukaran yang sesuai.
Tiada satu hubungan matematik universal yang sah untuk semua logam.
Contoh nilai anggaran untuk keluli:

Nilai-nilai tersebut hendaklah dianggap anggaran. Pengiraan yang tepat bergantung pada jenis bahan yang diuji dan julat kekerasannya.

Kesilapan semasa mengukur kekerasan Brinell

Sumber ralat yang paling biasa termasuk:

• permukaan yang tidak disediakan dengan betul,
• pemilihan diameter bola yang salah,
• beban yang terlalu sedikit atau terlalu banyak,
• sampel yang terlalu nipis,
• membuat kesan terlalu dekat dengan tepi,
• membuat tanggapan seterusnya terlalu dekat antara satu sama lain,
• pengukuran diameter cetakan yang salah,
• ubah bentuk atau haus pada indentor,
• sokongan elemen yang diuji tidak stabil,
• mesin pengukur kekerasan yang disahkan secara salah.

Piawaian untuk kaedah Brinell

Piawaian antarabangsa asas untuk ujian kekerasan Brinell ialah ISO 6506.
Siri ini merangkumi, antara lain, keperluan untuk kaedah ujian itu sendiri, pemeriksaan mesin, penentukuran piawaian kekerasan dan jadual nilai kekerasan.

Piawaian kaedah ujian ISO yang diterbitkan semasa ialah ISO 6506-1:2014 . Piawaian ini kekal terkini, tetapi edisi baharu sedang disediakan. Dalam sistem ASTM, versi aktif semasa ialah ASTM E10-23.

ISO 6506-1 dan ASTM E10

Kedua-dua dokumen menerangkan ujian kekerasan Brinell bahan logam, tetapi tidak boleh diandaikan bahawa setiap butiran prosedur adalah sama.
Jika keperluan penerimaan, pesanan, dokumentasi pelanggan atau piawaian bahan menyatakan kaedah tertentu, ujian mesti dijalankan mengikut dokumen yang dirujuk.
Ini amat penting terutamanya dalam kes:

• ujian penerimaan,
• sijil bahan,
• kawalan kualiti,
• ujian makmal yang dijalankan untuk klien,
• membandingkan keputusan daripada makmal yang berbeza.

Di manakah pengukuran HBW digunakan dalam amalan?

Kekerasan Brinell digunakan, antara lain, dalam:

• metalurgi,
• faundri,
• penempaan,
• pengeluaran komponen mesin,
• kawalan bahan binaan,
• pengujian produk keluli separa siap yang besar,
• penerimaan tuangan dan tempaan,
• makmal bahan.

Pengukuran boleh dilakukan pada sampel makmal dan secara langsung pada serpihan unsur yang lebih besar yang disediakan dengan sewajarnya.

Adakah HBW bernilai material?

Kekerasan bukanlah pemalar bahan yang bebas daripada keadaan ujian.
Nilai HBW bergantung kepada, antara lain:

• jenis bahan,
• mikrostruktur,
• status rawatan haba,
• tahap pengerasan kerja,
• syarat-syarat untuk melakukan pengukuran,
• keadaan permukaan sampel.

Oleh itu, apabila membandingkan keputusan, perhatian harus sentiasa diberikan kepada keadaan ujian dan keadaan bahan tersebut.

Kekerasan Brinell dan rawatan haba keluli

HBW boleh menjadi parameter yang sangat berguna untuk mengawal keberkesanan rawatan haba.
Perubahan dalam mikrostruktur semasa penyepuhlindapan, penormalan, rawatan haba atau proses lain membawa kepada perubahan kekerasan.
Oleh itu, pengukuran ini boleh digunakan sebagai kaedah pantas untuk memeriksa sama ada bahan tersebut telah mencapai julat sifat yang dijangkakan.
Walau bagaimanapun, kekerasan sahaja tidak boleh dianggap sebagai pengganti lengkap untuk ujian:

• Rm – kekuatan tegangan,
• Rp0,2 – kekuatan alah konvensional,
• A – sambungan,
• KV – kekuatan hentaman.

Dua bahan yang mempunyai kekerasan yang sama mungkin mempunyai kemuluran, kekuatan hentaman atau ketahanan patah yang berbeza.

Kaedah Brinell merupakan kaedah klasik dan masih sangat penting untuk mengukur kekerasan logam. Ciri asasnya ialah penggunaan bola tungsten karbida dan menentukan kekerasan berdasarkan diameter lekukan kekal.
Kelebihan terbesar HBW ialah keupayaan untuk mendapatkan hasil yang representatif untuk bahan dengan struktur heterogen, oleh itu kaedah ini amat popular apabila menguji keluli struktur, besi tuang, tuangan dan tempaan.
Hasil yang betul memerlukan pemilihan diameter bola, beban, ketebalan sampel, jarak antara cetakan dan penyediaan permukaan yang betul.
Dalam ujian teknikal, keperluan piawaian yang berkaitan harus diguna pakai, terutamanya ISO-6506 1 oraz ASTM E10.

Aplikasi – Penukar kekerasan Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Kekerasan logam dan keluli – kaedah pengukuran, skala kekerasan dan penukaran
Kekerasan Rockwell HRC, HRB dan HRA – Kaedah Pengukuran, Skala dan Aplikasi
Kekerasan Brinell HBW – Kaedah Pengukuran, Skala, Formula dan Aplikasi
Kekerasan Vickers HV – Kaedah Pengukuran, Formula dan Aplikasi
Kekerasan Knoop HK – Kaedah Pengukuran, Mikrokekerasan dan Aplikasi
Skala Mohs – jadual kekerasan mineral dan bahan
Jadual penukaran – penukaran kekerasan HBW, HRC, HRB dan HV