Fortësia Brinell HBW – Metoda e Matjes, Shkalla, Formula dhe Zbatimi

Fortësia Brinell është një nga metodat themelore për vlerësimin e fortësisë së metaleve dhe lidhjeve. Metoda përfshin shtypjen e një dhëmbësi sferik prej karbidi tungsteni në sipërfaqen e materialit që testohet dhe më pas matjen e diametrit të dhëmbëzimit të përhershëm që mbetet pasi të hiqet ngarkesa. Rezultati i testit raportohet si H.B.W..
Metoda Brinell është veçanërisht e dobishme për testimin e çelikëve strukturorë, gizave, farkëtimeve, derdhjeve dhe lidhjeve jo-ferroze. Për shkak të indentacionit të saj relativisht të madh, ajo gjithashtu funksionon mirë në materiale me struktura heterogjene, pasi rezultati mbulon një sipërfaqe më të madhe të materialit të testuar sesa metodat që përdorin indentacione shumë të vogla.

Çfarë do të thotë fortësia Brinell HBW?

Fortësia e Brinellit përcakton rezistencën e një materiali ndaj deformimit plastik lokal që ndodh kur një indenter sferik shtypet nën një ngarkesë specifike.
Në ditët e sotme, emërtimi i përdorur është H.B.W.:

• H – fortësia,
• B – Brinell,
• W – dhëmbëzues i bërë nga karbiti i tungstenit.

Dokumentacioni teknik më i vjetër përdor gjithashtu përcaktimin HB . Megjithatë, testi modern Brinell kryhet duke përdorur një top karbidi tungsteni, kështu që përcaktimi i saktë për rezultatin është HBW.

Çfarë është metoda Brinell?

Testi fillon duke zgjedhur diametrin e topit dhe forcën e duhur të ngarkimit. Topi më pas shtypet kundër sipërfaqes së mostrës për një kohë të caktuar.
Pasi hiqet ngarkesa, në sipërfaqe mbetet një gjurmë e përhershme sferike. Diametri i saj matet më shpesh në dy drejtime reciprokisht pingule.
Vlera mesatare përdoret për llogaritjet:
d = (d₁ + d₂) / 2
ku:

• d₁ – diametri i gjurmës në drejtimin e parë,
• d₂ – diametri i gjurmës në drejtimin pingul,
• d – diametri mesatar i shtypit.

Dizajni i studimit mund të paraqitet si më poshtë:
përzgjedhja e topit → përzgjedhja e forcës → aplikimi i ngarkesës → mbajtja e ngarkesës → lehtësimi i ngarkesës → matja e diametrit të indentacionit → përcaktimi i HBW

Formula e fortësisë Brinell

Fortësia e Brinell lidhet me vlerën e forcës së aplikuar dhe zonën e gjurmës sferike.
Në sistemin SI, kjo mund të shprehet me anë të marrëdhënies:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
ku:

• F – forca e ngarkimit [N],
• D – diametri i topit [mm],
• d – diametri mesatar i gjurmës [mm],
• 0,102 – një koeficient që lidhet me mënyrën historike të shprehjes së forcës në kilogramë-forcë.

Sa më i vogël të jetë gjurma e krijuar për një diametër dhe forcë të caktuar të topit, aq më e madhe është fortësia e materialit.
Materialet e buta lejojnë që dhëmbëzuesi të depërtojë më thellë, duke rezultuar në një diametër më të madh të dhëmbëzimit. Materialet e forta ofrojnë rezistencë më të madhe dhe prodhojnë një dhëmbëzim më të vogël.

Indenter Brinell

Në ditët e sotme, dhëmbëzuesi i përdorur në metodën Brinell është top karbidi tungsten.
Indenteri duhet të jetë shumë më i fortë se materiali që testohet dhe rezistent ndaj deformimit gjatë matjes.
Deformimi i vetë topit do të çonte në një ndryshim në gjeometrinë e kontaktit me mostrën dhe do të shkaktonte rezultate të gabuara.

Diametrat e topave të përdorur në metodën Brinell

Në varësi të llojit të materialit, dimensioneve të mostrës dhe metodologjisë së kërkuar, përdoren diametra të ndryshëm të dhëmbëzuesit.

Diametri i topit duhet të zgjidhet në mënyrë të përshtatshme për materialin që testohet dhe trashësinë e tij. Një top shumë i madh ose një ngarkesë shumë e rëndë mund të rezultojë në depërtim të tepërt të mostrës së hollë.

Ngarkesa e testit Brinell

Forca e ngarkimit zgjidhet në varësi të diametrit të topit dhe llojit të materialit që testohet.
Në praktikë, zbatohet parimi i ruajtjes së proporcionit të duhur midis forcës së ngarkimit dhe katrorit të diametrit të topit:
F ∝ D²
Në notacionin tradicional kilogram-forcë, marrëdhënia mund të shkruhet si:
F = K × D²
Gdzie K është një koeficient që varet nga grupi i materialit të testuar.
Duke ruajtur raportin e duhur të forcës ndaj diametrit të topit, është e mundur të merren rezultate të krahasueshme kur përdoren diametra të ndryshëm të dhëmbëzuesit.

Faktori i Ngarkesës Brinell

Për grupe të ndryshme materialesh përdoren faktorë të ndryshëm ngarkese. Materialet e forta kërkojnë ngarkesa më të larta, ndërsa materialet e buta testohen në vlera më të ulëta.

Përzgjedhja e saktë e diametrit të topit, forcës dhe kohëzgjatjes së ngarkesës duhet të rezultojë nga standardi dhe lloji i duhur i materialit që testohet.

HBW 10/3000 – çfarë do të thotë?

Një nga sistemet më karakteristike të përdorura në testimin e çelikut është:
HBW 10/3000
Kjo do të thotë të përdoret:

• topa karbidi tungsteni me një diametër 10 mm,
• forcë që korrespondon me ngarkesën historike 3000 kgff, d.m.th. afërsisht 29,42 kN.

Nëse në këto kushte është marrë një fortësi prej 250, rezultati mund të shkruhet si:
250 HBW 10/3000
Shënimi i fortësisë duhet të mundësojë identifikimin e kushteve themelore në të cilat është kryer testi.

Si matet diametri i një përshtypjeje?

Pas heqjes së ngarkesës, diametri i gjurmës matet duke përdorur një sistem optik ose dixhital.
Matja kryhet në dy drejtime reciprokisht pingule.
Nëse përshtypja është e saktë dhe sipërfaqja e mostrës është përgatitur siç duhet, ndryshimi midis d₁ dhe d₂ duhet të jetë i vogël.
Probleme me leximin mund të shfaqen nëse:

• sipërfaqe e pabarabartë ose e ashpër,
• prania e shkallës,
• anizotropi e theksuar e materialit,
• mikrostrukturë jo-homogjene,
• deformimi i mostrës,
• trashësi shumë e vogël e elementit të testuar.

Rëndësia e përgatitjes së sipërfaqes

Sipërfaqja e elementit të testuar duhet të mundësojë përcaktimin e saktë të kufijve të gjurmës.
Lëmimi shumë i imët nuk kërkohet gjithmonë, siç është rasti me matjet e mikrofortësisë Vickers, por sipërfaqja duhet të jetë:

• i pastër,
• pa luspa të lirshme,
• pa gërvishtje të trasha,
• mjaftueshëm i sheshtë,
• mbështetur në mënyrë të qëndrueshme gjatë ekzaminimit.

Trajtimi sipërfaqësor gjithashtu nuk duhet të shkaktojë mbinxehje lokale ose thërrmim që do të ndryshonte fortësinë e shtresës sipërfaqësore.

Trashësia e mostrës dhe rezultati HBW

Elementi i testuar duhet të ketë trashësi të përshtatshme në lidhje me thellësinë e gjurmës që rezulton.
Nëse mostra është shumë e hollë, substrati ose mbështetësja mund të ndikojë në rezultatin e matjes.
Trashësia shumë e vogël mund të çojë gjithashtu në deformim të dukshëm të sipërfaqes së kundërt.
Prandaj, zgjedhja e diametrit të topit dhe ngarkesës duhet të marrë gjithmonë parasysh trashësinë e elementit të testuar.

Distanca midis përshtypjeve dhe nga skaji i mostrës

Efekti i brinelizimit shkakton deformim plastik lokal jo vetëm direkt nën top, por edhe në një zonë përreth tij.
Për këtë arsye, përshtypjet pasuese nuk mund të bëhen shumë afër njëra-tjetrës.
Gjithashtu duhet të ruani një distancë të përshtatshme nga buza e elementit të testuar.
Nëse përshtypjet bëhen shumë afër njëra-tjetrës, zonat e deformimit mund të mbivendosen dhe të ndikojnë në rezultatin e matjes tjetër.

Fusha e zbatimit të metodës Brinell

Metoda HBW është veçanërisht e dobishme për materialet ku një indentacion i madh lejon mesatarizimin e ndryshimeve lokale mikrostrukturore.
Përdoret, ndër të tjera, për të shqyrtuar:

• çelik strukturor,
• çelikë me aliazh të ulët,
• çeliku pas kalitje i normalizues,
• gize gri,
• hekur i dukshëm,
• çelik i derdhur,
• farkëtime,
• derdhje,
• lidhjet e aluminit,
• lidhjeve bakër,
• bronz dhe bronz.

Pse Brinell funksionon mirë në gizë dhe derdhje?

Gizat dhe shumë materiale të derdhura kanë një mikrostrukturë heterogjene.
Brenda një zone të vogël, mund të gjenden përbërës të ndryshëm strukturorë me fortësi të ndryshme.
Me një gropëzim shumë të vogël, rezultati mund të varet kryesisht nga komponenti i mikrostrukturës që goditi gropëzuesi.
Një indentacion i madh Brinell mbulon një vëllim më të madh materiali dhe prodhon një rezultat mesatar më përfaqësues.
Ky është një nga avantazhet më të mëdha të metodës HBW.

Çeliku Brinell dhe çeliku i ngurtësuar

Metoda Brinell zakonisht nuk është zgjedhja e parë për matje shumë të forta, i ngurtësuar çelik.
Në fortësi të lartë, gropëza bëhet relativisht e vogël, gjë që e bën të vështirë matjen e saktë të diametrit të saj dhe zvogëlon dobinë praktike të metodës.
Më poshtë përdoren më shpesh për të testuar çelikët e ngurtësuar:

• Rockwell HRC,
• Vickers HV.

Megjithatë, Brinell mbetet shumë i dobishëm në diapazonin e fortësisë së ulët dhe të mesme.

Brinell vs. Rockwell – ndryshimet më të rëndësishme

Brinell vs. Vickers – ndryshimet më të rëndësishme

Metoda Vickers përdor një dhëmbëzues diamanti në formën e një piramide me bazë katrore. Maten diagonalet e dhëmbëzimit, jo diametri i tij.
Vickers lejon testimin e një game shumë të gjerë fortësish dhe sipërfaqesh shumë më të vogla të materialit.
Brinell, nga ana tjetër, është veçanërisht i favorshëm kur nevojitet një vlerë që përfaqëson një sipërfaqe më të madhe materiali.

Avantazhet e metodës Brinell

Përparësitë më të rëndësishme përfshijnë:

• përsëritshmëri e mirë e matjes me përgatitjen e duhur të mostrës,
• një gjurmë e madhe që mesatarizon heterogjenitetin e strukturës,
• aplikim shumë i mirë për derdhje dhe farkëtime,
• mundësia e testimit të çelikut, gizës dhe shumë lidhjeve të metaleve me ngjyra,
• traditë e gjatë industriale dhe disponueshmëri e gjerë e të dhënave krahasuese,
• Mundësia e një marrëdhënieje të përafërt midis fortësisë dhe rezistencës në tërheqje për disa çelikë.

Disavantazhet dhe kufizimet e metodës Brinell

Metoda gjithashtu ka kufizime:

• lë një gjurmë relativisht të madhe të përhershme,
• jo i përshtatshëm për elementë shumë të hollë,
• nuk është metoda më e mirë për çelikët shumë të fortë,
• kërkon matje optike të diametrit të gjurmës,
• është më e ngadaltë se metoda Rockwell,
• jo i përshtatshëm për të shqyrtuar zona shumë të vogla të mikrostrukturës,
• Sipërfaqja e mostrës duhet të mundësojë leximin e saktë të kufirit të gjurmës.

Fortësia Brinell dhe rezistenca në tërheqje Rm

Për shumë çelikë karboni dhe çelikë me aliazh të ulët, ekziston një marrëdhënie e përafërt midis fortësisë Brinell dhe rezistencës në tërheqje.
Përafërsisht, mund të gjendet marrëdhënia e mëposhtme:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
ku:

• Rm – rezistenca në tërheqje [MPa],
• H.B.W. – Fortësia e Brinellit.

Për shembull, për një fortësi prej afërsisht 200 HBW, mund të merret:
Rm ≈ 700 MPa
Megjithatë, kjo marrëdhënie është e përafërt dhe nuk duhet të zbatohet automatikisht për të gjitha materialet.
Kujdes i veçantë duhet të tregohet për:

• çelik inox austenitik,
• çelik dupleks dhe superdupleks,
• çelikë të ngurtësuar me reshje,
• gize,
• lidhjeve alumin,
• lidhjet e nikelit.

Konvertimi i HBW në HRC dhe HV

Në praktikën industriale shpesh është e nevojshme të krahasohet rezultati i Brinell me fortësinë e Rockwell ose Vickers.
Një konvertim i tillë duhet të kryhet bazuar në tabelat e duhura të konvertimit.
Nuk ka një marrëdhënie të vetme matematikore universale të vlefshme për të gjitha metalet.
Shembuj të vlerave të përafërta për çelikun:

Vlerat duhet të konsiderohen të përafërta. Llogaritjet e sakta varen nga lloji i materialit që testohet dhe diapazoni i fortësisë së tij.

Gabimet gjatë matjes së fortësisë Brinell

Burimet më të zakonshme të gabimeve përfshijnë:

• sipërfaqe e përgatitur në mënyrë të papërshtatshme,
• zgjedhja e gabuar e diametrit të topit,
• ngarkesë shumë e vogël ose shumë e madhe,
• një mostër shumë e hollë,
• duke lënë një përshtypje shumë afër skajit,
• duke i bërë përshtypjet pasuese shumë afër njëra-tjetrës,
• matje e gabuar e diametrit të gjurmës,
• deformimi ose veshja e indenterit,
• mbështetje e paqëndrueshme e elementit të testuar,
• makinë matëse e fortësisë e verifikuar gabimisht.

Standardet për metodën Brinell

Standardi ndërkombëtar bazë për testimin e fortësisë Brinell është ISO 6506.
Seria përfshin, ndër të tjera, kërkesat për vetë metodën e testimit, kontrollin e makinës, kalibrimin e standardeve të fortësisë dhe tabelat e vlerave të fortësisë.

Standardi aktual i publikuar i metodës së testimit ISO është ISO 6506-1:2014 . Ky standard mbetet aktual, por një botim i ri është duke u përgatitur. Në sistemin ASTM, versioni aktual aktiv është ASTM E10-23.

ISO 6506-1 dhe ASTM E10

Të dy dokumentet përshkruajnë testin e fortësisë Brinell të materialeve metalike, por nuk duhet të supozohet se çdo detaj i procedurës është identik.
Nëse kërkesat e pranimit, porosia, dokumentacioni i klientit ose standardi i materialit specifikojnë një metodë specifike, testi duhet të kryhet në përputhje me dokumentin e referuar.
Kjo është veçanërisht e rëndësishme në rastin e:

• testet e pranimit,
• certifikatat e materialeve,
• kontrolli i cilësisë,
• testet laboratorike të kryera për klientin,
• duke krahasuar rezultatet nga laboratorë të ndryshëm.

Ku përdoret matja e HBW në praktikë?

Fortësia e Brinellit përdoret, ndër të tjera, në:

• metalurgjia,
• fonderi,
• farkëtim,
• prodhimi i pjesëve të makinerive,
• kontrollin e materialeve të ndërtimit,
• testimi i produkteve të mëdha gjysmë të gatshme të çelikut,
• pranimi i derdhjeve dhe farkëtimeve,
• laboratorët e materialeve.

Matja mund të kryhet si në mostrat laboratorike ashtu edhe direkt në fragmente të përgatitura në mënyrë të përshtatshme të elementëve më të mëdhenj.

A është HBW një vlerë materiale?

Fortësia nuk është një konstante materiale e pavarur nga kushtet e provës.
Vlera e HBW varet, ndër të tjera, nga:

• lloji i materialit,
• mikrostrukturat,
• gjendja e trajtimit të nxehtësisë,
• shkalla e forcimit të punës,
• kushtet për kryerjen e matjes,
• gjendja sipërfaqësore e mostrës.

Prandaj, kur krahasohen rezultatet, duhet t'i kushtohet gjithmonë vëmendje kushteve të provës dhe gjendjes së materialit.

Fortësia Brinell dhe trajtimi termik i çelikut

HBW mund të jetë një parametër shumë i dobishëm për kontrollin e efektivitetit të trajtimit termik.
Një ndryshim në mikrostrukturë gjatë pjekjes, normalizimit, trajtimit të nxehtësisë ose proceseve të tjera çon në një ndryshim në fortësi.
Prandaj, matja mund të përdoret si një metodë e shpejtë për të kontrolluar nëse materiali ka arritur gamën e pritur të vetive.
Megjithatë, vetëm fortësia nuk duhet të konsiderohet si një zëvendësim i plotë për testimin:

• Rm – rezistenca në tërheqje,
• Rp0,2 – kufiri i rrjedhshmërisë konvencional,
• A – zgjatime,
• KV – forca e impaktit.

Dy materiale me fortësi të ngjashme mund të kenë duktilitet, rezistencë ndaj goditjes ose rezistencë ndaj thyerjes të ndryshme.

Metoda Brinell është një metodë klasike dhe ende shumë e rëndësishme për matjen e fortësisë së metaleve. Karakteristika e saj themelore është përdorimi i një topi karbidi tungsteni dhe përcaktimi i fortësisë bazuar në diametrin e indentacionit të përhershëm.
Avantazhi më i madh i HBW është aftësia për të marrë një rezultat përfaqësues për materialet me një strukturë heterogjene, prandaj metoda është veçanërisht popullore kur testohen çelikët strukturorë, gizat, derdhjet dhe farkëtimet.
Rezultati i saktë kërkon përzgjedhjen e duhur të diametrit të topit, ngarkesës, trashësisë së mostrës, distancës midis gjurmëve dhe përgatitjes së duhur të sipërfaqes.
Në testet teknike, duhet të zbatohen kërkesat e standardeve përkatëse, veçanërisht ISO-6506 1 dhe ASTM E10.

Zbatimi – Konvertuesi i fortësisë Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Fortësia e metaleve dhe çeliqeve - metodat e matjes, shkallët e fortësisë dhe konvertimi
Fortësia Rockwell HRC, HRB dhe HRA – Metoda e Matjes, Shkallët dhe Zbatimet
Fortësia Brinell HBW – Metoda e Matjes, Shkalla, Formula dhe Zbatimi
Fortësia e Vickers HV – Metoda e Matjes, Formula dhe Zbatimi
Fortësia Knoop HK – Metoda e Matjes, Mikrofortësia dhe Zbatimi
Shkalla e Mohsit - një tabelë e fortësisë së mineraleve dhe materialeve
Konvertimi i fortësisë HBW, HRC, HRB dhe HV – tabelat e konvertimit