Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie

Twardość Brinella jest jedną z podstawowych metod oceny twardości metali i stopów. Metoda polega na wciskaniu w powierzchnię badanego materiału kulistego wgłębnika wykonanego z węglika wolframu, a następnie pomiarze średnicy trwałego odcisku pozostającego po usunięciu obciążenia. Wynik badania podawany jest jako HBW.
Metoda Brinella jest szczególnie użyteczna przy badaniu stali konstrukcyjnych, żeliw, odkuwek, odlewów oraz stopów metali nieżelaznych. Ze względu na stosunkowo duży odcisk dobrze sprawdza się również w przypadku materiałów o niejednorodnej strukturze, ponieważ wynik obejmuje większy obszar badanego materiału niż w metodach wykorzystujących bardzo małe odciski.

Co oznacza twardość Brinella HBW?

Twardość Brinella określa odporność materiału na miejscowe odkształcenie plastyczne powstające podczas wciskania kulistego wgłębnika pod określonym obciążeniem.
Współcześnie stosuje się oznaczenie HBW:

• H – hardness, czyli twardość,
• B – Brinell,
• W – wgłębnik wykonany z węglika wolframu.

W starszej dokumentacji technicznej można spotkać również oznaczenie HB. Współczesne badanie Brinella wykonuje się jednak z użyciem kulki z węglika wolframu, dlatego prawidłowym oznaczeniem wyniku jest HBW.

Na czym polega metoda Brinella?

Badanie rozpoczyna się od dobrania średnicy kulki oraz odpowiedniej siły obciążającej. Kulka zostaje następnie dociśnięta do powierzchni próbki przez określony czas.
Po usunięciu obciążenia na powierzchni pozostaje trwały, kulisty odcisk. Jego średnicę mierzy się najczęściej w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach.
Do obliczeń przyjmuje się średnią wartość:
d = (d₁ + d₂) / 2
gdzie:

• d₁ – średnica odcisku w pierwszym kierunku,
• d₂ – średnica odcisku w kierunku prostopadłym,
• d – średnia średnica odcisku.

Schemat badania można przedstawić następująco:
dobór kulki → dobór siły → przyłożenie obciążenia → utrzymanie obciążenia → odciążenie → pomiar średnicy odcisku → wyznaczenie HBW

Wzór na twardość Brinella

Twardość Brinella jest związana z wartością przyłożonej siły oraz powierzchnią kulistego odcisku.
W układzie SI można ją wyrazić zależnością:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
gdzie:

• F – siła obciążająca [N],
• D – średnica kulki [mm],
• d – średnia średnica odcisku [mm],
• 0,102 – współczynnik związany z historycznym sposobem wyrażania siły w kilogramach-siły.

Im mniejszy odcisk powstaje przy określonej średnicy kulki i sile, tym większa jest twardość materiału.
Materiał miękki pozwala wgłębnikowi wniknąć głębiej, dlatego średnica odcisku jest większa. Materiał twardy stawia większy opór i powoduje powstanie mniejszego odcisku.

Wgłębnik w metodzie Brinella

Współcześnie wgłębnikiem stosowanym w metodzie Brinella jest kulka z węglika wolframu.
Wgłębnik musi być znacznie twardszy od badanego materiału i odporny na odkształcenie podczas wykonywania pomiaru.
Odkształcenie samej kulki prowadziłoby do zmiany geometrii kontaktu z próbką i powodowałoby błędne wyniki.

Średnice kulek stosowanych w metodzie Brinella

W zależności od rodzaju materiału, wymiarów próbki i wymaganej metodyki stosuje się różne średnice wgłębnika.

Dobór średnicy kulki musi być dostosowany do badanego materiału oraz jego grubości. Zbyt duża kulka lub zbyt duże obciążenie mogą spowodować nadmierną penetrację cienkiej próbki.

Obciążenie w badaniu Brinella

Siła obciążająca jest dobierana w zależności od średnicy kulki i rodzaju badanego materiału.
W praktyce stosowana jest zasada zachowania odpowiedniej proporcji pomiędzy siłą obciążającą a kwadratem średnicy kulki:
F ∝ D²
W tradycyjnym zapisie wykorzystującym kilogram-siłę zależność można zapisać jako:
F = K × D²
gdzie K jest współczynnikiem zależnym od grupy badanego materiału.
Dzięki zachowaniu odpowiedniego stosunku siły do średnicy kulki możliwe jest uzyskanie porównywalnych wyników przy zastosowaniu różnych średnic wgłębnika.

Współczynnik obciążenia w metodzie Brinella

Dla różnych grup materiałów stosuje się różne współczynniki obciążenia. Materiały twarde wymagają większego obciążenia, natomiast materiały miękkie bada się przy mniejszych wartościach.

Dokładny dobór średnicy kulki, siły oraz czasu działania obciążenia powinien wynikać z odpowiedniej normy i rodzaju badanego materiału.

HBW 10/3000 – co oznacza?

Jednym z najbardziej charakterystycznych układów stosowanych przy badaniu stali jest:
HBW 10/3000
Oznacza to zastosowanie:

• kulki z węglika wolframu o średnicy 10 mm,
• siły odpowiadającej historycznie obciążeniu 3000 kgf, czyli około 29,42 kN.

Jeżeli w takich warunkach otrzymano twardość równą 250, wynik może być zapisany jako:
250 HBW 10/3000
Oznaczenie twardości powinno umożliwiać identyfikację podstawowych warunków wykonania badania.

Jak mierzy się średnicę odcisku?

Po usunięciu obciążenia średnica odcisku jest mierzona za pomocą układu optycznego lub cyfrowego.
Pomiar wykonuje się w dwóch kierunkach wzajemnie prostopadłych.
Jeżeli odcisk jest prawidłowy i powierzchnia próbki jest odpowiednio przygotowana, różnica pomiędzy d₁ i d₂ powinna być niewielka.
Problemy z odczytem mogą wystąpić w przypadku:

• nierównej lub chropowatej powierzchni,
• obecności zgorzeliny,
• wyraźnej anizotropii materiału,
• niejednorodnej mikrostruktury,
• odkształcenia próbki,
• zbyt małej grubości badanego elementu.

Znaczenie przygotowania powierzchni

Powierzchnia badanego elementu powinna umożliwiać dokładne określenie granic odcisku.
Nie zawsze wymagane jest bardzo dokładne polerowanie, jak przy pomiarach mikrotwardości metodą Vickersa, jednak powierzchnia powinna być:

• czysta,
• pozbawiona luźnej zgorzeliny,
• pozbawiona grubych zarysowań,
• wystarczająco płaska,
• stabilnie podparta podczas badania.

Obróbka powierzchni nie może również powodować lokalnego przegrzania lub zgniotu, który zmieniłby twardość warstwy przypowierzchniowej.

Grubość próbki a wynik HBW

Badany element musi mieć odpowiednią grubość w stosunku do głębokości powstającego odcisku.
Jeżeli próbka jest zbyt cienka, podłoże lub podpora mogą wpływać na wynik pomiaru.
Zbyt mała grubość może również doprowadzić do widocznego odkształcenia przeciwległej powierzchni.
Dlatego dobór średnicy kulki i obciążenia powinien zawsze uwzględniać grubość badanego elementu.

Odległość między odciskami i od krawędzi próbki

Odcisk Brinella powoduje miejscowe odkształcenie plastyczne nie tylko bezpośrednio pod kulką, ale również w pewnym obszarze wokół niej.
Z tego powodu kolejne odciski nie mogą być wykonywane zbyt blisko siebie.
Należy również zachować odpowiednią odległość od krawędzi badanego elementu.
Jeżeli odciski są wykonane zbyt blisko siebie, strefy odkształcenia mogą się nakładać i wpływać na wynik kolejnego pomiaru.

Zakres stosowania metody Brinella

Metoda HBW jest szczególnie przydatna w przypadku materiałów, w których duży odcisk pozwala uśrednić lokalne różnice mikrostruktury.
Stosuje się ją między innymi do badania:

• stali konstrukcyjnych,
• stali niskostopowych,
• stali po wyżarzaniu i normalizowaniu,
• żeliw szarych,
• żeliw sferoidalnych,
• staliwa,
• odkuwek,
• odlewów,
• stopów aluminium,
• stopów miedzi,
• brązów i mosiądzów.

Dlaczego Brinell dobrze sprawdza się przy żeliwach i odlewach?

Żeliwa oraz wiele materiałów odlewanych mają niejednorodną mikrostrukturę.
W niewielkim obszarze mogą występować różne składniki strukturalne o odmiennej twardości.
Przy bardzo małym odcisku wynik mógłby zależeć w dużym stopniu od tego, w który składnik mikrostruktury trafił wgłębnik.
Duży odcisk Brinella obejmuje większą objętość materiału i daje bardziej reprezentatywny wynik średni.
Jest to jedna z największych zalet metody HBW.

Brinell a stale hartowane

Metoda Brinella nie jest zwykle pierwszym wyborem do pomiaru bardzo twardych, hartowanych stali.
Przy wysokiej twardości odcisk staje się stosunkowo mały, co utrudnia dokładny pomiar jego średnicy i zmniejsza praktyczną użyteczność metody.
Do badania stali hartowanych częściej stosuje się:

• Rockwella HRC,
• Vickersa HV.

Brinell pozostaje natomiast bardzo użyteczny w zakresie niższych i średnich twardości.

Brinell a Rockwell – najważniejsze różnice

Brinell a Vickers – najważniejsze różnice

Metoda Vickersa wykorzystuje diamentowy wgłębnik w kształcie piramidy o podstawie kwadratu. Mierzone są przekątne odcisku, a nie jego średnica.
Vickers umożliwia badanie bardzo szerokiego zakresu twardości i znacznie mniejszych obszarów materiału.
Brinell jest natomiast szczególnie korzystny tam, gdzie potrzebna jest wartość reprezentująca większy obszar materiału.

Zalety metody Brinella

Do najważniejszych zalet należą:

• dobra powtarzalność pomiaru przy prawidłowym przygotowaniu próbki,
• duży odcisk uśredniający niejednorodność struktury,
• bardzo dobre zastosowanie do odlewów i odkuwek,
• możliwość badania stali, żeliw i wielu stopów metali nieżelaznych,
• długa tradycja przemysłowa i szeroka dostępność danych porównawczych,
• możliwość orientacyjnego powiązania twardości z wytrzymałością na rozciąganie dla niektórych stali.

Wady i ograniczenia metody Brinella

Metoda ma również ograniczenia:

• pozostawia stosunkowo duży trwały odcisk,
• nie nadaje się dobrze do bardzo cienkich elementów,
• nie jest najlepszą metodą dla bardzo twardych stali,
• wymaga optycznego pomiaru średnicy odcisku,
• jest wolniejsza od metody Rockwella,
• nie nadaje się do badania bardzo małych obszarów mikrostruktury,
• powierzchnia próbki musi umożliwiać prawidłowy odczyt granicy odcisku.

Twardość Brinella a wytrzymałość na rozciąganie Rm

W przypadku wielu stali węglowych i niskostopowych istnieje orientacyjna zależność pomiędzy twardością Brinella i wytrzymałością na rozciąganie.
W przybliżeniu można spotkać zależność:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
gdzie:

• Rm – wytrzymałość na rozciąganie [MPa],
• HBW – twardość Brinella.

Przykładowo dla twardości około 200 HBW można orientacyjnie otrzymać:
Rm ≈ 700 MPa
Zależność ta ma jednak charakter przybliżony i nie należy stosować jej automatycznie do wszystkich materiałów.
Szczególną ostrożność należy zachować dla:

• stali austenitycznych nierdzewnych,
• stali duplex i superduplex,
• stali utwardzanych wydzieleniowo,
• żeliw,
• stopów aluminium,
• stopów niklu.

Przeliczanie HBW na HRC i HV

W praktyce przemysłowej często zachodzi potrzeba porównania wyniku Brinella z twardością Rockwella lub Vickersa.
Takie przeliczenie powinno być wykonywane na podstawie odpowiednich tablic konwersji.
Nie istnieje jedna uniwersalna zależność matematyczna obowiązująca dla wszystkich metali.
Przykładowe orientacyjne wartości dla stali:

Wartości należy traktować jako orientacyjne. Dokładne przeliczenia zależą od rodzaju badanego materiału oraz zakresu twardości.

Błędy podczas pomiaru twardości Brinella

Najczęstsze źródła błędów obejmują:

• nieprawidłowo przygotowaną powierzchnię,
• nieprawidłowy dobór średnicy kulki,
• zbyt małe lub zbyt duże obciążenie,
• zbyt cienką próbkę,
• wykonanie odcisku zbyt blisko krawędzi,
• wykonanie kolejnych odcisków zbyt blisko siebie,
• błędny pomiar średnicy odcisku,
• odkształcenie lub zużycie wgłębnika,
• niestabilne podparcie badanego elementu,
• nieprawidłowo zweryfikowaną maszynę do pomiaru twardości.

Normy dla metody Brinella

Podstawową międzynarodową normą dotyczącą badania twardości Brinella jest ISO 6506.
Seria obejmuje między innymi wymagania dotyczące samej metody badawczej, sprawdzania maszyn, wzorcowania wzorców twardości oraz tablic wartości twardości.

Aktualną opublikowaną normą dotyczącą metody badawczej ISO jest ISO 6506-1:2014. Norma pozostaje aktualna, natomiast przygotowywane jest jej kolejne wydanie. W systemie ASTM aktywną wersją jest obecnie ASTM E10-23.

ISO 6506-1 a ASTM E10

Oba dokumenty opisują badanie twardości Brinella materiałów metalicznych, jednak nie należy zakładać, że każdy szczegół procedury jest identyczny.
Jeżeli wymagania odbiorowe, zamówienie, dokumentacja klienta lub norma materiałowa wskazują konkretną metodę, badanie należy wykonywać zgodnie z przywołanym dokumentem.
Jest to szczególnie ważne w przypadku:

• badań odbiorowych,
• certyfikatów materiałowych,
• kontroli jakości,
• badań laboratoryjnych wykonywanych dla klienta,
• porównywania wyników pochodzących z różnych laboratoriów.

Gdzie stosuje się pomiar HBW w praktyce?

Twardość Brinella jest wykorzystywana między innymi w:

• hutnictwie,
• odlewnictwie,
• kuźnictwie,
• produkcji elementów maszyn,
• kontroli materiałów konstrukcyjnych,
• badaniu dużych półproduktów stalowych,
• odbiorze odlewów i odkuwek,
• laboratoriach materiałowych.

Pomiar może być wykonywany zarówno na próbkach laboratoryjnych, jak i bezpośrednio na odpowiednio przygotowanych fragmentach większych elementów.

Czy HBW jest wartością materiałową?

Twardość nie jest stałą materiałową niezależną od warunków badania.
Wartość HBW zależy między innymi od:

• rodzaju materiału,
• mikrostruktury,
• stanu obróbki cieplnej,
• stopnia umocnienia przez zgniot,
• warunków wykonania pomiaru,
• stanu powierzchni próbki.

Dlatego przy porównywaniu wyników należy zawsze zwracać uwagę na warunki badania oraz stan materiału.

Twardość Brinella a obróbka cieplna stali

HBW może być bardzo przydatnym parametrem kontroli skuteczności obróbki cieplnej.
Zmiana mikrostruktury podczas wyżarzania, normalizowania, ulepszania cieplnego lub innych procesów prowadzi do zmiany twardości.
Pomiar może więc służyć jako szybka metoda kontroli, czy materiał osiągnął oczekiwany zakres właściwości.
Nie należy jednak traktować samej twardości jako pełnego zamiennika badań:

• Rm – wytrzymałości na rozciąganie,
• Rp0,2 – umownej granicy plastyczności,
• A – wydłużenia,
• KV – udarności.

Dwa materiały o zbliżonej twardości mogą mieć różną plastyczność, udarność lub odporność na pękanie.

Metoda Brinella jest klasyczną i nadal bardzo ważną metodą pomiaru twardości metali. Jej podstawową cechą jest zastosowanie kulki z węglika wolframu i określenie twardości na podstawie średnicy trwałego odcisku.
Największą zaletą HBW jest możliwość uzyskania reprezentatywnego wyniku dla materiałów o niejednorodnej strukturze, dlatego metoda jest szczególnie popularna przy badaniu stali konstrukcyjnych, żeliw, odlewów i odkuwek.
Prawidłowy wynik wymaga odpowiedniego doboru średnicy kulki, obciążenia, grubości próbki, odległości pomiędzy odciskami oraz właściwego przygotowania powierzchni.
W badaniach technicznych należy stosować wymagania odpowiednich norm, przede wszystkim ISO 6506-1 oraz ASTM E10.

Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie
Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie
Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie
Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór i zastosowanie
Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie
Przeliczanie twardości HBW, HRC, HRB i HV – tabele konwersji