Zkouška tvrdosti metodou Brinell dle ISO 6506 / ASTM E10

Postup při zkoušce tvrdosti podle Brinella Výpočet tvrdosti podle Brinella Výhody a nevýhody Přehled metod a aplikací metody Brinell Minimální vzdálenosti vtisků a minimální tloušťka vzorku Tvrdoměr Brinell

Informace o zkušební metodě Brinell (stanovení tvrdosti HBW)

Obecné informace o zkoušení tvrdosti metodou Brinell

Indentor používaný při zkoušce podle Brinella je vyroben z tvrdokovové kuličky o průměru D = 10; 5; 2,5 nebo 1 mm. Na vzorek se působí zkušebním zatížením (standardně od 1 kg do 3 000 kg) po normou stanovenou dobu.

Pro stanovení tvrdosti podle Brinella se na povrchu vzorku změří dva na sebe kolmé průměry vytvořeného vtisku. Dále je pro výpočet potřeba zadat zkušební zatížení v N a průměr kulového indentoru.

Postup zkoušky tvrdosti podle Brinella dle ISO 6506

Při Brinellově zkoušce tvrdosti se opticky měří velikost vytvořeného vtisku. Na rozdíl od optické Vickersovy metody, při níž se do vzorku vtlačuje indentor ve tvaru jehlanu, se při Brinellově metodě používá indentor kulový.

Čím větší vtisk indentor Brinell zanechá po aplikaci zkušebního zatížení na povrchu dílu (vzorku), tím měkčí je zkoušený materiál.

Podle normy ISO 6506 se kulový indentor z tvrdokovu (karbidu wolframu) vtlačuje do vzorku (obrobku) definovaným zkušebním zatížením (v rozmezí 1 kgf až 3 000 kgf) za účelem stanovení tvrdosti HBW.

Co udává tvrdost podle Brinella?

Tvrdost podle Brinella je měrná jednotka, která udává míru tvrdosti materiálu. Měří se metodou tvrdosti podle Brinella, při níž se do materiálu vtlačuje kulička z tvrdokovu. Velikost výsledného vtisku se opticky změří a výpočtem se určí tvrdost materiálu.

Tvrdost podle Brinella se obvykle používá u materiálů s velkou velikostí zrn, hrubým zkušebním povrchem nebo nehomogenních výrobků, jako jsou odlitky a výkovky. Hodnota tvrdosti je definována jako poměr aplikovaného zatížení a plochy vtisku. Jednotka tvrdosti Brinell se označuje HBW (tvrdost podle Brinella měřená kuličkou z karbidu wolframu).

Výpočet tvrdosti Brinell

Brinellova tvrdost (HBW) je výsledkem podílu aplikovaného zatížení (v jednotkách Newton) a plochy zbytkového vtisku na povrchu vzorku po odstranění zatížení (viz vzorec pro tvrdost Brinell). Pro výpočet plochy vtisku se použije průměrná hodnota dvou na sebe kolmých průměrů vtisku d1 a d2 (v mm), protože tvar obrysu vtisku často není dokonale kruhový.

V praxi se při určování hodnoty tvrdosti neprovádí výpočet pro každou jednotlivou zkoušku. Hodnotu tvrdosti lze alternativně určit z tabulek nebo speciálně naprogramovaného softwaru pro zkoušení tvrdosti, který zobrazuje hodnotu tvrdosti jako funkci průměrné velikosti vtisku d pro všechny standardizované průměry indentorů a zkušebních zatížení.

Zkušební zatížení je třeba zvolit tak, aby průměr vtisku d byl v rozmezí 0,24 D až 0,6 D. Kde D je velikost kuličky použitého indentoru.

Aby bylo možné tyto limity splnit, je nutné kombinovat vhodné zkušební zatížení a průměr kuličky indentoru. Výsledkem jsou různé indexy zatížení k průměru (označované také jako stupně zatížení nebo součinitele zatížení) v rámci metody Brinell, kde je podíl zkušebního zatížení a čtverce průměru kuličky konstantní: B = 0,102*F/D2 Pět běžných indexů zatížení k průměru je 1; 2,5; 5; 10 a 30. Zkoušky materiálu prováděné různými průměry kuliček a zkušebními zatíženími musí být realizovány se stejným indexem zatížení k průměru, aby bylo dosaženo srovnatelných výsledků zkoušek (viz přehledová tabulka „Metody a aplikace Brinell“).

Průměr kuličky musí být zvolen tak, aby vtisk pokrýval co největší plochu vzorku – reprezentativní pro obrobek.

Podle normy (ISO 6506) by zkušební zatížení mělo dosáhnout výsledné hodnoty během minimálně dvou až maximálně osmi sekund. Obecně platí, že doba výdrže zkušebního zatížení je 10 až 15 sekund. Pokud je doba výdrže delší, musí být u změřené hodnoty tvrdosti uvedena také tato doba v sekundách, např.: 210 HBW 5/250/30 (odpovídá výdrži 30 s).

Výhody a nevýhody zkoušení tvrdosti metodou Brinell

Metoda Brinell má následující výhody:

Brinellovu metodu lze použít pro zkoušení nehomogenních materiálů a výrobků (např. odlitků), protože velká kulička přichází do styku s mnoha krystaly (různými strukturními fázemi materiálu), čímž se hodnotí průměrná hodnota tvrdosti nehomogenní struktury.
Pro široké spektrum aplikací lze vybírat z velkého množství zkušebních zatížení a průměrů kuliček.
Relativně velké zkušební vtisky, které se měří snadněji než poměrně malé vtisky Vickers.
Povrch vzorku může být hrubě opracovaný.

Metoda Brinell má následující nevýhody:

Měření vyžaduje dobrou kvalitu povrchu vzorku, protože vtisky se měří opticky. To znamená, že místo vtisku musí být předem připraveno.
Vysoká pravděpodobnost velké deformace zkoušeného materiálu při zkouškách v makrorozsahu s vysokým zatížením (např. HBW 10/3000) a následné riziko chyby měření způsobené tvářením materiálu na okrajích vtisků. Proto je pro správné vyhodnocení zkušebních vtisků důležité dobré osvětlení (např. pomocí kruhového osvětlení).
Omezení při použití metody na tenké vzorky velmi tvrdých materiálů (viz metoda Brinell, minimální tloušťka vzorků).
Proces měření je poměrně pomalý (ve srovnání například s metodou Rockwell). Zkušební cyklus trvá přibližně 30 až 60 sekund, a to bez započtení času potřebného k přípravě vzorku.

Příklady metod a aplikací zkoušení tvrdosti metodou Brinell

Brinellova metoda je vhodná pro zkoušení tvrdosti měkkých kovů (lehké kovy, olovo, cín) i tvrdých kovů, jako je ocel a litina.

Brinellova zkouška materiálu provedená různými průměry kuliček a zatíženími musí být realizována v rámci stejného indexu zatížení k průměru („Postup zkoušky Brinell“), aby bylo možné přímo porovnávat naměřené hodnoty tvrdosti.

Níže uvedený tabulkový přehled uvádí metody Brinell seskupené podle indexu zatížení k průměru, souvisejícího rozsahu tvrdostí a doporučených aplikací (materiálů). Čím vyšší je hodnota indexu, tím je daná metoda vhodnější pro tvrdší materiály a naopak. Nejčastěji používaný index zatížení k průměru má hodnotu 30. Metody podle Brinella patřící do skupiny indexu 30 se používají pro zkoušení tvrdých kovů, jako jsou oceli a litiny.

Materiál	Metoda	Indentory	Zkušební zatížení	Index zatížení k průměru 0,102 x F/D²	Rozsah tvrdostí HBW*
Ocel/litina	HBW 1/30	1 mm	294,2 N	30	95,5 – 653
	HBW 2,5/187,5	2,5 mm	1,839 kN
	HBW 5/750	5 mm	7,355 kN
	HBW 10/3000	10 mm	29,42 kN
Lehké kovy Měď / Hliník Slitiny mědi Slitiny hliníku	HBW 1/10	1 mm	98,07 N	10	31,8 – 218
	HBW 2,5/62,5	2,5 mm	612,9 N
	HBW 5/250	5 mm	2,452 kN
	HBW 10/1000	10 mm	9,807 kN
Lehké kovy Měď / Hliník Slitiny hliníku nebo tepelně zpracované materiály	HBW 1/5	1 mm	49,03 N	5	15,9 – 109
	HBW 2,5/31,25	2,5 mm	306,5 N
	HBW 5/125	5 mm	1,226 kN
	HBW 10/500	10 mm	4,903 kN
Lehké kovy	HBW 1/2,5	1 mm	24,52 N	2,5	7,96 – 54,5
	HBW 2,5/15,625	2,5 mm	153,2 N
	HBW 5/62,5	5 mm	612,9 N
	HBW 10/250	10 mm	2,452 kN
Lehké kovy Olovo / Cín	HBW 1/1	1 mm	9,807 N	1	3,18 – 21,8
	HBW 2,5/6,25	2,5 mm	61,29 N
	HBW 5/25	5 mm	245,2 N
	HBW 10/100	10 mm	980,7 N
	*Doporučený rozsah tvrdosti podle EN ISO 6506-4, tabulka 2

Minimální vzdálenost vtisků a minimální tloušťka vzorku pro zkoušky metodou Brinell

Při zkouškách metodou Brinell musí být vtisky umístěny tak, aby byla dostatečná vzdálenost od okraje vzorku a mezi jednotlivými vtisky. Minimální hodnoty, které musí být podle norem dodrženy, jsou uvedeny v diagramu.
Vzorek musí mít dostatečnou tloušťku, aby vtisk nezpůsobil viditelnou deformaci na spodní straně vzorku (opěrné ploše). Z norem vyplývá, že vzorek musí mít nejméně osmkrát větší tloušťku, než je hloubka vtisku kuličkovým indentorem. Hloubku vtisku lze odhadnout z očekávané hodnoty tvrdosti, která je závislá na průměrné velikosti vtisku. Minimální tloušťku vzorku lze tedy odvodit jako funkci průměrné velikosti vtisku a průměru kuličky Brinellova indentoru. Podrobnou tabulku, ze které lze vyčíst minimální tloušťku vzorku odpovídající Brinellově stupnici, naleznete zde:

Průměrná velikost vtisku (mm)	Minimální tloušťka vzorku (mm)
	Průměr kuličky (mm)
	1,0	2,5	5,0	10
0,2	0,12
0,3	0,18
0,4	0,33
0,5	0,54
0,6	0,80	0,29
0,7		0,40
0,8		0,53
0,9		0,67
1,0		0,83
1,1		1,02
1,2		1,23	0,58
1,3		1,46	0,69
1,4		1,72	0,80
1,5		2,00	0,92
1,6			1,05
1,7			1,19
1,8			1,34
1,9			1,50
2,0			1,67
2,2			2,04
2,4			2,45	1,17
2,6			2,92	1,38
2,8			3,43	1,60
3,0			4,00	1,84
3,2				2,10
3,4				2,38
3,6				2,68
3,8				3,00
4,0				3,34
4,2				3,70
4,4				4,08
4,6				4,48
4,8				4,91
5,0				5,36
5,2				5,83
5,4				6,33
5,6				6,86
5,8				7,42
6,0				8,00