Algemene informatie over Brinell hardheidsmetingen
De indenter voor de Brinell testmethode bestaat uit een hardmetalen kogel met diameter D = 10; 5; 2.5 of 1 mm. Deze wordt in het sample gedrukt met een testkracht (volgens norm van 1 kg tot 3000 kg) en constant gehouden tijdens de belastingsduur.
Voor de berekening van de Brinell hardheid gebeuren twee loodrechte metingen van de diameter van de indrukking op het oppervlak van het sample. Daarnaast worden de testkracht N en de diameter van de bolvormige indenter meegerekend.
Brinell hardheidsmeting procedure volgens ISO 6506
Bij de Brinell hardheidsmeting, een optische methode, wordt de afmeting van de door het indruklichaam achtergelaten indrukking opgemeten. In tegenstelling tot de optische Vickers methode, waarbij een piramidevormig indruklichaam in het sample gedrukt wordt, gebruikt de Brinell methode een sferisch indruklichaam.
Hoe groter de indrukking in het oppervlak van een sample (werkstuk) ten gevolge van het Brinell indruklichaam met een bepaalde kogeldiameter bij een bepaalde testkracht, hoe zachter het geteste materiaal.
Volgens ISO 6506 wordt een sferisch indruklichaam gemaakt uit hardmetaal (wolframcarbide) in een sample (werkstuk) gedrukt met een bepaalde belasting (tussen 1 kgf en 3000 kgf) om zo de Brinell hardheid (HBW) te bepalen.
Wat geeft de Brinell hardheid weer?
Brinell hardheid is een maat voor de hardheid van een materiaal. Ze wordt gemeten via de Brinell hardheidsmethode, waarbij een hardmetalen kogel in het materiaal geduwd wordt. De grootte van de achterblijvende indrukking wordt optisch gemeten om de hardheid van het materiaal te bepalen.
Brinell hardheid wordt normaal gezien gebruikt voor materialen met een hoge korrelgrootte, ruw testoppervlak of voor inhomogene materialen zoals gietstukken, legeringen en gesmede componenten. Ze wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de uitgeoefende kracht tot het oppervlak van de indrukking. De eenheid van Brinell hardheid is HBW (hardheid volgens Brinell met een wolframcarbide kogel).
Berekening van de Brinell hardheid
De Brinell hardheid (HBW) wordt bepaald uit het quotiënt van de uitgeoefende testkracht (F in newton N) en de oppervlakte van de blijvende indrukking op het sample (zie de Brinell formule). Voor de berekening van de oppervlakte van de blijvende indrukking, wordt het wiskundige gemiddelde d genomen van twee loodrechte diagonalen d1 en d2 (in mm), aangezien de basis van Brinell indrukkingen vaak niet perfect rond is.
In de praktijk wordt de formule niet herberekend voor elke individuele test bij het bepalen van de hardheidswaarde. De hardheidswaarde kan ook bepaald worden met tabellen in een speciaal geprogrammeerd softwarepakket voor hardheidsmetingen, dat de hardheidswaarde weergeeft als functie van de gemiddelde indrukkingsdiameter d voor alle genormeerde kogeldiameters en testlasten.
De testkracht moet zo gekozen worden dat de gemiddelde indrukkingsdiameter d ligt tussen 0,24 D en 0,6 D.
Om binnen deze limieten te vallen, is het nodig de testkracht af te stemmen op de kogeldiameter. Dit resulteert in verschillende kracht-diameter indexen (ook belastingsniveau’s of belastingsfactoren genoemd) binnen de Brinell methode, waarbij het quotiënt van de testkracht en het kwadraat van de kogeldiameter constant blijft: B = 0,102*F/D2. De vijf courante kracht-diameter indexen zijn 1, 2,5, 5, 10 en 30. Tests op eenzelfde materiaal met verschillende kogeldiameters en testkrachten moeten uitgevoerd worden binnen dezelfde kracht-diameter index om vergelijkbare testresultaten te leveren (zie overzichtstabel “Brinell methoden en toepassingen”).
De kogeldiameter moet zo gekozen worden dat de indrukking een zo groot mogelijk gebied van het werkstuk inneemt - in verhouding tot het sample.
Volgens de norm (ISO 6506) moet de testlast verhoogd worden tot zijn finale waarde binnen twee tot maximaal acht seconden. Over het algemeen wordt de testkracht 10 tot 15 seconden (s) aangehouden. Als de kracht langer aangehouden wordt, moet de duur in seconden ook aangegeven worden in de hardheidswaarde, bv.: 210 HBW 5/250/30 (last 30 s aangehouden).
Voordelen en nadelen van hardheidsmetingen volgens de Brinell methode
De Brinell methode biedt de volgende voordelen:
- De Brinell methode is geschikt voor het testen van niet-homogene materialen (bv. gietstukken) aangezien de grote kogeldiameter in contact komt met vele kristallen (verschillende metallografische constituenten van het materiaal) en dus een mechanisch gemiddelde levert.
- Er is keuze uit een groot aantal testkrachten en kogeldiameters voor een breed gamma toepassingen.
- De relatief grote indrukkingen zijn makkelijker op te meten dan de eerder kleine Vickers indrukkingen.
- Het oppervlak van het sample mag ruw zijn.
De Rockwell methode heeft de volgende nadelen:
- De oppervlaktekwaliteit van het sample moet goed zijn, aangezien de indrukking optisch gemeten wordt. Dit betekent dat de locatie van de test bewerkt moet worden.
- Hoog risico op vervorming van het te testen materiaal in het macro gebied met hoge testlasten (bv. HBW 10/3000) en bijgevolg risico op meetfouten door vervorming van de wand. Daarom is een goede verlichting belangrijk voor een correcte evaluatie van de indrukking (bv. met behulp van een ringlicht).
- Gelimiteerd toepasbare methode op dunne samples of zeer harde materialen (zie Brinell methode, minimale sampledikte).
- Het proces is eerder langzaam (in vergelijking met de Rockwell methode). De testcyclus duurt tussen 30 en 60 seconden, zonder de tijd die nodig is voor de samplevoorbereiding.
Voorbeelden van Brinell hardheidstestmethoden en toepassingen
De Brinell methode is geschikt voor hardheidsmetingen op zachte metalen (lichtmetaal, lood, tin) en harde metalen zoals staal en ijzer.
Brinell tests op een materiaal met verschillende kogeldiameters en testkrachten moeten gebeuren bij dezelfde kracht-diameter verhouding (“Brinell test procedure”) om de gemeten hardheidswaarden rechtstreeks te kunnen vergelijken.
De tabel hieronder toont de Brinell methoden gegroepeerd op kracht-diameter verhouding, het bijhorende hardheidsbereik en de aanbevolen toepassingen (materialen). Hoe hoger de belastingsfactor, hoe harder de materialen die kunnen of zouden moeten getest worden met de methoden binnen de kracht-diameter verhouding. De meest courante kracht-diameter verhouding (belastingsfactor) is HBW 30. Brinell methoden binnen HBW 30 worden gebruikt voor het testen van harde metalen zoals staal en ijzer.
| Materiaal | Methode | Indenters | Testkracht F | Belastingsgraad 0,102 x F/D2 | Hardheidsbereik HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| Staal/ijzer | 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 | |||
| Lichtmetaal Koper / aluminium Koperlegeringen Aluminiumlegeringen | 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 | |||
| Lichtmetaal Koper / aluminium Koperlegeringen zonder warmtebehandeling | 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 | |||
| Lichtmetaal | 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 | |||
| Lichtmetaal Lood / tin | 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 | |||
*Aanbevolen hardheidsbereik volgens EN ISO 6506-4, tabel 2 | |||||
Minimale afstand tussen de indrukkingen op het sample en minimale sampledikte voor Brinell tests
- Bij de Brinell methode moeten de indrukkingen zo gepositioneerd worden dat ze zich voldoende ver weg bevinden van de rand van het sample en andere individuele indrukkingen. De minimale waarden waarmee rekening gehouden moet worden volgens de norm zijn terug te vinden in het diagram.
- Het sample moet dik genoeg zijn zodat de indrukking geen zichtbare vervorming veroorzaakt aan de onderkant van het sample (steunvlak). Dit betekent dat het sample volgens de norm minstens acht keer zo dik moet zijn als de indrukkingsdiepte van de Brinell kogel. De indrukkingsdiepte kan geschat worden via de verwachte hardheidswaarde, die op haar beurt afhangt van de gemiddelde indrukkingsdiameter. De minimale sampledikte kan dus uitgedrukt worden in functie van de gemiddelde indrukkingsdiameter en de kogeldiameter van het Brinell indruklichaam. Een gedetailleerde tabel waaruit de minimale sampledikte afgelezen kan worden voor Brinell metingen, vindt u hier:
| Gemiddelde indrukkingsdiameter (mm) | Minimale sampledikte (mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| Kogeldiameter (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 | |||
