Ogólna wiedza na temat badania twardości metodą Brinella
Wgłębnik w metodzie Brinella składa się z kulki z twardego metalu o średnicy D = 10; 5; 2,5 lub 1mm. Nakłada się go na próbkę z siłą badania (zgodnie z normą od 1 kg do 3000 kg) i utrzymuje przez czas zatrzymania.
Aby obliczyć twardość Brinella mierzy się na powierzchni próbki dwie wzajemnie prostopadłe średnice wgłębienia badawczego. Wymagana jest również siła badawcza w N i średnica kulistego wgłębnika.
Przebieg badania twardości Brinella zgodnie z ISO 6506
W badaniu twardości wg Brinella, metodzie optycznej, mierzy się wielkość odcisku pozostawionego przez wgłębnik. W porównaniu do również optycznej metody Vickersa, w której w próbkę wciska się wgłębnik w kształcie piramidy, w metodzie Brinella wykorzystuje się wgłębnik kulisty.
Im większe odcisk, jaki wgłębnik Brinella o określonej średnicy kulki i pod określoną siłą badawczą pozostawia na powierzchni przedmiotu (próbki), tym bardziej miękki jest badany materiał.
Zgodnie z normą ISO 6506 , w celu określenia twardości według Brinella (HBW), kulisty wgłębnik wykonany z twardego metalu (węglika wolframu) jest wciskany w próbkę (przedmiot obrabiany) pod określonym obciążeniem badawczym (od 1 kgf do 3000 kgf).
Na co wskazuje twardość Brinella?
Twardość Brinella to jednostka miary wskazująca twardość materiału. Mierzy się ją metodą twardości Brinella, polegającą na wciskaniu w materiał kulki z twardego metalu. Rozmiar powstałego odcisku mierzy się optycznie, aby określić twardość materiału.
Twardość Brinella jest powszechnie stosowana w przypadku materiałów o dużych rozmiarach ziaren, chropowatych powierzchni badawczych lub materiałów niejednorodnych, takich jak odlewy, stopy i elementy kute. Definiuje się go jako stosunek przyłożonej siły do powierzchni odcisku. Jednostką twardości Brinella jest HBW (twardość według Brinella z kulką z węglika wolframu).
Obliczenie twardości Brinella
Twardość Brinella HBW wynika z ilorazu przyłożonej siły badawczej F (w Newtonach (N)) i powierzchni trwałego odcisku na próbce (rzut odcisku) po zdjęciu siły badawczej (patrz wzór Brinella). Aby obliczyć powierzchnię powstałego kulistego odcisku, stosuje się średnią arytmetyczną d dwóch prostopadłych przekątnych d1 i d2 (w mm), ponieważ powierzchnia podstawy wgłębień Brinella często nie jest dokładnie okrągła.
W praktyce wzór na określenie wartości twardości nie jest obliczany dla każdego pojedynczego badania. Wartość twardości można odczytać alternatywnie z tabeli ewent. ze specjalnie zaprogramowanego oprogramowania do badania twardości, które wyświetla wartość twardości w zależności od średniej średnicy wgłębienia d dla wszystkich znormalizowanych średnic kulek i obciążeń badawczych.
Siłę badawczą należy dobrać tak, aby średnia średnica odcisku d mieściła się w przedziale od 0,24 D do 0,6 D.
Aby móc zachować te ograniczenia, konieczne jest skoordynowanie siły badawczej i średnicy kulki. Powoduje to powstawanie różnych poziomów naprężeń (zwanych również poziomami obciążenia lub współczynnikami obciążenia) w metodzie Brinella, w której iloraz siły badawczej i kwadratu średnicy kuli jest utrzymywany na stałym poziomie: B = 0,102*F/D2. Pięć powszechnych poziomów obciążeń to 1, 2,5, 5, 10 i 30. Badanie materiału o różnych średnicach kulek i siłach badawczych należy przeprowadzić przy określonym poziomie obciążenia, aby uzyskać bezpośrednio porównywalne wyniki pomiarów (patrz Tabela przeglądowa "Metody i zastosowania badania twardości Brinella").
Średnicę kulki należy dobrać tak, aby odcisk badawczy obejmował jak największy zakres materiałów – reprezentatywny dla próbki.
Zgodnie z normą (ISO 6506) obciążenie badawcze należy zwiększyć do wartości końcowej w ciągu co najmniej dwóch do maksymalnie ośmiu sekund. Czas oddziaływania siły badawczej wynosi zwykle 10 do 15 sekund (s). Jeżeli czas oddziaływania jest dłuższy, w wartości twardości należy także podać czas trwania w sekundach, np.: 210 HBW 5/250/30 (czas oddziaływania 30 s).
Zalety i wady badania twardości metodą Brinella
Badanie Brinella ma następujące zalety:
- Brinella można również używać do badania materiałów niejednorodnych (np. odlewów), ponieważ duża kula uderza w wiele kryształów (różne elementy konstrukcyjne materiału) i tworzy średnią wartość mechaniczną.
- Dostępne są różne siły badawcze i średnice kulek do szerokiej gamy zastosowań.
- Stosunkowo duże odciski badawcze, które są łatwiejsze do zmierzenia niż raczej małe odciski Vickersa.
- Powierzchnia próbki może być chropowata.
Badanie Brinella ma następujące wady:
- Wymagana jest dobra jakość powierzchni próbki, ponieważ odcisk mierzony jest optycznie. Oznacza to, że miejsce badania musi być przygotowane.
- Wysokie ryzyko odkształcenia badanego materiału podczas badań w zakresie makro przy dużych obciążeniach badawczych (np. HBW 10/3000) i co za tym idzie ryzyko błędów pomiarowych na skutek tworzenia się deformacji ścian. Dlatego też, aby móc prawidłowo ocenić odcisk badawczy, ważne jest dobre oświetlenie odcisku badawczego (np. za pomocą światła pierścieniowego).
- Ograniczenie stosowania metody w przypadku materiałów bardzo twardych i jednocześnie cienkich próbek (patrz minimalna grubość próbki według Brinella).
- Proces jest powolny (w porównaniu do metody Rockwella). Proces badawczy trwa od 30 do 60 sekund, nie licząc czasu przygotowania próbki.
Przykłady metod i zastosowań badania twardości metodą Brinella
Metoda Brinella nadaje się do badania twardości metali miękkich (metale lekkie, ołów, cyna) aż do metali twardych, takich jak stal i żelazo.
Badanie Brinella materiału różnymi średnicami kulek i siłami badawczymi należy przeprowadzić w ramach określonego poziomu naprężenia („procedura metody badania Brinella”), aby móc bezpośrednio porównać zmierzone wartości twardości.
Poniżej znajduje się tabela przeglądowa przedstawiająca metody Brinella pogrupowane według poziomu obciążenia, związanego z nimi zakresu twardości i zalecanych zastosowań (materiałów). Im wyższy stopień obciążenia, tym twardsze są metale, które można lub należy badać metodami w ramach tego stopnia obciążenia. Najpopularniejszym poziomem oddziaływania (współczynnikiem obciążenia) jest HBW 30. Metody Brinella należące do HBW 30 służą do badania metali twardych, takich jak stal i żelazo.
| Materiał | Metoda | Wgłębnik | Siła badawcza F | Stopień obciążenia 0,102 x F/D2 | Zakres twardości HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| Stal / Żelazo | HBW 1/30 | 1 mm | 294,2N | 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 | |||
| Metal lekki Miedź / Aluminium Stop miedzi Stop aluminium | 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 | |||
| Metal lekki Miedź / Aluminium Stop miedzi lub Obróbka cieplna | 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 | |||
| Metale lekkie | 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 | |||
| Metale lekkie Ołów / Cyna | 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 | |||
* Zalecany zakres twardości zgodnie z EN ISO 6506-4, Tabela2 | |||||
Minimalna odległość odcisków badawczych i minimalna grubość próbki według Brinella
- W metodzie Brinella odciski badawcze należy rozmieścić w taki sposób, aby zachować odpowiednią odległość od brzegu (krawędzi) próbki oraz pomiędzy poszczególnymi odciskami badawczymi. Minimalne wartości, których należy przestrzegać zgodnie z normą, znajdziesz na grafice obok.
- Próbka musi być co najmniej na tyle gruba, aby odcisk badawczy na spodniej stronie próbki (powierzchnia nośna) nie spowodował widocznych odkształceń. Oznacza to, że zgodnie z normą próbka musi być co najmniej ośmiokrotnie grubsza niż wielkość zagłębienia kulki Brinella. Wielkość zagłębienia można oszacować na podstawie oczekiwanej wartości twardości, która z kolei zależy od średniej średnicy odcisku. Dlatego minimalną grubość próbki można wyznaczyć w zależności od średniej średnicy odcisku i średnicy kulki wgłębnika Brinella. Szczegółową tabelę, z której można odczytać minimalną grubość próbki dla Brinella, można znaleźć tutaj:
| Średnia średnica odcisku (mm) | Minimalna grubość próby (mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| Średnica kulki (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 | |||
