Skala twardości Brinella – zasady badania, interpretacja wyników

Twardość materiału stanowi jedną z podstawowych właściwości mechanicznych wykorzystywanych w ocenie jakości i przydatności materiałów konstrukcyjnych. Parametr ten opisuje odporność materiału na trwałe odkształcenie plastyczne wywołane działaniem siły skupionej. W praktyce przemysłowej pomiar twardości stanowi szybkie i stosunkowo proste narzędzie kontroli właściwości mechanicznych materiałów, szczególnie w procesach produkcyjnych oraz podczas odbioru materiałów.

Jedną z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionych metod pomiaru twardości jest metoda Brinella. Została ona opracowana na początku XX wieku przez szwedzkiego inżyniera Johana Augusta Brinella i do dziś znajduje szerokie zastosowanie w badaniach metali oraz stopów konstrukcyjnych.

Metoda ta jest szczególnie przydatna w badaniu materiałów o strukturze niejednorodnej, takich jak żeliwa, stopy aluminium czy stale konstrukcyjne.

Zasada pomiaru twardości metodą Brinella

Badanie twardości metodą Brinella polega na wciskaniu w powierzchnię badanego materiału kulki wykonanej ze stali hartowanej lub węglika spiekanego przy użyciu określonej siły obciążającej.

Po usunięciu obciążenia mierzy się średnicę powstałego odcisku, a następnie oblicza wartość twardości jako stosunek siły nacisku do powierzchni odcisku.

Twardość Brinella określa się wzorem:$$HB = \frac{2F}{\pi D \left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)}$$

gdzie:

• $HB$– twardość Brinella,
• $F$ – siła obciążająca [N],
• $D$– średnica kulki wgłębnika [mm],
• $d$– średnia średnica odcisku [mm].

Otrzymany wynik zapisywany jest w postaci:$$HBW \; \frac{F}{D^2}$$

np.:$$220 \, HBW \, 10/3000$$

co oznacza pomiar kulką o średnicy 10 mm przy obciążeniu 3000 kgf.

Współczynnik proporcjonalności obciążenia w metodzie Brinella

W badaniu metodą Brinella stosuje się zasadę proporcjonalności pomiędzy siłą obciążającą a średnicą kulki. Zależność ta określana jest przez współczynnik proporcjonalności $k$.$$F = k \cdot D^2$$

gdzie:

• $F$ – siła obciążająca,
• $D$– średnica kulki wgłębnika,
• $k$– współczynnik proporcjonalności zależny od rodzaju materiału.

Tabela współczynnika proporcjonalności k dla różnych materiałów

Dobór odpowiedniej wartości współczynnika $k$k pozwala uzyskać odcisk o odpowiednich wymiarach, umożliwiający dokładny pomiar.

Typowe wartości twardości Brinella dla wybranych materiałów konstrukcyjnych

Wartości te są orientacyjne i zależą od składu chemicznego oraz obróbki cieplnej materiału.

Zakres stosowania metody Brinella w badaniach materiałowych

Metoda Brinella znajduje zastosowanie głównie w badaniach materiałów o średniej i niskiej twardości, takich jak:

• stale konstrukcyjne,
• żeliwa,
• stopy aluminium,
• stopy miedzi,
• materiały odlewnicze.

Ze względu na stosunkowo duży odcisk metoda ta jest szczególnie przydatna w ocenie materiałów o strukturze niejednorodnej.

Zalety metody Brinella

Metoda Brinella posiada szereg istotnych zalet, które sprawiają, że jest powszechnie stosowana w badaniach przemysłowych.

Najważniejsze zalety tej metody to:

Duża reprezentatywność wyniku
Stosunkowo duży odcisk obejmuje większy obszar materiału, dzięki czemu wynik pomiaru jest mniej wrażliwy na lokalne niejednorodności struktury.

Prosta interpretacja wyników
Metoda jest łatwa do interpretacji i dobrze powiązana z innymi właściwościami mechanicznymi, np. wytrzymałością na rozciąganie.

Możliwość badania materiałów odlewniczych
Metoda dobrze sprawdza się w badaniach żeliwa oraz materiałów o strukturze ziarnistej.

Duża powtarzalność pomiarów
Przy prawidłowo przeprowadzonym badaniu wyniki cechują się dobrą powtarzalnością.

Wady metody Brinella

Pomimo licznych zalet metoda Brinella posiada również pewne ograniczenia.

Duży odcisk pomiarowy
Odcisk pozostawiony przez kulkę jest stosunkowo duży, co może uniemożliwiać badanie cienkich elementów.

Ograniczony zakres twardości
Metoda nie nadaje się do badania bardzo twardych materiałów, ponieważ kulka wgłębnika może ulec odkształceniu.

Czasochłonność pomiaru
Konieczność pomiaru średnicy odcisku powoduje, że badanie jest wolniejsze niż w metodach Rockwella.

Wymagana odpowiednia grubość próbki
Badany element musi mieć wystarczającą grubość, aby odcisk nie wpływał na drugą stronę próbki.

Zależność twardości Brinella od wytrzymałości na rozciąganie

W wielu przypadkach twardość Brinella można wykorzystać do przybliżonego określenia wytrzymałości materiału na rozciąganie.

Dla stali konstrukcyjnych stosuje się zależność empiryczną:$$R_m \approx 3.5 \cdot HB$$

gdzie:

• $R_m$– wytrzymałość na rozciąganie [MPa],
• $HB$– twardość Brinella.

Zależność ta wykorzystywana jest często w kontroli jakości materiałów.