Brinellova zkouška – princip metody Brinell
Tvrdost podle Brinella se stanovuje statickou vnikací metodou, při níž se do povrchu kovového vzorku definovanou silou vtlačuje kulička z tvrdokovu. Po odlehčení se opticky změří průměr trvalého vtisku a z jeho velikosti se stanoví výsledná tvrdost HBW.
Brinellova zkouška poskytuje díky relativně velkému vtisku průměrnou informaci o větší oblasti materiálu. To je výhodné zejména u litin, odlitků, výkovků a slitin s hrubší nebo méně homogenní strukturou, kde by velmi malý vtisk mohl zachytit pouze jednu strukturní složku.
Zkušební postup upravuje řada ČSN EN ISO 6506, která stanovuje podmínky pro určení tvrdosti podle Brinella. Pro zavedení vlastního zkoušení si můžete prohlédnout tvrdoměry Brinell. Potřebujete-li ověřit tvrdost konkrétního vzorku, využijte laboratorní měření tvrdosti materiálů ve zkušební laboratoři JD Dvořák.
Jaký je princip Brinellovy zkoušky
Metoda Brinell vyhodnocuje odpor materiálu proti trvalé plastické deformaci. Kulička o známém průměru D se vtlačí kolmo do připraveného povrchu zkušební silou F. Po odstranění zatížení zůstane v materiálu kulový vtisk se středním průměrem d.
Při stejné kuličce a stejné zkušební síle vytvoří měkčí materiál větší vtisk, zatímco tvrdší materiál vytvoří vtisk menší. Hodnota HBW proto není určena pouze použitou silou, ale poměrem této síly k ploše zakřiveného povrchu vtisku.
Na rozdíl od Rockwellovy metody se při standardní Brinellově zkoušce nevyhodnocuje hloubka vniknutí. Na rozdíl od Vickersovy metody se neměří úhlopříčky vtisku. Rozhodující veličinou je průměr kruhového vtisku změřený na povrchu vzorku.
Velká plocha vtisku je zásadní vlastností metody. U litiny může vtisk zahrnout kovovou matrici i grafitické částice, u odlitků více zrn a u hrubozrnných slitin několik odlišně orientovaných oblastí. Výsledná hodnota proto obvykle lépe charakterizuje průměrné chování materiálu než lokální měření malým zatížením.
Brinellova tvrdost však není univerzální materiálová konstanta nezávislá na způsobu zkoušení. Výsledek je vždy spojen s použitým průměrem kuličky, zkušební silou, dobou působení zatížení, stavem povrchu a způsobem vyhodnocení vtisku.
Vnikací těleso
Vnikací těleso používané u metody měření tvrdosti podle Brinella je podle uvedené normy vždy vyleštěná kulička z tvrdokovu (slinutý karbid wolframu, označuje se W) s průměrem D = 1; 2,5; 5; 10 mm (viz obrázek vlevo).
Zkušební zatížení
Norma ČSN EN ISO 6506-1 specifikuje zkušební zatížení uvedené v tabulce vpravo v rozmezí od 1 gf do 3000 kgf. Po zvláštním ujednání lze použít i jiná zkušební zatížení a poměry zatížení/průměr kuličky. Avšak zkušební zatížení musí být voleno tak, aby se průměr vtisku d nacházel mezi hodnotami 0,24D < d < 0,6D.
Pro měření tvrdosti z co nevětší representativní plochy vzorku se musí zvolit co možná největší průměr zkušební kuličky v kombinaci s co největším zkušebním zatížením pro zkoušený materiál. Pokud to tloušťka vzorku umožňuje, používá se přednostně kulička o průměru 10 mm.
Aplikace zkušebního zatížení a měření délky úhlopříčky
Vtlačování vnikacího tělesa se provádí kolmo k povrchu vzorku zvoleným zkušebním zatížením plynule, konstantní rychlostí bez vibrací a kmitů. Výdrž na zkušebním zatížení musí být v rozmezí 10 – 15 s.
Po odtížení se měří průměr vtisku v dvou na sebe kolmých směrech d1 a d2 (viz obrázek vlevo), z kterých se vypočítá aritmetický průměr d. V případě, že se tyto dva průměry od sebe liší o víc než 0,1 mm, měření by se mělo vyřadit a udělat nový vtisk.
d – aritmetický průměr průměrů vtisků
d1,2 – průměr vtisku
Minimální tloušťku zkušebního vzorku/vrstvy
Minimální tloušťka zkušebního vzorku t musí být 8 násobek hloubky vtisku h (viz obrázek vpravo): t = 8 h, nebo je vztažena ke střednímu průměru vtisku d, jak uvádí norma ČSN EN ISO 6506-1 v příloze B. Na zadní straně vzorku nesmí být po provedení zkoušky viditelná žádná deformace.
Minimální vzdálenost mezi sousedními vtisky a mezi vtiskem a okrajem vzorku
Minimální vzdálenost mezi sousedními vtisky a mezi vtiskem a okrajem vzorku je u metody Brinell pro všechny zkoušené materiály stejná. Normou stanovené hodnoty jsou uvedené na obrázku vlevo. Pokud se dva vtisky odlišují velikostí, musí jejich minimální rozmístění vycházet z úhlopříčky většího vtisku.
Jak se stanovuje tvrdost podle Brinella?
Tvrdost podle Brinella se stanovuje z poměru zkušebního zatížení k ploše zaobleného povrchu vytvořeného vtisku. Výsledná hodnota tvrdosti je úměrná poměru zkušebního zatížení k ploše zaobleného povrchu vtisku a stanovuje se dvěma způsoby:
1. Předpokládá se, že vtisk si zachová tvar koule a plocha jeho povrchu se vypočte ze středního průměru vtisku a průměru kuličky.
HBW – hodnota tvrdosti podle Brinella [N / mm2]
F – zkušební zatíženi [N]
D – průměr kuličky [mm]
d – střední průměr vtisku [mm]
0,102 – konstanta
2. Na rovných plochách se stanoví pomocí výpočetních tabulek uvedených v normě ČSN EN ISO 6506-4.
Co znamená tvrdost HBW a jak se zapisuje?
Tvrdost HBW je hodnota tvrdosti materiálu stanovená Brinellovou zkouškou při použití kuličky z tvrdokovu jako vnikacího tělesa. Výsledná hodnota vychází z velikosti trvalého vtisku, který vznikne po působení definované zkušební síly na povrch materiálu. Obecně platí, že při stejných zkušebních podmínkách vytvoří tvrdší materiál menší vtisk a dosáhne vyšší hodnoty HBW.
Označení HBW se používá pro Brinellovu tvrdost stanovenou tvrdokovovou kuličkou. Nemělo by se zaměňovat se starším označením HB nebo HBS, které souviselo s použitím ocelového vnikacího tělesa.
Samotná číselná hodnota tvrdosti HBW není jedinou informací o provedené zkoušce. Zápis výsledku může obsahovat také průměr použité kuličky, zkušební zatížení a případně dobu jeho působení. Tyto údaje umožňují správně interpretovat podmínky, za kterých byla tvrdost podle Brinella stanovena.
Formát zápisu může vypadat například takto:
600 HBW 1/30/20
- 600 – hodnota tvrdosti podle Brinella
- HBW – značka tvrdosti podle Brinella, kde W označuje použití kuličky z tvrdokovu
- 1 – průměr kuličky D v mm
- 30 – přibližná hodnota použitého ekvivalentního zatížení v kgf (30 kgf = 294,2 N)
- 20 – doba působení zkušebního zatížení 20 s; uvádí se v případě, že neleží v předepsaném rozmezí 10–15 s
Zápis 600 HBW 1/30/20 tedy označuje tvrdost HBW o hodnotě 600, stanovenou kuličkou o průměru 1 mm při zkušebním zatížení odpovídajícím přibližně 30 kgf a době jeho působení 20 sekund.
Při porovnávání hodnot HBW je důležité zohlednit podmínky měření. Výsledek může ovlivnit zvolený průměr kuličky, zkušební síla, kvalita připraveného povrchu, velikost a geometrie vzorku i přesnost optického vyhodnocení vzniklého vtisku.
Zdroj informací: ČSN EN ISO 6506
