Opšte informacije o ispitivanju tvrdoće po Brinellu
Indenter koji se koristi u metodi Brinellovog ispitivanja je napravljen od tvrde metalne kugle prečnika D = 10; 5; 2,5 ili 1 mm. Nanosi se na uzorak ispitnom silom (na standard od 1 kg do 3000 kg) i drži se u skladu sa vremenom držanja.
Da bi se izračunala Brinellova tvrdoća, mere se dva okomita prečnika ispitnog udubljenja na površini uzorka. Pored toga, potrebna je ispitna sila N i prečnik sfernog indentera.
Procedura ispitivanja tvrdoće po Brinellu prema ISO 6506
U ispitivanju tvrdoće po Brinellu, optičkoj metodi, meri se veličina udubljenja koje ostavlja indenter. Za razliku od optičke Vikersove metode, u kojoj se indentor u obliku piramide utiskuje u uzorak, Brinellova metoda koristi sferni indenter.
Što je veće udubljenje koje ostavlja Brinell indenter sa određenim prečnikom kuglice i pod definisanom ispitnom silom na površini radnog predmeta (uzorka), to je ispitivani materijal mekši.
Prema ISO 6506, sferni indenter napravljen od tvrdog metala (volfram karbida) se utiskuje u uzorak (obradak) sa definisanim ispitnim opterećenjem (između 1 kgf i 3000 kgf) da bi se odredila tvrdoća po Brinellu (HBV).
Šta pokazuje tvrdoća po Brinellu?
Tvrdoća po Brinellu je merna jedinica koja označava tvrdoću materijala. Meri se metodom tvrdoće po Brinellu, za koju se u materijal utiskuje čvrsta metalna kugla. Veličina rezultujućeg udubljenja se optički meri da bi se odredila tvrdoća materijala.
Tvrdoća po Brinellu se obično koristi za materijale sa velikom veličinom zrna, grubom ispitnom površinom ili nehomogenim materijalima, kao što su odlivci, legure i kovane komponente. Definiše se kao odnos primenjene sile i površine udubljenja. Jedinica Brinellove tvrdoće je HBV (tvrdoća po Brinellu sa kuglom od volframovog karbida).
Proračun tvrdoće po Brinellu
Tvrdoća po Brinellu HBV je rezultat količnika primenjene ispitne sile F (u njutnima N) i površine preostalog udubljenja na uzorku (projekcija udubljenja) nakon uklanjanja ispitne sile (vidi Brinellovu formulu). Da bi se izračunala površina zaostalog udubljenja kugle, koristi se aritmetička sredina d dve upravne dijagonale d1 i d2 (u mm), jer osnovna površina Brinellovih udubljenja često nije savršeno okrugla.
U praksi, pri određivanju vrednosti tvrdoće, formula se ne izračunava za svako pojedinačno ispitivanje. Vrednost tvrdoće se može alternativno odrediti iz tabela, odnosno specijalno programiranog softvera za ispitivanje tvrdoće, koji prikazuje vrednost tvrdoće kao funkciju srednjeg prečnika udubljenja d za sve standardizovane prečnike kuglica i ispitna opterećenja.
Ispitna sila se bira tako da prosečni prečnik udubljenja d bude između 0,24 D i 0,6 D.
Da biste mogli da se pridržavate ovih ograničenja, potrebno je uskladiti ispitnu silu sa prečnikom kugle. Ovo rezultira različitim indeksima prečnika sile (koji se takođe nazivaju nivoi opterećenja ili faktori opterećenja) u okviru Brinellove metode, gde se količnik ispitne sile i kvadrata prečnika kugle održava konstantnim: B = 0,102*F/D2. Pet zajedničkih indeksa prečnika sile su 1, 2,5, 5, 10 i 30. Ispitivanje materijala sa različitim prečnikima kuglica i ispitnim silama mora biti sprovedeno u okviru istog indeksa sila-prečnika da bi se postigli uporedivi rezultati ispitivanja (pogledajte preglednu tabelu „Brinell metode i primene“).
Prečnik kugle mora biti odabran na takav način da udubljenje pokriva najveću moguću površinu radnog komada – reprezentativno za uzorak.
Prema standardu (ISO 6506), ispitno opterećenje treba povećati do svoje konačne vrednosti u roku od najmanje dve do najviše osam sekundi. Generalno, vreme zadržavanja ispitnog opterećenja je 10 do 15 sekundi (s). Ako je vreme zadržavanja duže, trajanje u sekundama se takođe mora navesti u vrednosti tvrdoće, npr.: 210 HBW 5/ 250/30 (vreme zadržavanja od 30 s).
Prednosti i mane ispitivanja tvrdoće po Brinell metodi
Brinellova metoda nudi sledeće prednosti:
- Brinellova metoda se može koristiti za ispitivanje nehomogenih materijala (npr. odlivaka), jer velika kugla dolazi u kontakt sa mnogim kristalima (različitim metalografskim sastojcima materijala), čime se formira mehanička prosečna vrednost.
- Može se napraviti izbor između velikog broja ispitnih sila i prečnika kuglica za najširu lepezu primena.
- Relativno velika probna udubljenja koja je lakše izmeriti od prilično malih Vikersovih udubljenja.
- Površina uzorka može biti hrapava.
Brinellova metoda ima sledeće nedostatke:
- Kvalitet površine uzorka mora biti dobar, jer se udubljenje meri optički. To znači da lokacija za ispitivanje mora biti pripremljena.
- Visok rizik od deformisanja materijala koji se ispituje pri ispitivanju u makro opsegu sa velikim ispitnim opterećenjima (npr. HBV 10/3000) i posledični rizik od grešaka u merenju usled formiranja zida. Zbog toga je dobro osvetljenje važno za tačnu procenu udubljenja ispitivnja (npr. uz pomoć prstenastog svetla).
- Ograničenje u primeni metode na tankim uzorcima od veoma tvrdih materijala (videti Brinellovu metodu, minimalna debljina uzorka).
- Proces je prilično spor (u poređenju sa Rockwell metodom). Ciklus ispitivanja traje negde između 30 i 60 sekundi, ne uključujući vreme potrebno za pripremu uzorka.
Primeri metoda i primena ispitivanja tvrdoće po Brinellu
Brinellova metoda je pogodna za ispitivanje tvrdoće mekih metala (laki metali, olovo, kalaj) kao i tvrdih metala, kao što su čelik i gvožđe.
Brinelovo ispitivanje materijala različitih prečnika kuglica i ispitnih sila mora biti sprovedeno u okviru istog indeksa sila-prečnika („Brinell ispitne procedure“) kako bi se omogućilo direktno poređenje izmerenih vrednosti tvrdoće.
Pregled tabele u nastavku predstavlja Brinellove metode grupisane prema indeksu prečnika sile, pripadajućem opsegu tvrdoće i preporučenim primenama (materijalima). Što je veći faktor opterećenja, to su metali tvrđi koji se mogu ili treba ispitivati metodama u okviru ovog indeksa prečnika sile. Najčešći indeks prečnika sile (faktor opterećenja) je HBV 30. Brinellove metode koje pripadaju HBV 30 koriste se za ispitivanje tvrdih metala kao što su čelik i gvožđe.
| Materijal | Metoda | Utiskivači | Ispitno opterećenje F | Stepen opterećenja 0,102 x F/D2 | Opseg tvrdoće HBV* |
|---|---|---|---|---|---|
| Čelik/gvožđe | 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 | |||
| Laki metal Bakar / aluminijum Legure bakra Legure aluminijuma | 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 | |||
| Laki metal Bakar / aluminijum Legure bakra sa/bez termičke obrade | 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 | |||
| Laki metali | 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 | |||
| Laki metali Olovo / kalaj | 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 | |||
*Preporučeni opseg tvrdoće prema EN ISO 6506-4, tabela 2 | |||||
Minimalno rastojanje udubljenja uzorka i minimalna debljina uzorka za Brinellovo ispitivanje
- Kod Brinellove metode, udubljenja moraju biti postavljena tako da postoji dovoljan razmak od ivice uzorka i između pojedinačnih udubljenja. Minimalne vrednosti koje se moraju poštovati prema standardima nalaze se na dijagramu.
- Uzorak mora biti dovoljno debeo da udubljenje ne izazove bilo kakvu vidljivu deformaciju na donjoj strani uzorka (nosna površina). To znači da, prema standardu, uzorak mora biti najmanje osam puta deblji od dubine udubljenja Brinell kugle. Dubina udubljenja se može proceniti iz očekivane vrednosti tvrdoće, koja zauzvrat zavisi od prosečnog prečnika udubljenja. Minimalna debljina uzorka se stoga može izvesti kao funkcija srednjeg prečnika udubljenja i prečnika kugle Brinellovog indentera. Detaljnu tabelu, iz koje se može pročitati minimalna debljina uzorka za Brinell, može se naći ovde:
| Prosečan prečnik udubljenja (mm) | Minimalna debljina uzorka (mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| Prečnik kugle (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 | |||
