Twardość materiału to jego zdolność do przeciwstawiania się trwałemu odkształceniu pod działaniem obciążenia. Metoda Brinella jest statyczną metodą pomiaru twardości, polegającą na wciśnięciu wgłębnika kulkowego w powierzchnię próbki i zmierzeniu średnicy powstałego odcisku. Kulka (zwykle o średnicy 10, 5, 2,5 lub 1 mm) wykonana jest ze stali hartowanej lub węglika spiekanego. Na podstawie zmierzonej średnicy odcisku d i przyłożonej siły P oblicza się wartość twardości HB (Brinella) z normowego wzoru (np. HB = (2P)/(π·D (D–√(D²–d²)))). W praktyce wyniki odczytuje się najczęściej z tablic normowych PN-EN ISO 6506 lub bezpośrednio ze zautomatyzowanego twardościomierza, a sam pomiar jest prosty i szybki – zwykle trwa 10–15 sekund.
Nowoczesne systemy do pomiaru twardości Brinella wykorzystują cyfrową akwizycję obrazu: po wykonaniu odcisku kamera rejestruje jego kształt, a oprogramowanie automatycznie mierzy jego średnicę i przelicza na wartość HB. Na przykład przedstawiony powyżej stacjonarny system BrinScan-310 integruje cyfrową kamerę z komputerowym algorytmem analizy obrazu, co eliminuje ręczny odczyt mikroskopowy i przyspiesza pomiar. Automatyka taka jest coraz powszechniejsza w laboratoriach, choć nadal często spotyka się tradycyjne twardościomierze z wbudowanym mikroskopem do optycznego pomiaru odcisku.
Procedura badania metodą Brinella
Aby pomiar był poprawny, powierzchnię próbki należy starannie przygotować: oczyścić ze zgorzeliny, tlenków i zabrudzeń oraz – ze względu na optyczne odczyty – przeszlifować do płaskorównoległej gładkości (polerowanie zwykle nie jest konieczne przy dużych obciążeniach). Próbka musi mieć odpowiednią grubość (zaleca się co najmniej 8–10 razy większą niż głębokość odcisku) i pozostawić odpowiedni margines od krawędzi oraz pomiędzy kolejnymi odciskami (min. 2–3 średnice kulki).
Następnie wgłębnik kulkowy przyściska się do powierzchni z określoną siłą prostopadle do próbki. Siłę dobiera się tak, aby średnica odcisku mieściła się w zakresie około 0,24D–0,6D (co zapobiega błędom pomiaru). Przyłożone obciążenie (zwykle od kilkuset N do 30 kN) utrzymuje się przez ustalony czas (10–15 s). Po odciążeniu mierzy się średnicę powstałego wgłębienia w dwóch prostopadłych kierunkach i oblicza z nich średnią. Na jej podstawie – z wykorzystaniem normowych tabel lub wbudowanych algorytmów – odczytuje się wartość twardości Brinella (HB).
Wgłębnik i skala twardości
W testach Brinella stosuje się kule o ustalonych średnicach (1, 2,5, 5 i 10 mm). Z uwagi na bardzo duży zakres sił (od ok. 1 do 3000 kgf) metoda obejmuje szeroką skalę twardości – od kilku do kilkuset HB. Oznaczenie „HBW” (HBeBrinella) stosuje się, gdy użyto kulki z węglika spiekanego; oznaczenie „HB” bez „W” tradycyjnie oznaczało kulkę stalową (dawną praktyką są kule stalowe do ok. 450 HB, natomiast węglikowe do 650 HB). Wynik HB to stosunek przyłożonej siły do rzeczywistego pola powierzchni wgłębienia: im większa odporność materiału na odkształcenie, tym mniejszy ślad i wyższa wartość HB.
Zalety i ograniczenia metody Brinella
Zalety: Metoda Brinella umożliwia pomiar twardości na dużym obszarze materiału, co uśrednia lokalne nierówności struktury. Dzięki temu szczególnie dobrze nadaje się do badania metali o grubokrystalicznej lub niejednorodnej strukturze – np. odlewów czy wyrobów kutych. Duża średnica wgłębnika (i związany z nią duży odcisk) sprawiają też, że test jest odporna na drobne niedoskonałości powierzchni czy nieidealne ustawienie próbki. Jedna ogólna skala HB obejmuje rozmaite materiały – od metali lekkich (np. aluminium) po żeliwa i stale. Dodatkową zaletą jest możliwość przybliżonego oszacowania wytrzymałości na rozciąganie: w praktyce RM można szacować mnożąc otrzymaną twardość HB przez współczynnik materiałowy (np. ~3,3 dla stali).
Ograniczenia: Duże wgłębienie ma również wady. Ze względu na rozmiar śladu metoda nie nadaje się do bardzo małych elementów ani do cienkich warstw hartowanych (zbyt duży odcisk mógłby uszkodzić strukturę elementu). Nie sprawdzi się też przy ekstremalnie twardych materiałach – przy wartościach powyżej ~650 HB może dojść do plastycznej deformacji kulki. Ponadto przygotowanie i odczyt pomiaru (wymagający mikroskopu) są bardziej czasochłonne i zależne od wprawy operatora niż w przypadku szybkich metod dynamicznych. Wady te powodują, że dla cienkich czy bardzo twardych próbek często wybiera się inne metody (Rockwella czy Vickersa).
Przykłady zastosowań
Metoda Brinella znajduje szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie mierzy się twardość dużych lub masywnych elementów.
- Przemysł hutniczy i metalurgiczny: W hutach i zakładach metalurgicznych test Brinella jest rutynowo stosowany do oceny twardości stali i żeliw po różnych procesach cieplnych (wyżarzanie, normalizacja, ulepszanie). Ponieważ żeliwo ma dużą strukturę ziarnistą, duże odciski Brinella dają miarodajne wyniki. Jest to klasyczna metoda kontroli jakości odlewów i walcowanych półfabrykatów stalowych.
- Motoryzacja: W branży motoryzacyjnej badanie twardości metodą Brinella używane jest m.in. przy produkcji elementów silników i układów napędowych. Badane są twardość bloków silnika, wałów korbowych czy kół zębatych – komponentów odlewanych bądź kutych poddanych obróbce cieplnej. Metoda pozwala upewnić się, że elementy te spełniają wymagania wytrzymałościowe i odporności na zużycie (np. wały korbowe i koła zębate są poddawane znacznym obciążeniom, więc ich twardość ma krytyczne znaczenie).
- Przemysł maszynowy i ciężki: Duże maszyny budowlane, górnicze czy energetyczne zawierają elementy (np. łopaty koparek, osłony turbin, koła łańcuchowe) wymagające wysokiej odporności na zużycie. Twardościomierze Brinella badają te części, ponieważ test ten zapewnia uśredniony wynik na dużym przekroju materiału. Podobnie w budownictwie sprawdza się twardość stali konstrukcyjnych (belki, pręty zbrojeniowe) – twardość Brinella potwierdza zgodność materiału z normami jakościowymi.
- Inne gałęzie: Test Brinella bywa również stosowany w przemyśle lotniczym (np. do kontroli twardości stopów aluminium czy tytanu w częściach silnikowych), w energetyce (rury, kotły, komponenty elektrowni), a także w badaniach laboratoryjnych i rozwoju materiałów (pomiar twardości prototypowych stopów). Ogólnie metoda Brinella jest kluczowym narzędziem kontroli jakości tam, gdzie liczy się wiarygodne badanie dużych próbek metalicznych.
Podsumowanie: Metoda Brinella to klasyczny test twardości, ceniony za prostotę i uniwersalność. Umożliwia rzetelną ocenę materiałów od mięsistych odlewów po ciężkie odkuwki. Dzięki szerokiej skali (HB) obejmuje miękkie i bardzo twarde metale – jednak jej stosowanie wymaga odpowiedniego przygotowania próbek i uwzględnienia wymagań konstrukcyjnych (np. minimalnej grubości elementu).
Źródła: Opis metody Brinella i zastosowań oparto na polskich i zagranicznych opracowaniach technicznych oraz normach PN-EN ISO 6506
Oferta Oberon w zakresie twardościomierzy i systemów pomiarowych
oberon.com.pl
https://www.oberon.com.pl/79,systemy-pomiarowe
Oferta Oberon wspierająca badania twardości Brinella
Dzięki temu, że Oberon dostarcza przyrządy pomiarowe oraz systemy automatycznej rejestracji, możliwe jest zintegrowanie klasycznej metody Brinella z cyfrowym obiegiem danych, co zwiększa efektywność procesu pomiarowego. Klient, który już stosuje system Brinella (np. z kamerą i algorytmami), może uzupełnić stanowisko pomiarowe o interfejsy przesyłania danych proponowane przez Oberon.
Ponadto, w laboratoriach, w których stosuje się wiele metod pomiarowych równolegle (twardość, długości, chropowatość itp.), oferta Oberon pozwala skonsolidować dostawę sprzętu pomiarowego od jednego dostawcy, co ułatwia logistykę, serwis oraz wzorcowanie przyrządów pomiarowych.
