Tvrdost podle Brinella je zkouška tvrdosti kovových materiálů, při které se do povrchu zkušebního vzorku vtlačuje kulička známého průměru. Po odlehčení se změří průměr vtisku a z velikosti zatěžující síly a plochy vtisku se vypočítá tvrdost.
V moderním normovém značení se používá značka HBW. Písmeno W označuje kuličku z tvrdokovu, zpravidla z karbidu wolframu. Starší označení HB nebo HBS souviselo se zkouškami ocelovou kuličkou; u tvrdších materiálů se však ocelová kulička mohla deformovat, a proto se v současné praxi používá tvrdokovový vtiskovač.
Průměr kuličky D bývá nejčastěji 1 mm, 2,5 mm, 5 mm nebo 10 mm. Volba průměru kuličky a zatěžující síly závisí na materiálu, tloušťce vzorku a požadované přesnosti. Minimální tloušťka vzorku má být dostatečná, aby se při zkoušce neprojevila tvrdost podložky nebo protilehlé strany zkoušené součásti.
Zkouška tvrdosti podle Brinella
Princip zkoušky
Kulička se zatlačí do povrchu vzorku silou F, která působí kolmo k povrchu po stanovenou dobu. Po odlehčení zůstane na povrchu kulový vtisk. Jeho průměr d se měří obvykle ve dvou na sebe kolmých směrech a pro výpočet se použije aritmetický průměr.
Doba působení zatížení závisí na druhu materiálu. U slitin železa se běžně používá kratší doba, u měkčích neželezných kovů a slitin může být doba zatížení delší. Přesný postup, volba zatížení i podmínky měření se řídí příslušnou normou.
Přesnost měření závisí hlavně na správném určení průměru vtisku. Vtisk může být u některých materiálů méně zřetelný, nesouměrný nebo ovlivněný vytlačením materiálu po obvodu. Brinellova metoda proto není vhodná pro velmi tenké vzorky, malé součásti a materiály s tvrdostí mimo rozsah použitého zatížení a vtiskovače.
Výpočet tvrdosti podle Brinella
Tvrdost podle Brinella vyjadřuje poměr zatěžující síly k zakřivené ploše kulového vtisku. Při použití síly v newtonech a rozměrů v milimetrech se používá převodní faktor 0,102.
Tvrdost podle Brinella
HBW = (0,102 · F) / A
HBW = (0,102 · 2F) / (π · D · (D − √(D2 − d2)))
F – zatěžující síla v N
A – plocha kulového vrchlíku vtisku v mm2
D – průměr kuličky v mm
d – střední průměr vtisku v mm
Jak číst označení HBW
Výsledek zkoušky se zapisuje značkou tvrdosti a podmínkami zkoušky. Příklad 200 HBW 10/3000/10 znamená tvrdost 200 podle Brinella, kuličku o průměru 10 mm, zatížení odpovídající hodnotě 3000 kgf a dobu působení zatížení 10 s. V normové dokumentaci se zatížení vztahuje ke stanoveným zkušebním podmínkám; při výpočtu se síla vyjadřuje v newtonech.
U starších materiálových listů nebo tabulek se můžete setkat také se značkou HB. Pokud není uvedeno, jaký vtiskovač a podmínky byly použity, je nutné hodnotu chápat opatrně.
Jak zkoušku používat v praxi
Brinellova zkouška je vhodná zejména pro materiály s hrubší nebo méně homogenní strukturou, například odlitky, výkovky, konstrukční oceli, litiny a neželezné slitiny. Vtisk je poměrně velký, takže výsledek lépe průměruje lokální nerovnoměrnosti materiálu.
Naopak pro malé součásti, tenké vrstvy, velmi tvrdé povrchy nebo přesné laboratorní porovnávání bývají vhodnější jiné metody, například Vickersova zkouška, Rockwellova zkouška nebo Knoopova zkouška.
Orientační hodnoty tvrdosti podle Brinella
Následující hodnoty jsou pouze orientační. Skutečná tvrdost závisí na přesném složení materiálu, tepelném zpracování, stavu povrchu a podmínkách zkoušky. Pro technické rozhodování je nutné vycházet z materiálového listu nebo z měření podle příslušné normy.
| Materiál nebo stav | Orientační tvrdost | Poznámka |
|---|---|---|
| olovo | asi 5 HB | velmi měkký kov |
| čistý hliník | asi 15 HB | nízká tvrdost, závisí na čistotě a stavu |
| měď | asi 35 HB | měkký neželezný kov |
| hliníková slitina AW 6060, vytvrzená | asi 75 HB | běžná konstrukční slitina hliníku |
| měkká konstrukční ocel | přibližně 100–160 HB | podle jakosti a stavu materiálu |
| nerezová ocel 304, žíhaná | přibližně 150–200 HB | orientační rozsah pro austenitickou nerezovou ocel |
| šedá litina | přibližně 150–250 HB | hodnota výrazně závisí na struktuře litiny |
| otěruvzdorná kalená a popuštěná ocel | přibližně 400–700 HBW | u tvrdších materiálů se používá tvrdokovová kulička |
Brinellův tvrdoměr a tvrdoměr Poldi
Pro zkoušku se používá Brinellův tvrdoměr. V laboratořích se používají stabilní přístroje s řízeným zatížením a optickým měřením vtisku. Pro dílny, sklady, montáže nebo zkušební účely v terénu vznikly také jednodušší přenosné přístroje.
Známým příkladem je ruční přenosný tvrdoměr Poldi. Pracuje porovnávací metodou: kulička se při úderu vtiskne současně do zkoušeného materiálu a do porovnávací tyčinky známých vlastností. Z porovnání průměrů obou vtisků se pomocí tabulek určí přibližná tvrdost zkoušeného materiálu. Přenosné měření je praktické, ale nemá stejnou přesnost jako laboratorní normová zkouška.
Původní text vycházel ze zdroje [16] a ze stránky Pavla Kryštůfka; text byl věcně aktualizován podle současné terminologie HBW.
Převod tvrdosti na jiné stupnice
Přesný převod tvrdosti podle Brinella na jiné stupnice neexistuje. Převodní tabulky mezi Brinellem, Vickersem, Rockwellem nebo Shoreho tvrdostí jsou jen orientační, protože jednotlivé metody používají jiný vtiskovač, jiné zatížení a hodnotí jiný typ deformace materiálu. Převody mají smysl hlavně pro podobné skupiny kovových materiálů a vždy je vhodné uvést, z jaké tabulky pocházejí.
Časté otázky
Co znamená HBW?
HBW je moderní značka tvrdosti podle Brinella při použití kuličky z tvrdokovu, zpravidla z karbidu wolframu. Starší označení HB nebo HBS se vztahovalo k historickému použití ocelové kuličky.
Proč se používá tvrdokovová kulička?
Tvrdokovová kulička se při zkoušce méně deformuje než starší ocelová kulička. Výsledek je proto spolehlivější zejména u tvrdších kovových materiálů.
Lze převést Brinellovu tvrdost na Rockwellovu nebo Vickersovu?
Lze použít orientační převodní tabulky, ale nejde o přesný fyzikální převod. Výsledek závisí na materiálu, jeho tepelném zpracování a na použité zkušební metodě.
Kdy je Brinellova zkouška vhodnější než Vickersova?
Brinellova zkouška je vhodná pro větší vzorky, odlitky, výkovky a materiály s hrubší strukturou. Vickersova metoda je vhodnější pro menší vtisky, tenčí vrstvy a přesnější laboratorní měření.
Normy
- ČSN EN ISO 6506‑1 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Brinella. Část 1: Zkušební metoda.
- ČSN EN ISO 6506‑2 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Brinella. Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních zařízení.
- ČSN EN ISO 6506‑3 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Brinella. Část 3: Kalibrace referenčních destiček.
- ISO 6506‑1 – Metallic materials. Brinell hardness test. Part 1: Test method.
- ISO 6506‑2 – Metallic materials. Brinell hardness test. Part 2: Verification and calibration of testing machines.
- ISO 6506‑3 – Metallic materials. Brinell hardness test. Part 3: Calibration of reference blocks.
- ASTM E10 – Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials.