Twardość metali metodą Brinella — ISO 6506-1:2014

W badaniu na powierzchnię metalu działa określona siła poprzez kulkę o znanej średnicy. Po usunięciu obciążenia pozostaje odcisk. Mierzy się jego średnicę w dwóch prostopadłych kierunkach, a następnie wyznacza średnią. Wartość HBW wynika ze stosunku siły do powierzchni czaszy odcisku, dlatego sama średnica nie jest jeszcze wynikiem twardości.

Metoda ma ważną cechę praktyczną: odcisk jest stosunkowo duży. Dzięki temu wynik uśrednia właściwości większego obszaru niż w wielu metodach mikro- i małoobciążeniowych. Może to być zaletą przy materiałach niejednorodnych, gruboziarnistych, odlewach lub stopach wielofazowych. Jednocześnie duży odcisk wymaga dostatecznie grubej próbki i odpowiedniej przestrzeni od krawędzi oraz sąsiednich punktów.

Po zakończeniu cyklu obciążenia ogląda się odcisk w układzie optycznym. Mierzone są dwie średnice, zwykle oznaczane jako d₁ i d₂, w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Do dalszego wyznaczenia twardości wykorzystuje się ich średnią arytmetyczną d. Dla znanej średnicy kulki D oraz siły F oblicza się HBW z zależności geometrycznej odnoszącej siłę do powierzchni odcisku.

W praktyce urządzenia często wykonują obliczenie automatycznie albo korzystają z tablic. Nie zmienia to odpowiedzialności za prawidłowe zmierzenie granicy odcisku. Jeżeli obraz jest niewyraźny, krawędzie są zaburzone, powierzchnia ma zgorzelinę albo odcisk jest niesymetryczny wskutek lokalnej geometrii, program może podać precyzyjną liczbę opartą na nieprecyzyjnym pomiarze.

Powierzchnia badana powinna być na tyle płaska i czysta, aby granice odcisku były czytelne. Warstwa tlenków, farba, zgorzelina, zabrudzenie albo silna chropowatość mogą utrudniać odczyt. Z kolei zbyt agresywne szlifowanie może lokalnie przegrzać materiał lub zmienić jego stan przez umocnienie. Przygotowanie ma odsłonić reprezentatywną powierzchnię, a nie tworzyć nową właściwość.

Istotna jest również grubość. Praktyczne wytyczne zgodne z ISO 6506 wskazują, że próbka powinna mieć grubość co najmniej ośmiokrotnie większą niż głębokość odcisku, a na spodniej powierzchni nie powinno być widocznego odkształcenia spowodowanego badaniem. Ma to ograniczyć wpływ podpory i przebicia strefy odkształconej przez całą grubość.

Próbka musi spoczywać stabilnie. Powierzchnia podparcia i badana strefa powinny być ustawione tak, aby siła działała osiowo. Chwiejny element, nierównoległe powierzchnie lub ugięcie mogą zniekształcić odcisk i zwiększyć rozrzut wyników.

Mierzy się dwie średnice w prostopadłych kierunkach. Różnica między nimi jest jednocześnie sygnałem jakościowym: może wskazywać na wpływ anizotropii, krzywizny powierzchni, błędnego ustawienia lub niejednorodności. Nie należy mechanicznie uśredniać dwóch liczb bez obejrzenia, czy odcisk ma prawidłowy kształt i czy obie krawędzie są jednoznaczne.

Optyka, oświetlenie i kontrast mają bezpośredni wpływ na odczyt. Przy materiałach o wysokim połysku lub po obróbce powierzchniowej granica odcisku może dawać refleksy. Przy powierzchniach chropowatych problemem jest odróżnienie rzeczywistej krawędzi od lokalnych nierówności. W takich przypadkach warto stosować udokumentowaną procedurę ustawienia oświetlenia i ostrości.

W systemach automatycznej analizy obrazu operator nadal powinien sprawdzać wynik segmentacji. Automatyzacja zwiększa powtarzalność, ale nie eliminuje błędów wynikających ze złego przygotowania próbki lub niejednoznacznego obrazu.

Punkt nie powinien znajdować się tak blisko krawędzi, aby materiał mógł swobodnie „uciec” pod kulką. Również odciski położone zbyt blisko siebie mogą oddziaływać przez nakładające się strefy odkształcenia. Praktyczne objaśnienia metody podają orientacyjnie co najmniej 2,5 średnicy odcisku od krawędzi i około 3 średnic między sąsiednimi punktami; przy interpretacji trzeba zawsze odnieść się do wymagań właściwej procedury.

Dla odlewów i struktur wielofazowych pojedynczy pomiar może nie opisywać całego elementu. Lepszą informację daje zaplanowana seria punktów w miejscach odpowiadających rzeczywistej zmienności materiału. W raporcie warto pokazać nie tylko średnią, ale również liczbę punktów, rozrzut i sposób ich rozmieszczenia.

Jeżeli celem jest ocena bardzo małej strefy, warstwy nawęglonej albo wąskiej strefy wpływu ciepła, duży odcisk Brinella może uśredniać zbyt wiele materiału. W takich zastosowaniach częściej rozważa się Vickersa lub inną metodę o mniejszym odcisku.

Brinell mierzy średnicę stosunkowo dużego odcisku kulistego. Rockwell wyznacza twardość głównie z głębokości penetracji podczas określonego cyklu obciążenia. Vickers wykorzystuje diamentową piramidę i pomiar dwóch przekątnych odcisku. Różnice te mają znaczenie szczególnie w materiałach niejednorodnych, cienkich i utwardzanych powierzchniowo.

Nie należy zakładać, że jedna wartość HBW odpowiada zawsze jednej wartości HRC lub HV. ISO 18265:2013 podaje zasady i tablice konwersji, ale zaznacza, że wyniki przeliczone są bezpośrednio właściwe tylko dla dokładnie badanego materiału. Dla innych materiałów są wskaźnikiem, a nie substytutem prawidłowego badania.

Jeżeli specyfikacja produktu wymaga Brinella, najlepszą praktyką jest wykonanie Brinella. Konwersja ma zastosowanie pomocnicze, np. przy porównywaniu historycznych danych, ale nie powinna zastępować wymaganego pomiaru bez uzasadnienia.

W kontroli dostaw twardość może pomagać identyfikować zmianę gatunku, obróbki cieplnej albo partii technologicznej. W odlewnictwie duży odcisk bywa użyteczny, ponieważ obejmuje większą liczbę ziaren i składników mikrostruktury. W kontroli obróbki cieplnej może szybko wskazać, czy partia odbiega od spodziewanego zakresu.

Nie należy jednak utożsamiać twardości z wytrzymałością, udarnością lub odpornością na zużycie bez dodatkowego modelu i danych materiałowych. Dwa materiały o podobnym HBW mogą zachowywać się inaczej przy rozciąganiu albo zmęczeniu. Nawet zależność między twardością a wytrzymałością na rozciąganie jest materiałowo zależna; konwersje ISO 18265 należy stosować z ograniczeniami opisanymi w tym dokumencie.

Najbardziej użyteczny raport łączy HBW z identyfikacją materiału, stanem obróbki, miejscem pomiaru i wymaganiem akceptacyjnym. Wtedy wynik staje się elementem decyzji jakościowej, a nie tylko pojedynczą liczbą.