Twardościomierz Brimella

Twardość ? cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie, pod wpływem zewnętrznego nacisku. Twardość jest istotną charakterystyką materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego z typu tych materiałów utworzono odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości. Twardością określa się odporność materiału na odkształcenia trwałe, które powstają pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe w zakresie tylko jednej metody.
Do pomiarów stosuję się metody:
? Brinella
? Vickersa
? Rockwella
Metoda Brinella - opracowana przez szwedzkiego inżyniera Johana Augusta Brinella (1849 - 1925) w 1900. Była to pierwsza ustandaryzowana metoda pomiaru twardości używana w metalurgii. Metoda wciąż używana, jednak duży rozmiar wgłębienia oraz możliwość uszkodzenia badanego elementu ograniczają użyteczność tej metody.
Próba twardości Brinella polega na wgniataniu pod zadanym obciążeniem stalowej kulki hartowanej lub kulki z węglików spiekanych o odpowiedniej średnicy siłą prostopadłą do powierzchni materiału przez zadany czas w płaską, odpowiednio gładką powierzchnię przedmiotu. Średnica odcisku (d) kulki w materiale mierzona po obciążeniu (F) jest podstawą obliczeń twardości.

Sposób wgniatania kulki podczas pomiaru twardości metodą Brinella.

Wgłębnikiem jest kulka ze stali hartowanej lub węglików spiekanych o średnicy (D) zależnej od grubości próbki (g):
? ? 10mm - grubość próbki >6mm;
? ? 5mm - grubość próbki >3mm;
? ? 2,5mm - grubość próbki >2mm;
? ? 1mm - grubość próbki >0,5mm.
Znormalizowany jest także nominalny czas działania obciążenia, a mianowicie:
? 10-15sek. - dla stali i żeliwa o HB > 100
? 30sek. - dla materiałów o 320 <= HB <= 100
? 60sek. - dla materiałów o HB < 320
Oznaczenie składa się z litery H - twardość (ang. hardness, niem. Harte) oraz B ? Brinella.
Twardość Brinella (HB) określa stosunek siły wciskającej wgłębnik do pola trwałego odcisku, który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału.

gdzie: ? siła obciążająca [kG]
? średnica kulki [mm]
? średnica odcisku [mm]

Grubość próbki ? powinna być, co najmniej 8 razy większa od głębokości odcisku, aby uniknąć wpływu właściwości podłoża, na którym umieszcza się przedmiot podczas wykonywania pomiaru.
Kształt badanej próbki ? możliwie płaski, umożliwiający nieruchome ustawienie przedmiotu tak, aby badana powierzchnia była prostopadła do kierunku działania siły obciążającej; dopuszcza się przeprowadzenie próby twardości na powierzchni, której najmniejszy promień krzywizny jest większy od trzykrotnej średnicy kulki
Jakość powierzchni ? gładka i oczyszczona ze zgorzeliny oraz smarów, przy wygładzaniu należy zachować ostrożność, aby nie zmienić twardości poprzez nagrzanie lub zgniot
Wielkość próbki - tak dobrana, aby odstęp środków odcisków był, co najmniej 4-krotnie większy od średnicy odcisku
Mikroskop pomiarowy (lupa wyskalowana) lub inny przyrząd pomiarowy używany do mierzenia średnicy d odcisku powinien zezwalać na pomiar:
? dla d 2,5mm z dokładnością do 0,01mm,
? dla d > 2,5mm z dokładnością do 0,05mm.
Średnicę odcisku mierzy się w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Średnia
arytmetyczna obu pomiarów służy do obliczenia lub odczytania twardości z tablic
stanowiących załącznik do normy PN-74/H-04350.

Twardościomierz Brinella:
1 ? cylinder,
2 ? tłok, 3 ? wgłębnik z kulką,
4 ? pompka ręczna,
5 ? manometr,
6 ? zawór zwrotny,
7 ? ciężarki,
8 ? przelew,
9 ? kulista podkładka,
10 ? śruba,
11 ? kółko ręczne,
12 ? próbka,
13 ? zawór przelewowy.

Na różne rodzaje materiałów stosujemy różne siły nacisku tj.:
? 3 tony - stale, staliwo, żeliwo, stopy miedzi, niklu i innych metali o twardości > 140 HB
? 1 tona - miedz, nikiel oraz ich stopy, stopy z aluminium o twardości > 80 HB
? 0,5 tony - miedź i jej stopy o twardości > 40 HB, aluminium i jego stopy, magnez, cynk
? 0,25 tony - Stopy łożyskowe
? 0,125 tony - Cyna, ołów i ich stopy o twardości < 20 HB

Zalety metody Brinella:
? możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie Rm. (zależności te kształtują się następująco: stal o twardości 125 < HB < 175 - Rm 0,343 HB; stal o twardości HB > 175 - Rm 0,362 HB; staliwo Rm (0,3 0,4) HB; żeliwo szare Rm (HB - 40) / 6; aluminium Rm 0,26 HB).
? możność stosowania tej metody do pomiaru twardości o strukturze niejednorodnej.

Wady metody Brinella:
? niemożność stosowania go do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich,
? kłopotliwy pomiar twardości ( mikroskop do pomiaru średnicy odcisku),
? zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę,
? znaczne uszkodzenie powierzchni.

Opisana metoda jest prosta i wygodna.