Tvrdoća prema Brinellu

Tvrdoća po Brinellu (oznaka: HB) je otpor što ga materijal pruža prodiranju zakaljene čelične kuglice prečnika D (mm), tlačene silom F (N). U ispitivanom materijalu nastaje otisak u obliku kuglične kalote promjera baze d i dubine h. Ispitivanje tvrdoće po Brinellu spada u grupu ispitivanja materijala bez razaranja (oštećenja površine su neznatna) i to je postupak utiskivanjem (penetracijom). Ovaj postupak ispitivanja tvrdoće materijala predložio je švedski inženjer Johan August Brinell 1900., i to je bio prvi široko prihvaćeni i standardizirani postupak ispitivanja tvrdoće materijala u nauci o materijalima.^[1]

Norme

Kod ispitivanja tvrdoće po Brinellu utiskivač je zakaljena čelična kuglica prečnik 10, 5, 2.5, 2 ili 1 mm, a sila se bira prema predviđenoj tvrdoći materijala. Sila se određuje iz formula:

294,2 D² za tvrdi,
98,07 D² za srednje tvrdi i
49,03 D² za mehki materijal.

Mjerenje je valjano ako prečnik utisnute kalote d iznosi od 0,25 do 0,5 promjera kuglice. Trajanje povećanja sile do konačne vrijednosti iznosi 15 sekundi, a njeno djelovanje traje 15, 30 ili 60 sekundi, da se omogući uspostava ravnoteže između utiskivača i plastično deformiranog uzorka. Što je materijal mekši to ispitivanje traje duže.

Prečnik kuglice (utiskivač) zavisi i od debljine uzorka koji se ispituje, pa tako se za :

za debljinu uzorka veću od 6 mm, koristi se kuglica promjera 10 mm;
za debljinu uzorka od 3 do 6 mm, koristi se kuglica promjera 5 mm;
za debljinu uzorka manju od 3 mm, koristi se kuglica promjera 2,5 mm.

Osim toga mora vrijediti, da debljina uzorka treba biti barem 8 puta veća od dubine utisnute kuglične kalote h. Ta su ograničenja potrebna da se na materijalima različitih tvrdoća i na uzorcima različitih debljina dobiju usporedivi rezultati, jer se može dogoditi da je udubljenje kuglice jedva vidljivo ili da kuglica sasvim probije uzorak. Tada su rezultati nepouzdani. Ako je prečnik otiska d manji od 0,25 D znači da je primijenjena premala sila, odnosno ako je d > 0,5 D znači da je sila bila prevelika.

Tvrdoća po Brinellu (oznaka: HB) iskazuje se kao naprezanje na površini udubljenja:

HB={\frac {F}{A}}={\frac {F}{\pi Dh}}

gdje je:
h – dubina udubljenja kuglične kalote (mm),
D – promjer zakaljene čelične kuglice (mm),
F – tlačna sila utiskivanja (N).
Dubinu udubljenja h teško je mjeriti.

Jednostavnije i znatno tačnije se mjeri promjer kalote udubljenja d, pa se tvrdoća po Brinellu dobija iz izraza:

{\mbox{HB}}=0,102{\frac {2F}{\pi D({D-{\sqrt {(D^{2}-d^{2})}})}}}

gdje se prečnik d računa iz aritmetičke sredine dvaju prečnika d₁ i d₂ računa

d={\frac {d_{1}+d_{2}}{2}}

Primjena tvrdoće po Brinellu

Tvrdoća po Brinellu se primjenjuje za sve metalne konstrukcijske materijale, čija tvrdoća ne prelazi 450 HB, ako se ispituje sa zakaljenom čeličnom kuglicom ili HBS (engl. Hardness Brinell Steel indenters), odnosno do 650 HB, ako se koristi kuglica od tvrdog materijala (volframov karbid) ili HBW (engl. Hardness Brinell Wolfram carbide). To znači da je Brinellovim postupkom moguće mjeriti tvrdoću elastoplastičnih materijala do 4500 N/mm², jer je tvrdoća zakaljene čelične kuglice od 6500 do 7000 N/mm².^[2]

Prednosti i nedostaci

Prednosti ispitivanja tvrdoće po Brinellu su:

lahko mjerenje veličine otiska, dovoljno je pomično mjerilo,
jednostavna priprema površine, dovoljno je i grubo brušenje,
metoda je selektivna; mjerno područje od 0 - 450 HB za čeličnu kuglicu.^[3]

Nedostaci ispitivanja tvrdoće po Brinellu su:

ne mogu se mjeriti materijali visoke tvrdoće,
tvrdoća zavisi od opterećenja, pa prema "stepenu opterećenja" treba izabrati odgovarajuću silu,
otisak je relativno velik, pa funkcionalno ili estetski nagrđuje površinu (ako se tvrdoća mjeri na proizvodu, a ne na uzorku).

Odnos između tvrdoće po Brinellu i vlačne čvrstoće

Poznato je da je omjer između vlačne čvrstoće čelika i tvrdoće po Brinellu skoro stalan, tako da se s priličnom sigurnošću može procijeniti vlačna čvrstoća čelika ako je poznata njegova tvrdoća:

za ugljične čelike: σ_M (N/mm²) ≈ 3,6 HB
za Cr čelike: σ_M (N/mm²) ≈ 3,5 HB
za Cr-Ni čelike: σ_M (N/mm²) ≈ 3,4 HB

Slični omjeri poznati su i za druge metale.

Uobičajene vrijednosti

Uobičajene vrijednosti za neke materijale mogu se naći u tabeli:

Tvrdoća po Brinellu
Materijal	Tvrdoća
Meko drvo (npr. bor)	1,6 HBS 10/100
Tvrdo drvo	2,6–7,0 HBS 1,6 10/100
Olovo	5 HB (čisto olovo; legirano olovo ima tvrdoću od 5 HB do 22 HB)
Aluminij	15 HB
Bakar	35 HB
Meki čelik	120 HB
18-8 (304) nehrđajući čelik (žaren)	200 HB^[4]
Staklo	1550 HB
Otvrdnuti alatni čelik	1500–1900 HB
Renij diborid	4600 HB
Bilješka: standardni uvjeti ispitivanja (ako nije istaknuto drugačije).

Usporedba raznih postupaka ispitivanja tvrdoće

Postoje razni postupci za ispitivanja tvrdoće, a ponekad i nije moguće sasvim tačno usporediti rane postupke, tako da sljedeća tabela daje približne vrijednosti, da bi se vrijednosti mogle usporediti:

Tvrdoća po Brinellu (10 mm kuglica, 3000 kg sila)	Tvrdoća po Vickersu HV (120 kg)	Tvrdoća po Rockwellu HRC (120º stožac, 150 kg)	Tvrdoća po Rockwellu HRB (1,5875 mm kuglica, 100 kg)	Leeb HLD^[5]
800	-	72	-	857
780	1220	71	-	850
760	1170	70	-	843
745	1114	68	-	837
725	1060	67	-	829
712	1021	66	-	824
682	940	65	-	812
668	905	64	-	806
652	867	63	-	799
626	803	62	-	787
614	775	61	-	782
601	746	60	-	776
590	727	59	-	770
576	694	57	-	763
552	649	56	-	751
545	639	55	-	748
529	606	54	-	739
514	587	53	120	731
502	565	52	119	724
495	551	51	119	719
477	534	49	118	709
461	502	48	117	699
451	489	47	117	693
444	474	46	116	688
427	460	45	115	677
415	435	44	115	669
401	423	43	114	660
388	401	42	114	650
375	390	41	113	640
370	385	40	112	635
362	380	39	111	630
351	361	38	111	621
346	352	37	110	617
341	344	37	110	613
331	335	36	109	605
323	320	35	109	599
311	312	34	108	588
301	305	33	107	579
293	291	32	106	572
285	285	31	105	565
276	278	30	105	557
269	272	29	104	550
261	261	28	103	542
258	258	27	102	539
249	250	25	101	530
245	246	24	100	526
240	240	23	99	521
237	235	23	99	518
229	226	22	98	510
224	221	21	97	505
217	217	20	96	497
211	213	19	95	491
206	209	18	94	485
203	201	17	94	482
200	199	16	93	478
196	197	15	92	474
191	190	14	92	468
187	186	13	91	463
185	184	12	91	461
183	183	11	90	459
180	177	10	89	455
175	174	9	88	449
170	191	7	87	443
167	168	6	87	439
165	165	5	86	437
163	162	4	85	434
160	159	3	84	430
156	154	2	83	425
154	152	1	82	423
152	150	-	82	420
150	149	-	81	417
147	147	-	80	413
145	146	-	79	411
143	144	-	79	408
141	142	-	78	405
140	141	-	77	404
135	135	-	75	397
130	130	-	72	390
114	120	-	67	365
105	110	-	62	350
95	100	-	56	331
90	95	-	52	321
81	85	-	41	300
76	80	-	37	287

Reference

^ Strojarski priručnik, Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
^ Tehnička enciklopedija, glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
^ [1] Arhivirano 17. 8. 2012. na Wayback Machine "Postupci mjerenja tvrdoće", www.vorax.hr/dokumenti/hr, 2011.
^ "304: the place to start" [2] 2009.
^ H.Pollok, „Umwertung der Skalen“ (“Conversion of Scales”), Qualität und Zuverlässigkeit, Ausgabe 4/2008.

[1] Strojarski priručnik, Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.

[2] Tehnička enciklopedija, glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.

[3] [1] Arhivirano 17. 8. 2012. na Wayback Machine "Postupci mjerenja tvrdoće", www.vorax.hr/dokumenti/hr, 2011.

[4] "304: the place to start" [2] 2009.

[5] H.Pollok, „Umwertung der Skalen“ (“Conversion of Scales”), Qualität und Zuverlässigkeit, Ausgabe 4/2008.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]