🔩 Twardość Brinella

Budownictwo PN-EN ISO 6506-1

Pomiar twardości metali metodą wciskania kulki z węglików spiekanych określoną siłą. Oznaczenie HBW — uniwersalna metoda dla stali, żeliwa i metali nieżelaznych.

Przegląd

Metoda Brinella jest jedną z najstarszych i najszerzej stosowanych metod pomiaru twardości metali, opracowaną przez szwedzkiego inżyniera Johana Augusta Brinella w 1900 roku. Polega na wciskaniu kulki z węglików spiekanych (oznaczenie HBW) o średnicy D (1; 2,5; 5 lub 10 mm) w powierzchnię badanego materiału pod działaniem znormalizowanej siły F, a następnie pomiarze średnicy powstałego odcisku.

Twardość Brinella jest szczególnie przydatna do badania materiałów o grubej lub niejednorodnej strukturze, takich jak żeliwa, odlewy, odkuwki i stale niestopowe. Duża kulka pozostawia stosunkowo duży odcisk, który uśrednia różnice lokalne w twardości materiału (np. grafit w żeliwie). Metoda nie nadaje się do materiałów bardzo twardych (>650 HBW) — wówczas stosuje się metodę Vickersa lub Rockwella.

Norma PN-EN ISO 6506-1 określa warunki badania: stosunek siły do kwadratu średnicy kulki (0,102 × F/D²) musi odpowiadać jednej z wartości znormalizowanych (1; 2,5; 5; 10; 15; 30). Dla stali standardowo stosuje się F/D² = 30 (tj. kulka 10 mm, siła 29,42 kN = 3000 kgf). Czas utrzymania obciążenia wynosi 10–15 s dla stali.

Wynik twardości Brinella zapisuje się w formacie: np. 200 HBW 10/3000/15, gdzie 200 to twardość, 10 — średnica kulki [mm], 3000 — siła [kgf], 15 — czas obciążenia [s].

Zasada metody

Kulka z węglików spiekanych (HBW) o średnicy D wciskana jest w powierzchnię badanego materiału pod działaniem siły F w określonym czasie. Siła zwiększana jest do wartości końcowej w ciągu 2–8 s i utrzymywana przez 10–15 s (dla stali). Po odciążeniu mierzy się średnicę odcisku d w dwóch prostopadłych kierunkach za pomocą mikroskopu pomiarowego. Twardość Brinella oblicza się ze wzoru: HBW = 0,102 × 2F / (πD(D - √(D² - d²))), lub odczytuje z tablic w normie PN-EN ISO 6506-4 na podstawie zmierzonej średnicy odcisku.

Zastosowania

Kontrola jakości stali konstrukcyjnej i maszynowej
Badanie żeliwa szarego, sferoidalnego i ciągliwego
Kontrola odbiorcza odkuwek i odlewów
Badanie metali nieżelaznych (aluminium, miedź, brąz)
Ocena stanu materiału po obróbce cieplnej
Korelacja twardości z wytrzymałością na rozciąganie (Rm ≈ 3,5 × HBW)
Ekspertyzy awaryjne — ocena degradacji materiału

Kluczowe parametry

Parametr	Wartość
Średnice kulki	1; 2,5; 5; 10 mm (węgliki spiekane HBW)
Siły badawcze	9,807 N do 29 420 N (1 kgf do 3000 kgf)
Stosunek F/D²	1; 2,5; 5; 10; 15; 30 (znormalizowane)
Czas obciążenia	10–15 s (stal), 10–180 s (metale nieżelazne)
Zakres twardości	≤650 HBW (powyżej — metoda Vickersa)
Dokładność pomiaru d	±0,5% średnicy odcisku

Norma

Numer normy: PN-EN ISO 6506-1:2014
Tytuł (PL): Metale — Pomiar twardości sposobem Brinella — Część 1: Metoda badań
Title (EN): Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method

Procedura krok po kroku

1. Przygotowanie powierzchni próbki

Powierzchnia badana musi być gładka (Ra ≤ 1,6 µm), płaska i wolna od tlenków. Szlifować papierem P240–P600 jeśli konieczne. Odtłuścić.

⏱ Czas: 5–15 min

2. Dobór parametrów badania

Dobrać średnicę kulki D i siłę F na podstawie materiału i grubości próbki. Dla stali: D = 10 mm, F = 29 420 N (F/D² = 30). Grubość próbki ≥ 8d.

⏱ Czas: 2 min

3. Weryfikacja twardościomierza

Wykonać pomiar na certyfikowanej płytce wzorcowej. Wynik musi mieścić się w zakresie niepewności certyfikatu. Jeśli nie — kalibracja.

⏱ Czas: 5 min

4. Umieszczenie próbki

Umieścić próbkę na stoliku twardościomierza. Zapewnić stabilne podparcie (nie może się przesuwać ani odkształcać). Wypoziomować.

⏱ Czas: 2 min

5. Wykonanie odcisku

Przyłożyć siłę wstępną. Zwiększyć do wartości końcowej F w ciągu 2–8 s. Utrzymać przez 10–15 s. Zwolnić obciążenie.

⏱ Czas: 30 s

6. Pomiar średnicy odcisku

Zmierzyć średnicę odcisku d w dwóch prostopadłych kierunkach za pomocą mikroskopu. Obliczyć średnią. Średnica musi spełniać: 0,24D ≤ d ≤ 0,6D.

⏱ Czas: 2 min

7. Obliczenie twardości

Obliczyć HBW ze wzoru lub odczytać z tablic w PN-EN ISO 6506-4. Zapisać wynik w pełnej formie (np. 185 HBW 10/3000/15).

⏱ Czas: 2 min

8. Wykonanie kolejnych odcisków

Wykonać minimum 3 odciski. Odległość między środkami odcisków ≥ 3d, odległość od krawędzi ≥ 2,5d.

⏱ Czas: 5 min

9. Obliczenie wyniku końcowego

Wynik = średnia arytmetyczna z minimum 3 pomiarów. Ocenić rozrzut — jeśli >5% od średniej, zbadać przyczynę.

10. Dokumentacja

Sporządzić sprawozdanie: materiał, wymiary, warunki badania (D, F, t), wyniki poszczególnych odcisków, średnia, norma odniesienia.

Wymagany sprzęt i aparatura

Sprzęt	Przykład	Orientacyjna cena
Twardościomierz Brinella stacjonarny	EMCO DuraVision G5, Wolpert/Wilson UH4000, Zwick/Roell ZHU	30 000–120 000 PLN
Komplet kulek z węglików spiekanych	Kulki HBW: Ø1, 2,5, 5, 10 mm — certyfikowane wg ISO 6506-3	200–800 PLN/kpl.
Mikroskop pomiarowy do odcisków	Zintegrowany z twardościomierzem lub zewnętrzny, powiększenie 20×–50×	3 000–15 000 PLN
Wzorce twardości (płytki odniesienia)	Certyfikowane CRM wg ISO 6506-3, np. 200 HBW, 400 HBW	500–2 000 PLN/szt.
Stolik i kowadło do mocowania próbek	Regulowany, z pryzmatami do próbek walcowych	1 000–5 000 PLN

Odczynniki, podłoża i materiały eksploatacyjne

Odczynnik	CAS	Szczegóły
Płytki wzorcowe twardości	—	Certyfikowane materiały odniesienia CRM do kalibracji twardościomierza, 2–3 zakresy
Papier ścierny (przygotowanie powierzchni)	—	Ziarnistość P120–P600 do szlifowania powierzchni próbki (Ra ≤ 1,6 µm)
Alkohol izopropylowy	67-63-0	Do odtłuszczania powierzchni próbki przed badaniem

Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP)

Twardościomierz — ryzyko zmiażdżenia palców przy opuszczaniu wgłębnika, nie trzymać próbki ręcznie
Ciężkie próbki metalowe — ryzyko urazów przy przenoszeniu
Opiłki metalowe przy szlifowaniu — okulary ochronne obowiązkowe
Alkohol izopropylowy — łatwopalny, stosować z dala od źródeł ognia

🔍 Znajdź laboratorium wykonujące to badanie