Brinell-kovuus

Brinell-kovuus on kokeellinen mitta-asteikko, jolla voidaan vertailla eri materiaalien, varsinkin metallien ja metalliseosten kovuutta. Mittausmenetelmän, johon asteikko perustuu, keksi ruotsalainen insinööri Johan August Brinell vuonna 1900. Alun perin Brinell-kovuus määriteltiin puristamalla teräskuulaa tutkittavaa materiaalia vastaan. Kovuus määriteltiin puristavan voiman suhteena sen jättämän kuopan pinta-alaan.

Brinellin koe

Brinellin kovuustestiä käytetään yleisesti materiaalitieteessä ja metallurgiassa.

Mittausmenetelmä

Tavallisimmin Brinellin kovuustestissä käytetään läpimitaltaan 10 millimetrin suuruista teräskuulaa, jolla painetaan tutkittavaan aineeseen kuoppa 3000 kilopondin (noin 29 000 newtonin) voimalla. Pehmeisiin materiaaleihin käytetään pienempää voimaa, kovimpiin materiaaleihin taas teräskuulan sijasta volframikarbidista valmistettua kuulaa. Tutkittavan materiaalin pintaan syntyvä kuoppa mitataan, ja materiaalin kovuus lasketaan seuraavasti:

$\operatorname {BHN} ={\frac {2P}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}$

missä:

P = puristava voima (yksikkönä tavallisesti kilopondi)

D = puristavan kappaleen läpimitta (yksikkönä millimetri)

d = syntyvän kuopan läpimitta (yksikkönä millimetri)

Käytettessä SI-yksiköitä, jolloin voiman yksikkönä on newton, saadaan materiaalin kovuuden yksiköksi pascal. Suuruusluokkansa vuoksi se on luonnollisempaa ilmaista megapascaleina, jota yksikkönä käytettäessä Brinellin kovuudelle käytetään tunnusta BHN. Tavallisesti Brinellin kovuus ilmaistaan kuitenkin kilopondeina neliömillimetriä kohti, ja tällöin, mikäli voimayksikkönä on käytetty newtonia, on edellä olevasta kaavasta saatu luku kerrottava vakiolla 0,102. Tällä asteikolla mitatulle Brinellin kovuudelle käytetään tunnusta HB.

Esimerkiksi, jos pallon halkaisija on 10 mm, käytetty voima 1 kilopondi (9,81 newtonia) ja syntyvän kuopan läpimitta 9 mm, on materiaalin kovuus

$\operatorname {BH} ={\frac {2kp}{\pi 10mm-{\sqrt {10mm^{2}-(1mm)^{2}}}}}=1,27kp/mm^{2}$

Eri aineiden kovuuksia

Brinellin kokeessa käytetty kuula on tavallisimmin terästä tai volframikarbidia. Koska kokeen tulos riippuu myös kuulan materiaalista, käytetään Brinellin kovuudelle tunnusta HBW, jos käytetty kuula on volframikarbidia, ja HBS, jos se on terästä. Kovuudet ilmaistaan tavallisesti esimerkiksi muodossa "HBW 10/300", missä 10 merkitsee kuulan läpimittaa millimetreinä ja 3000 voimaa kilopondeina. Vaikka Brinell-kovuusluvut itse asiassa tarkoittavat kilopondeja neliömillimetriä kohti, jätetään yksikkö tavallisimmin pois.

Kovuus voidaan ilmaista myös muodossa XXX HB YYD². Tällöin XXX on käytetty voima kilopondeina, ja tunnus YY ilmaisee materiaalin tyypin: 5 alumiiniseoksille, 10 kupariseoksille ja 30 teräksille. Täten tyypillisen teräksen kovuus voidaan ilmoittaa muodossa

250 HB 30D².

Teknisesti tärkeiden aineiden Brinellin kovuuksia

Materiaali	Kovuus
havupuu, esimerkiksi mänty	1,6 HBS 10/100
koivu	2,2 ... 2,7
tammi	2,9 ... 3,7
kovapuu	2.6–7.0 HBS 1.6 10/100
lyijy	5.0 HB (puhdas lyijy; lyijyseosten kovuus vaihtelee tästä arvoon 22.0 HB saakka)
puhdas alumiini	15 HB
kupari	35 HB
tavallinen rakenneteräs	120 HB
18–8 (304) ruostumaton teräs annealed	200 HB
lasi	1550 HB
karkaistu työkaluteräs	600–900 HB (HBW 10/3000)
reniumdiboridi	4600 HB
Huomautus: normaalit testiolosuhteet, ellei toisin mainita

Lähteet

• David Tabor: The Hardness of Metals. Oxford University Press, 2000. 0-19-850776-3. Teoksen verkkoversio.

Aiheesta muualla

• Kovuuksien muunnostaulukko Rockwell - (Brinell, Rockwell A,B,C)
• Struers hardness conversion table (Vickers, Brinell, Rockwell B,C,D)
• Brinell Hardness HB conversion chart (Arkistoitu – Internet Archive) (N/mm2, Brinell, Vickers, Rockwell C)
• Rasitus: Brinellin kovuuskoe Tampereen teknillisen yliopiston materiaaliopin laitos. Arkistoitu 23.9.2015. Viitattu 8.3.2014.
• Teräksen fysikaaliset ominaisuudet sekä murtolujuus vs. kovuus Rautaruukki. Viitattu 8.3.2014.