Der Brinell-Härtetest ist eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Messung, wie stark ein Material einer dauerhaften Einkerbung widersteht. Dabei wird eine harte Kugel unter einer bekannten Belastung in das Material gedrückt und gemessen, wie groß die Delle ist. Eine kleinere Delle bedeutet ein härteres Material. Diese einzelne Messung, die anhand einer in ASTM E10 und ISO 6506 standardisierten Formel durchgeführt wird, ergibt die Brinell-Härtezahl (BHN), die bei der Herstellung, Qualitätskontrolle und Materialauswahl verwendet wird.
So funktioniert der Brinell-Test
Eine Kugel aus gehärtetem Stahl oder Wolframcarbid mit einem bekannten Durchmesser D wird unter einer festen Last F in eine ebene, vorbereitete Oberfläche des Testmaterials gedrückt, für eine Standardverweilzeit gehalten und dann entfernt. Die resultierende kugelförmige Vertiefung wird über ihren Durchmesser d gemessen und BHN wird als Last dividiert durch die gekrümmte Oberfläche dieser Vertiefung berechnet: BHN = 2F / (πD(D − √(D² − d²))). Da der Test einen relativ großen, durchschnittlichen Eindruck hinterlässt, eignet sich der Brinell-Test besonders gut für grobkörnige oder ungleichmäßige Materialien wie Gussteile, bei denen ein Test in kleinerem Maßstab (wie Vickers oder Rockwell) abhängig davon, wo genau er landet, möglicherweise zu inkonsistenten Ergebnissen führt.
Von der Härte bis zur Zugfestigkeit
Bei vielen Stählen mit reinem Kohlenstoffgehalt und niedriglegierten Stählen folgt die Zugfestigkeit der Brinell-Härte auf ziemlich konsistente, annähernd lineare Weise – erfasst in der weit verbreiteten Näherung Rₘ (MPa) ≈ 3,45 × BHN, dokumentiert in ASTM A370. Dadurch kann eine schnelle, zerstörungsfreie Härtemessung anstelle einer groben Schätzung der Zugfestigkeit erfolgen, ohne dass an jedem Teil ein vollständiger zerstörender Zugversuch durchgeführt werden muss. Die Korrelation gilt für die Stähle, aus denen sie abgeleitet wurde, gut, schwächt sich jedoch für andere Legierungsfamilien ab – Aluminium, Titan und hochlegierte Stähle können erheblich abweichen, daher sollte die Schätzung als Planungszahl und nicht als zertifizierter Wert behandelt werden. Verwandte Materialeigenschaften-Tools finden Sie im begleitenden Young's Modulus Calculator und Spannungsrechner.
Auswahl des richtigen Eindringkörpers und der richtigen Ladung
Standardtestbedingungen kombinieren einen Kugeldurchmesser mit einer proportionalen Last, sodass der resultierende Eindruckdurchmesser in einen zuverlässigen Messbereich fällt (typischerweise 0,24 D bis 0,6 D). Ein zu kleiner Eindruck ist schwer präzise zu messen, und bei einem zu großen Eindruck besteht die Gefahr, dass der Eindringkörper eigene Kanteneffekte verursacht oder dünnes Material durchstößt. Eine 10-mm-Kugel mit einer Belastung von 3.000 kgf ist die häufigste Kombination für Stahl und Gusseisen; Kleinere Kugeln und leichtere Lasten (5 mm/750 kgf, 2,5 mm/187,5 kgf usw.) werden für dünnere Abschnitte oder weichere Materialien verwendet, um die Einkerbung proportional zu halten.
Grenzen dieses einfachen Modells
Dieser Rechner implementiert die Standard-BHN-Formel und die ASTM A370-Zugfestigkeitsnäherung, aber echte Brinell-Tests stellen zusätzliche Anforderungen, die diese einfache Berechnung nicht erzwingt: Mindestprobendicke (ungefähr 10x die Eindringtiefe), um zu verhindern, dass die Wirkung des Eindringkörpers die Rückseite erreicht, eine flache und ordnungsgemäß vorbereitete Testoberfläche, korrekte Verweilzeit und Eindringkörper-/Lastkombinationen, die gemäß den Tabellen ASTM E10 oder ISO 6506 ausgewählt werden. Bei der Schätzung der Zugfestigkeit handelt es sich um eine empirische Korrelation für gängige Stähle und nicht um ein physikalisches Gesetz. Für andere Legierungen oder für jedes Ergebnis, das in eine sicherheitskritische Entscheidung einfließt, ist eine Bestätigung anhand eines tatsächlichen Zugversuchs oder der zertifizierten Daten zu den mechanischen Eigenschaften des Materials erforderlich.