Durezza Vickers HV – Metodo di misurazione, formula, scale e applicazioni

La durezza Vickers è uno dei metodi più universali per misurare la durezza dei materiali metallici. Il metodo utilizza un penetratore di diamante a forma di piramide a base quadrata, che viene premuto sulla superficie del materiale da testare con una forza specifica. Dopo aver rimosso il carico, si misurano le due diagonali dell'impronta risultante e da queste si determina il valore di durezza, indicato con HV . Uno dei maggiori vantaggi del metodo Vickers è la possibilità di utilizzare la stessa geometria del penetratore per un'ampia gamma di forze di prova. Ciò consente di utilizzare il metodo sia per le classiche misurazioni di durezza in tutto il volume del materiale, sia per esaminare piccole aree della microstruttura, strati sottili, rivestimenti, zone termicamente alterate delle saldature e strati superficialmente induriti.

Che cosa significa la durezza Vickers HV?

Il simbolo HV sta per durezza Vickers . Il risultato è determinato dal rapporto tra la forza che agisce sul penetratore di diamante e la superficie laterale dell'impronta permanente lasciata nel materiale. Minore è l'impronta lasciata dopo l'applicazione di una data forza, maggiore è la durezza del materiale. Esempi del risultato potrebbero essere:

• 220 HV 10,
• 350 HV 30,
• 620 HV 1,
• 720 HV 0,5.

Il primo numero indica il valore di durezza, il simbolo HV identifica il metodo Vickers, mentre il numero che segue il simbolo HV identifica la forza di prova applicata, tradizionalmente espressa in chilogrammi-forza equivalenti. Ad esempio, 350 HV 30 indica una durezza Vickers di 350 ottenuta con una forza di prova equivalente a 30 kgf, ovvero circa 294,2 N.

Cos'è il metodo Vickers?

Il test inizia con la preparazione della superficie del campione e il suo posizionamento perpendicolare all'asse del penetratore. Un penetratore di diamante viene quindi premuto contro la superficie con una forza specificata. Una volta raggiunta la forza richiesta, questa viene mantenuta per un tempo specificato e quindi rimossa. Nel materiale rimane un'impronta permanente, di forma approssimativamente quadrata. Le sue due diagonali, d₁ e d₂ , vengono misurate utilizzando un sistema ottico o digitale . La loro media viene utilizzata per calcolare la durezza: d = (d₁ + d₂) / 2. La procedura può essere descritta come: preparazione della superficie → posizionamento del campione → applicazione del penetratore → applicazione della forza di prova → mantenimento del carico → scarico → misurazione di d₁ e d₂ → calcolo di HV.

Indentatore Vickers

Il metodo Vickers utilizza un penetratore di diamante a forma di piramide regolare con base quadrata . L'angolo tra le facce opposte del penetratore è di 136° . La scelta di quest'angolo non è casuale. Storicamente, la geometria è stata scelta per garantire che i risultati ottenuti nell'intervallo di durezza tipico siano paragonabili a quelli ottenuti con il metodo Brinell , eliminando al contempo le limitazioni intrinseche all'utilizzo di un penetratore sferico. Il diamante consente di testare materiali molto duri senza deformare permanentemente il penetratore stesso. Tuttavia, le condizioni della punta del penetratore sono molto importanti, soprattutto con forze basse e piccole indentazioni.

Formula della durezza Vickers

La durezza Vickers viene calcolata in base alla forza di prova e alla lunghezza diagonale media dell'impronta. Per una forza F espressa in newton, la relazione è: HV = 0,1891 × F / d² , dove:

• HV – Durezza Vickers,
• F – forza di prova [N],
• d – lunghezza media delle diagonali di stampa [mm].

Nella forma più antica e tuttora comune, quando la forza è espressa in chilogrammi-forza, la relazione utilizzata è: HV = 1,8544 × F / d² . Il valore di 1,8544 deriva dalla geometria del penetratore con un angolo di 136°.

Perché vengono misurate due diagonali della stampa?

L'impronta Vickers ideale dovrebbe essere un quadrato simmetrico. Tuttavia, nel materiale reale possono verificarsi variazioni dovute ad anisotropia, disomogeneità microstrutturale, preparazione della superficie o orientamento del campione. Pertanto, vengono misurate entrambe le diagonali dell'impronta e ne viene calcolata la media. Una differenza significativa tra d₁ e d₂ può indicare un problema con la misurazione, le condizioni della superficie, la geometria dell'impronta o la natura del materiale in esame. Criteri appropriati per la geometria e l'accettabilità dell'impronta devono essere applicati durante le prove secondo la norma.

Intervalli di forza nel metodo Vickers

La norma ISO 6507-1 suddivide la prova Vickers in tre intervalli di forza di prova. Ciò consente di utilizzare lo stesso principio di misurazione per testare le proprietà dei materiali sia in grandi volumi che in aree molto piccole.

HV 30, HV 10, HV 5, HV 1 e HV 0,5: cosa significano?

Il numero che segue il simbolo HV indica la forza di prova applicata. Non si tratta di un valore di durezza o di un numero sulla scala. Ad esempio:

Nel confrontare i risultati, occorre prestare attenzione alla forza applicata, soprattutto nell'intervallo di basso carico e bassa microdurezza.

Perché il metodo Vickers è così diffuso?

A differenza del metodo Rockwell, il metodo Vickers non richiede l'utilizzo di scale multiple con penetratori diversi. La geometria della piramide di diamante rimane la stessa, ma cambia principalmente la forza di prova. Ciò consente di testare materiali che vanno da metalli relativamente teneri ad acciai molto duri, carburi cementati e altri materiali duri. Il metodo è particolarmente utile quando è necessario confrontare la durezza di diverse aree di un singolo componente.

Durezza Vickers e dimensione dell'impronta

Man mano che la forza di prova diminuisce, le dimensioni dell'impronta si riducono. Ciò consente di esaminare aree sempre più piccole, ma allo stesso tempo aumentano di importanza gli errori legati alla preparazione della superficie, alla geometria del penetratore e alla precisione ottica. L'attuale norma ISO 6507-1:2023 specifica il metodo Vickers per impronte con una lunghezza diagonale da 0,020 mm a 1,400 mm . Al di sotto di 0,020 mm, l'incertezza associata alla misurazione ottica e alle imperfezioni nella geometria della punta del penetratore diventa talmente elevata che tale misurazione non rientra nell'ambito di applicazione della norma.

Preparazione della superficie per la prova Vickers

La qualità della superficie ha un impatto significativo sulla precisione della misurazione. I contorni dell'impronta devono essere chiaramente visibili, poiché il risultato dipende direttamente dalla lunghezza delle sue diagonali. La superficie deve essere:

• pulito,
• Piatto,
• senza scala e prodotti corrosione,
• adeguatamente liscio,
• senza graffi profondi che rendano difficile la lettura della stampa.

Le misurazioni della microdurezza richiedono una preparazione della superficie significativamente più complessa. Spesso sono necessarie la molatura e la lucidatura metallografica. Tuttavia, la preparazione del campione non deve causare surriscaldamento, schiacciamento o altre alterazioni alla microstruttura dello strato superficiale.

microdurezza Vickers

Una delle applicazioni più importanti del metodo Vickers è la misurazione della microdurezza . Applicando piccole forze, è possibile creare un'indentazione in un'area molto piccola del materiale. Ciò consente di esaminare singole zone microstrutturali, strati sottili e gradienti di durezza. La microdurezza Vickers viene utilizzata, tra le altre cose, per:

• studi sugli strati carburato,
• studi sugli strati nitrurato,
• esame degli strati dopo indurimento superficiale,
• test di rivestimenti metallici,
• misurazioni nella zona termicamente alterata delle saldature,
• testando le singole aree del giunto saldato,
• valutazione del gradiente di durezza dalla superficie al nucleo,
• ricerca sulla microstruttura dei materiali metallici.

Vickers nello studio degli strati carburati e nitrurati

Gli strati induriti termochimicamente presentano una durezza che varia con la distanza dalla superficie. Eseguendo una serie di indentazioni Vickers su una sezione trasversale del campione, è possibile determinare il profilo di durezza dalla superficie verso il nucleo. Ciò consente di valutare sia la durezza massima dello strato sia la sua profondità effettiva. Per questo motivo, la durezza Vickers è uno dei metodi fondamentali utilizzati per controllare i processi di carburazione, nitrurazione e altri processi di indurimento superficiale.

Misurazione della durezza della saldatura mediante il metodo Vickers

Il metodo Vickers è ampiamente utilizzato per valutare i giunti saldati. Da una singola sezione trasversale è possibile ricavare una serie di indentazioni, tra cui:

• materiale nativo,
• zona termicamente alterata HAZ,
• linea di fusione,
• saldare il metallo.

Le variazioni di durezza possono indicare cambiamenti microstrutturali che si verificano durante la saldatura. Le aree localizzate di maggiore durezza, ad esempio, associate alla formazione di strutture indurite, così come le aree di rammollimento del materiale , possono essere particolarmente significative . Una piccola indentazione Vickers consente di creare una mappa dettagliata delle variazioni di durezza lungo la sezione trasversale del giunto.

Acciai Vickers e inossidabili

Il metodo Vickers è particolarmente adatto per testare diversi gruppi di acciai inossidabili. Può essere applicato sia agli acciai austenitici teneri che agli acciai martensitici o a indurimento per precipitazione, molto più duri. Per gli acciai austenitici come 1.4301 / AISI 304 , 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 e 1.4404 / 316L , il metodo HV può essere utilizzato, tra l'altro, per valutare l'aumento di durezza dovuto all'incrudimento. Per gli acciai martensitici come 1.4021 , 1.4034 o 1.4125 , la misurazione può essere utilizzata per monitorare gli effetti dell'indurimento e del rinvenimento. Negli acciai a indurimento per precipitazione, ad esempio 1.4542 / 17-4PH , la durezza varia a seconda delle condizioni di trattamento termico, ad esempio H900, H1025, H1075, H1100 o H1150.

Acciai Vickers, duplex e superduplex

Gli acciai duplex contengono due fasi fondamentali: ferrite e austenite . Con una sollecitazione sufficientemente bassa, il metodo Vickers può essere utilizzato per valutare localmente la durezza della microstruttura. Nella ricerca tecnologica, le misurazioni di durezza vengono utilizzate anche per valutare l'effetto della saldatura e del trattamento termico sulle proprietà degli acciai duplex e superduplex. Tuttavia, occorre ricordare che il risultato dipende dalle dimensioni dell'impronta rispetto alle dimensioni dei componenti microstrutturali. Se l'impronta coinvolge più fasi, il valore ottenuto rappresenta il loro effetto combinato locale, non la durezza di una singola fase.

Vickers e materiali molto duri

Il penetratore di diamante consente di applicare il metodo Vickers anche a materiali con durezza molto elevata. La norma ISO 6507-1 riguarda i materiali metallici, inclusi i metalli duri e i carburi cementati. Per tali materiali, la corretta geometria del penetratore, la preparazione della superficie e la misurazione accurata dell'indentazione sono particolarmente importanti.

Spessore del campione e risultato HV

Il campione deve essere sufficientemente spesso da garantire che la zona di deformazione plastica al di sotto dell'indentazione non venga disturbata dalla superficie o dal substrato opposto. Ciò è particolarmente importante quando si testano lamiere sottili , strati e rivestimenti. Se il campione è troppo sottile, il risultato potrebbe riflettere non solo le proprietà del materiale in esame, ma anche l'influenza del substrato. Pertanto, lo spessore del campione e le dimensioni previste dell'indentazione devono essere presi in considerazione nella scelta della forza.

Distanza tra le stampe

Ogni indentazione provoca una deformazione plastica locale del materiale. Le indentazioni successive devono essere effettuate a una distanza sufficiente l'una dall'altra per evitare che le zone di deformazione si sovrappongano. Ciò è particolarmente importante nella creazione di profili di microdurezza, dove le indentazioni sono molto ravvicinate. La distanza dal bordo del campione deve inoltre essere sufficiente a impedire che la deformazione libera del materiale sul bordo possa falsare i risultati.

effetto dimensione di stampa ISE

In condizioni ideali, la durezza Vickers dovrebbe essere in gran parte indipendente dalla forza applicata, poiché la geometria del penetratore rimane simile indipendentemente dalla profondità di penetrazione. In pratica, a carichi molto bassi, può verificarsi l'effetto dimensione dell'indentazione (ISE) , ovvero la dipendenza del risultato di durezza ottenuto dalla dimensione dell'indentazione e dalla forza applicata. Questo fenomeno può derivare, tra gli altri fattori, dalle proprietà microstrutturali, dal recupero elastico del materiale, dalla preparazione della superficie, dal metodo di misurazione dell'indentazione e dalle imperfezioni nella geometria della punta del penetratore. Pertanto, i valori di microdurezza ottenuti a forze diverse non dovrebbero essere sempre confrontati acriticamente.

Perché è difficile misurare stampe di dimensioni molto ridotte?

Man mano che la forza diminuisce, la diagonale dell'indentazione si riduce. Anche un errore molto piccolo nella lettura della lunghezza della diagonale modificherà significativamente il valore HV calcolato, poiché la lunghezza della diagonale viene elevata al quadrato nella formula. Se la diagonale effettiva è di poche decine di micrometri, un errore di misurazione di un solo micrometro può avere un effetto notevole sul risultato. Per questo motivo, la norma ISO 6507-1:2023 non copre le misurazioni con una diagonale di indentazione inferiore a 0,020 mm.

Vickers a Brinell

Vickers a Rockwell

Conversione di HV in HRC e HBW

Nella pratica tecnica, è spesso necessario confrontare la durezza Vickers con i valori Rockwell o Brinell . Tuttavia, tali conversioni sono approssimative . Non esiste un'unica relazione universale valida per tutti i metalli, stati di trattamento termico e microstrutture. Per le conversioni è necessario utilizzare tabelle appropriate, come quelle conformi alla norma ISO 18265 o ASTM E140 , tenendo conto del gruppo di materiali. Acciai inossidabili austenitici , acciai duplex e superduplex , acciai a indurimento per precipitazione , ghise, leghe di nichel e metalli non ferrosi richiedono particolare cautela .

Vantaggi del metodo Vickers

I vantaggi più importanti del metodo includono:

• una gamma molto ampia di durezza che può essere testata,
• un tipo base di penetratore per diversi intervalli di forza,
• capacità di misurare materiali molto duri,
• la capacità di esaminare piccole aree della microstruttura,
• capacità di misurare la microdurezza,
• ottima applicazione per strati superficialmente induriti,
• la capacità di creare profili di durezza,
• ottima applicazione per testare i giunti saldati,
• la capacità di testare i rivestimenti rispettando i requisiti relativi al loro spessore e alla loro preparazione.

Limitazioni del metodo Vickers

Anche il metodo Vickers presenta delle limitazioni:

• richiede una misurazione ottica accurata della stampa,
• di solito è più lento di Metodi Rockwell,
• con forze ridotte richiede un'ottima preparazione della superficie,
• I risultati della microdurezza sono più sensibili agli errori di misurazione,
• stampe molto piccole possono portare a un'elevata incertezza del risultato,
• La microstruttura locale può influenzare fortemente il risultato a bassi carichi.

Gli errori più comuni nella misurazione dell'alta tensione

Le principali fonti di errore includono:

• preparazione inadeguata della superficie,
• lettura errata delle diagonali di stampa,
• un'impressione troppo piccola rispetto alle capacità del sistema ottico,
• campione impostato in modo errato,
• spessore del materiale troppo sottile,
• stampe realizzate troppo vicine tra loro o ai bordi,
• vibrazioni durante i test,
• penetratore danneggiato o contaminato,
• calibrazione o verifica errata del durometro,
• modificando le proprietà dello strato superficiale durante la molatura o la lucidatura.

Rivestimenti e film sottili

L'attuale norma ISO 6507-1:2023 copre anche i rivestimenti metallici e altri rivestimenti inorganici, inclusi i rivestimenti elettrolitici, autocatalitici, spruzzati e anodici su alluminio . La misurazione può essere eseguita perpendicolarmente alla superficie del rivestimento o su una sezione trasversale del rivestimento, a condizione che lo spessore, la levigatezza e le altre proprietà consentano un'indentazione e una lettura accurate. La norma non copre la misurazione perpendicolare alla superficie per rivestimenti con spessore inferiore a 0,030 mm o la misurazione su una sezione trasversale di un rivestimento con spessore inferiore a 0,100 mm . Per indentazioni e strati ancora più piccoli, possono essere appropriati i metodi di prova di durezza strumentale della norma ISO 14577.

Norme per la misurazione della durezza Vickers

La serie di norme internazionali di base per il metodo Vickers è la ISO 6507.

ISO 6507-1: 2023

La norma ISO 6507-1:2023 è l'attuale standard internazionale che specifica il metodo di prova di durezza Vickers per i materiali metallici. Copre tre intervalli di forza di prova: materiali metallici, metalli duri e carburi cementati, nonché alcuni rivestimenti metallici e inorganici. Questa norma sostituisce la precedente edizione della ISO 6507-1:2018.

ASTM E384

La norma ASTM E384 è uno standard importante per le prove di microdurezza con i metodi Vickers e Knoop . L'edizione corrente della norma ASTM E384-22 riguarda le prove eseguite con forze comprese tra circa 0,0098 N e 9,8 N , ovvero da 1 a 1000 gf. La norma ASTM presta particolare attenzione alla crescente incertezza delle indentazioni molto piccole e all'effetto della preparazione della superficie sul risultato. Nelle applicazioni che richiedono uno standard di accettazione specifico, è necessario utilizzare sempre il documento esatto specificato nell'ordine, nella specifica del materiale o nei requisiti del cliente.

La durezza Coulomb (HV) è una misura diretta della resistenza del materiale?

La durezza Vickers non è una misura diretta della resistenza alla trazione, del carico di snervamento o della resistenza all'urto. Possono esistere correlazioni tra durezza e tenacità all'interno di specifici gruppi di materiali, ma queste correlazioni non sono universali. Due materiali con lo stesso valore di durezza Vickers possono differire per microstruttura, duttilità, tenacità alla frattura, resistenza alla fatica e resistenza alla corrosione . Pertanto, il risultato della durezza Vickers deve essere interpretato insieme alle informazioni relative al grado del materiale, allo stato del trattamento termico e alle proprietà meccaniche richieste.

Quando è preferibile Vickers a Brinell o Rockwell?

Vickers È una scelta particolarmente adatta quando è necessario misurare una piccola area, il materiale è molto duro, si sta esaminando uno strato sottile, è necessario realizzare un profilo di durezza o è necessario confrontare la durezza di diverse aree della microstruttura. Brinell Spesso risulta più vantaggioso per fusioni o forgiature di grandi dimensioni e non uniformi, dove un'impronta ampia consente di uniformare la microstruttura. Rockwell Tuttavia, è molto conveniente per il controllo rapido della produzione in serie perché non richiede la misurazione ottica dell'indentazione.
Metodo Vickers è uno dei metodi di ricerca più versatili durezza dei materiali metallici. Usa Un penetratore diamantato a forma di piramide con base quadrata e angolo di 136° tra le pareti opposteIl risultato HV viene determinato in base alla forza di prova e alla lunghezza media delle due diagonali di indentazione. La possibilità di applicare un'ampia gamma di forze rende il test Vickers adatto sia per le classiche prove di durezza che per le misurazioni di microdurezza di strati induriti, rivestimenti, saldature e piccole aree di microstruttura.
La misurazione corretta richiede un'adeguata preparazione della superficie, uno spessore del campione appropriato, il mantenimento della corretta spaziatura tra le impronte e la misurazione accurata delle loro diagonali. Lo standard internazionale di base attualmente in vigore è ISO 6507-1: 2023, mentre nel campo della microdurezza è anche comunemente utilizzato ASTM E384-22.

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