Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór, skale i zastosowanie

Twardość Vickersa jest jedną z najbardziej uniwersalnych metod pomiaru twardości materiałów metalicznych. Metoda wykorzystuje diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu, który wciskany jest w powierzchnię badanego materiału z określoną siłą. Po usunięciu obciążenia mierzone są dwie przekątne powstałego odcisku, a na ich podstawie wyznaczana jest wartość twardości oznaczana symbolem HV. Jedną z największych zalet metody Vickersa jest możliwość stosowania tej samej geometrii wgłębnika w bardzo szerokim zakresie sił badawczych. Dzięki temu metoda może być wykorzystywana zarówno do klasycznych pomiarów twardości materiału w całej objętości, jak i do badania niewielkich obszarów mikrostruktury, cienkich warstw, powłok, stref wpływu ciepła spoin oraz warstw utwardzanych powierzchniowo.

Co oznacza twardość Vickersa HV?

Symbol HV oznacza twardość Vickersa. Wynik określany jest na podstawie stosunku siły działającej na diamentowy wgłębnik do powierzchni bocznej trwałego odcisku powstałego w materiale. Im mniejszy odcisk pozostaje po zastosowaniu określonej siły, tym większa jest twardość materiału. Przykładowe oznaczenia wyniku mogą mieć postać:

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

Pierwsza liczba oznacza wartość twardości, symbol HV określa metodę Vickersa, natomiast liczba znajdująca się za symbolem HV określa zastosowaną siłę badawczą wyrażaną tradycyjnie jako równoważnik kilogram-siły. Przykładowo 350 HV 30 oznacza twardość Vickersa równą 350 uzyskaną przy sile badawczej odpowiadającej 30 kgf, czyli około 294,2 N.

Na czym polega metoda Vickersa?

Badanie rozpoczyna się od przygotowania powierzchni próbki i ustawienia jej prostopadle do osi wgłębnika. Diamentowy wgłębnik zostaje następnie dociśnięty do powierzchni z określoną siłą. Po osiągnięciu wymaganej wartości siła utrzymywana jest przez określony czas, a następnie usuwana. W materiale pozostaje trwały odcisk mający w rzucie kształt zbliżony do kwadratu. Za pomocą układu optycznego lub cyfrowego mierzy się jego dwie przekątne d₁ i d₂. Do obliczenia twardości wykorzystuje się ich średnią:d = (d₁ + d₂) / 2Procedurę można przedstawić jako:przygotowanie powierzchni → ustawienie próbki → przyłożenie wgłębnika → zastosowanie siły badawczej → utrzymanie obciążenia → odciążenie → pomiar d₁ i d₂ → obliczenie HV

Wgłębnik Vickersa

W metodzie Vickersa stosowany jest diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa prawidłowego o podstawie kwadratu. Kąt pomiędzy przeciwległymi ścianami wgłębnika wynosi 136°. Dobór tego kąta nie był przypadkowy. Geometria została historycznie dobrana w taki sposób, aby wyniki uzyskiwane w typowym zakresie twardości były porównywalne z wartościami otrzymywanymi metodą Brinella, przy jednoczesnym wyeliminowaniu ograniczeń wynikających ze stosowania kulistego wgłębnika. Diament umożliwia badanie bardzo twardych materiałów bez trwałego odkształcania samego wgłębnika. Stan jego końcówki ma jednak bardzo duże znaczenie, szczególnie przy małych siłach i niewielkich odciskach.

Wzór na twardość Vickersa

Twardość Vickersa oblicza się na podstawie siły badawczej oraz średniej długości przekątnej odcisku. Dla siły F wyrażonej w niutonach zależność ma postać:HV = 0,1891 × F / d²gdzie:

• HV – twardość Vickersa,
• F – siła badawcza [N],
• d – średnia długość przekątnych odcisku [mm].

W starszej i nadal często spotykanej postaci, gdy siłę podaje się w kilogramach-siły, stosowana jest zależność:HV = 1,8544 × F / d²Wartość 1,8544 wynika z geometrii wgłębnika o kącie 136°.

Dlaczego mierzy się dwie przekątne odcisku?

Idealny odcisk Vickersa powinien mieć kształt symetrycznego kwadratu. W rzeczywistym materiale mogą jednak występować różnice wynikające z anizotropii, niejednorodności mikrostruktury, przygotowania powierzchni lub ustawienia próbki. Dlatego mierzy się obie przekątne odcisku i oblicza ich średnią. Znaczna różnica pomiędzy d₁ i d₂ może wskazywać na problem z pomiarem, stanem powierzchni, geometrią odcisku lub charakterem badanego materiału. Przy badaniach wykonywanych zgodnie z normą należy stosować odpowiednie kryteria dotyczące geometrii i dopuszczalności odcisku.

Zakresy sił w metodzie Vickersa

ISO 6507-1 dzieli badanie Vickersa na trzy zakresy siły badawczej. Pozwala to stosować tę samą zasadę pomiaru zarówno do badania właściwości materiału w większej objętości, jak i bardzo małych obszarów.

HV 30, HV 10, HV 5, HV 1 i HV 0,5 – co oznaczają?

Liczba umieszczona za symbolem HV informuje o zastosowanej sile badawczej. Nie jest to wartość twardości ani numer skali. Przykładowo:

Przy porównywaniu wyników należy zwracać uwagę na zastosowaną siłę, szczególnie w zakresie małych obciążeń i mikrotwardości.

Dlaczego metoda Vickersa jest tak uniwersalna?

W przeciwieństwie do Rockwella metoda Vickersa nie wymaga stosowania wielu różnych skal wykorzystujących różne wgłębniki. Geometria diamentowej piramidy pozostaje taka sama, a zmienia się przede wszystkim siła badawcza. Pozwala to badać materiały od stosunkowo miękkich metali aż po bardzo twarde stale, węgliki spiekane i inne twarde materiały. Metoda jest szczególnie cenna, gdy potrzebne jest porównanie twardości różnych obszarów jednego elementu.

Twardość Vickersa a wielkość odcisku

Wraz ze zmniejszeniem siły badawczej zmniejszają się wymiary odcisku. Umożliwia to badanie coraz mniejszych obszarów, ale jednocześnie rośnie znaczenie błędów związanych z przygotowaniem powierzchni, geometrią wgłębnika i dokładnością układu optycznego. Aktualna ISO 6507-1:2023 określa metodę Vickersa dla odcisków o długości przekątnej od 0,020 mm do 1,400 mm. Poniżej 0,020 mm niepewność związana z pomiarem optycznym oraz niedoskonałościami geometrii końcówki wgłębnika staje się na tyle duża, że taki pomiar znajduje się poza zakresem tej normy.

Przygotowanie powierzchni do badania Vickersa

Jakość powierzchni ma bardzo duży wpływ na dokładność pomiaru. Granice odcisku muszą być wyraźnie widoczne, ponieważ wynik zależy bezpośrednio od długości jego przekątnych. Powierzchnia powinna być:

• czysta,
• płaska,
• pozbawiona zgorzeliny i produktów korozji,
• odpowiednio gładka,
• pozbawiona głębokich rys utrudniających odczyt odcisku.

W przypadku pomiarów mikrotwardości wymagania dotyczące przygotowania powierzchni są znacznie większe. Często konieczne jest szlifowanie i polerowanie metalograficzne. Przygotowanie próbki nie może jednak powodować przegrzania, zgniotu ani innych zmian mikrostruktury warstwy przypowierzchniowej.

Mikrotwardość Vickersa

Jednym z najważniejszych zastosowań metody Vickersa jest pomiar mikrotwardości. Przy zastosowaniu niewielkich sił odcisk może być wykonany w bardzo małym obszarze materiału. Pozwala to badać poszczególne strefy mikrostruktury, cienkie warstwy i gradienty twardości. Mikrotwardość Vickersa wykorzystuje się między innymi do:

• badania warstw nawęglanych,
• badania warstw azotowanych,
• badania warstw po hartowaniu powierzchniowym,
• badania powłok metalicznych,
• pomiarów w strefie wpływu ciepła spoin,
• badania poszczególnych obszarów złącza spawanego,
• oceny gradientu twardości od powierzchni do rdzenia,
• badań mikrostruktury materiałów metalicznych.

Vickers w badaniu warstw nawęglanych i azotowanych

Warstwy utwardzane cieplno-chemiczni mają twardość zmieniającą się wraz z odległością od powierzchni. Wykonując serię odcisków Vickersa na przekroju próbki, można określić profil twardości od powierzchni w kierunku rdzenia. Pozwala to ocenić zarówno maksymalną twardość warstwy, jak i jej efektywną głębokość. Z tego powodu Vickers jest jedną z podstawowych metod wykorzystywanych przy kontroli nawęglania, azotowania i innych procesów utwardzania powierzchniowego.

Pomiar twardości spoin metodą Vickersa

Metoda Vickersa jest szeroko wykorzystywana do oceny złączy spawanych. W jednym przekroju można wykonać serię odcisków obejmujących:

• materiał rodzimy,
• strefę wpływu ciepła HAZ,
• linię wtopienia,
• metal spoiny.

Zmiany twardości mogą wskazywać na przemiany mikrostrukturalne powstałe podczas spawania. Szczególnie istotne mogą być lokalne obszary o podwyższonej twardości, związane na przykład z powstawaniem struktur hartowniczych, oraz obszary zmiękczenia materiału. Mały odcisk Vickersa pozwala stworzyć szczegółową mapę zmian twardości w przekroju złącza.

Vickers a stale nierdzewne

Metoda Vickersa bardzo dobrze nadaje się do badania różnych grup stali nierdzewnych. Może być stosowana zarówno do miękkich stali austenitycznych, jak i znacznie twardszych stali martenzytycznych czy utwardzanych wydzieleniowo. W przypadku stali austenitycznych, takich jak 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 oraz 1.4404 / 316L, metoda HV może służyć między innymi do oceny wzrostu twardości spowodowanego zgniotem. W stalach martenzytycznych, takich jak 1.4021, 1.4034 czy 1.4125, pomiar może służyć do kontroli efektów hartowania i odpuszczania. W stalach utwardzanych wydzieleniowo, np. 1.4542 / 17-4PH, twardość zmienia się w zależności od stanu obróbki cieplnej, np. H900, H1025, H1075, H1100 lub H1150.

Vickers a stale duplex i superduplex

W stalach duplex występują dwie podstawowe fazy: ferryt i austenit. Przy odpowiednio małej sile metoda Vickersa może być wykorzystywana do lokalnej oceny twardości mikrostruktury. W badaniach technologicznych pomiary twardości są również stosowane do oceny wpływu spawania i obróbki cieplnej na właściwości stali duplex oraz superduplex. Należy jednak pamiętać, że wynik zależy od wielkości odcisku w stosunku do wielkości składników mikrostruktury. Jeżeli odcisk obejmuje kilka faz, otrzymana wartość reprezentuje ich lokalny efekt łączny, a nie twardość pojedynczej fazy.

Vickers a materiały bardzo twarde

Diamentowy wgłębnik pozwala stosować metodę Vickersa również do materiałów o bardzo wysokiej twardości. ISO 6507-1 obejmuje materiały metaliczne, w tym metale twarde i węgliki spiekane. W przypadku takich materiałów szczególnie ważne są prawidłowa geometria wgłębnika, przygotowanie powierzchni oraz dokładny pomiar odcisku.

Grubość próbki a wynik HV

Próbka musi być wystarczająco gruba, aby strefa odkształcenia plastycznego pod odciskiem nie była zakłócana przez przeciwległą powierzchnię lub podłoże. Problem ma szczególne znaczenie podczas badania cienkich blach, warstw i powłok. Jeżeli próbka jest zbyt cienka, wynik może reprezentować nie tylko właściwości badanego materiału, lecz również wpływ podłoża. Dlatego przy doborze siły należy uwzględnić grubość próbki oraz przewidywany wymiar odcisku.

Odległość między odciskami

Każdy odcisk powoduje lokalne odkształcenie plastyczne materiału. Kolejne odciski muszą być wykonane w odpowiedniej odległości, aby ich strefy odkształcenia nie wpływały na siebie. Ma to szczególne znaczenie przy wykonywaniu profili mikrotwardości, gdzie odciski umieszczane są bardzo blisko siebie. Odległość od krawędzi próbki również musi być wystarczająca, aby swobodne odkształcenie materiału przy krawędzi nie zafałszowało wyniku.

Efekt wielkości odcisku ISE

W idealnych warunkach twardość Vickersa powinna być w dużym stopniu niezależna od zastosowanej siły, ponieważ geometria wgłębnika pozostaje podobna niezależnie od głębokości penetracji. W praktyce przy bardzo małych obciążeniach może występować indentation size effect – ISE, czyli zależność uzyskanego wyniku twardości od wielkości odcisku i zastosowanej siły. Zjawisko to może wynikać między innymi z właściwości mikrostruktury, sprężystego odzysku materiału, przygotowania powierzchni, sposobu pomiaru odcisku oraz niedoskonałości geometrii końcówki wgłębnika. Dlatego wartości mikrotwardości uzyskane przy różnych siłach nie zawsze powinny być bezkrytycznie porównywane.

Dlaczego bardzo małe odciski są trudne do pomiaru?

Wraz ze zmniejszaniem siły maleją przekątne odcisku. Wtedy nawet bardzo mały błąd odczytu długości przekątnej powoduje istotną zmianę obliczonego HV, ponieważ we wzorze długość przekątnej występuje w drugiej potędze. Jeżeli rzeczywista przekątna wynosi zaledwie kilkadziesiąt mikrometrów, błąd pomiaru rzędu pojedynczego mikrometra może mieć zauważalny wpływ na wynik. Z tego powodu ISO 6507-1:2023 nie obejmuje pomiarów z przekątną odcisku mniejszą niż 0,020 mm.

Vickers a Brinell

Vickers a Rockwell

Przeliczanie HV na HRC i HBW

W praktyce technicznej często zachodzi potrzeba porównania twardości Vickersa z wartościami Rockwella lub Brinella. Przeliczenia takie są jednak przybliżone. Nie istnieje jedna uniwersalna zależność obowiązująca dla wszystkich metali, stanów obróbki cieplnej i mikrostruktur. Do konwersji należy stosować odpowiednie tablice, między innymi według ISO 18265 lub ASTM E140, z uwzględnieniem grupy materiałowej. Szczególnej ostrożności wymagają stale nierdzewne austenityczne, stale duplex i superduplex, stale utwardzane wydzieleniowo, żeliwa, stopy niklu oraz metale nieżelazne.

Zalety metody Vickersa

Do najważniejszych zalet metody należą:

• bardzo szeroki zakres twardości możliwy do badania,
• jeden podstawowy typ wgłębnika dla różnych zakresów sił,
• możliwość pomiaru bardzo twardych materiałów,
• możliwość badania niewielkich obszarów mikrostruktury,
• możliwość pomiaru mikrotwardości,
• bardzo dobre zastosowanie do warstw utwardzanych powierzchniowo,
• możliwość wykonywania profili twardości,
• bardzo dobre zastosowanie do badań złączy spawanych,
• możliwość badania powłok przy spełnieniu wymagań dotyczących ich grubości i przygotowania.

Ograniczenia metody Vickersa

Metoda Vickersa ma również ograniczenia:

• wymaga dokładnego pomiaru optycznego odcisku,
• jest zwykle wolniejsza od metody Rockwella,
• przy małych siłach wymaga bardzo dobrego przygotowania powierzchni,
• wyniki mikrotwardości są bardziej wrażliwe na błędy pomiarowe,
• bardzo małe odciski mogą prowadzić do dużej niepewności wyniku,
• lokalna mikrostruktura może silnie wpływać na wynik przy małych obciążeniach.

Najczęstsze błędy podczas pomiaru HV

Do najważniejszych źródeł błędów należą:

• niewłaściwe przygotowanie powierzchni,
• błędny odczyt przekątnych odcisku,
• zbyt mały odcisk w stosunku do możliwości układu optycznego,
• nieprawidłowo ustawiona próbka,
• zbyt mała grubość materiału,
• odciski wykonane zbyt blisko siebie lub krawędzi,
• drgania podczas badania,
• uszkodzony lub zanieczyszczony wgłębnik,
• nieprawidłowa kalibracja lub weryfikacja twardościomierza,
• zmiana właściwości warstwy powierzchniowej podczas szlifowania lub polerowania.

Powłoki i cienkie warstwy

Aktualna ISO 6507-1:2023 obejmuje również metaliczne oraz inne nieorganiczne powłoki, między innymi powłoki elektrolityczne, autokatalityczne, natryskiwane oraz warstwy anodowe na aluminium. Pomiar może być wykonywany prostopadle do powierzchni powłoki albo na jej przekroju, jeżeli grubość, gładkość i pozostałe właściwości pozwalają na prawidłowe wykonanie i odczyt odcisku. Norma nie obejmuje pomiaru prostopadłego do powierzchni dla powłok o grubości poniżej 0,030 mm ani pomiaru na przekroju powłoki o grubości poniżej 0,100 mm. Dla jeszcze mniejszych odcisków i warstw mogą być właściwe metody instrumentalnego badania twardości według ISO 14577.

Normy dotyczące pomiaru twardości Vickersa

Podstawową międzynarodową serią norm dotyczącą metody Vickersa jest ISO 6507.

ISO 6507-1:2023

ISO 6507-1:2023 jest aktualną międzynarodową normą określającą metodę badania twardości Vickersa materiałów metalicznych. Obejmuje trzy zakresy sił badawczych, materiały metaliczne, metale twarde i węgliki spiekane, a także określone powłoki metaliczne i nieorganiczne. Norma zastąpiła wcześniejsze wydanie ISO 6507-1:2018.

ASTM E384

ASTM E384 jest ważną normą dotyczącą badań mikrotwardości metodami Vickersa i Knoopa. Aktualne wydanie ASTM E384-22 obejmuje badania wykonywane przy siłach od około 0,0098 N do 9,8 N, czyli od 1 do 1000 gf. ASTM zwraca szczególną uwagę na rosnącą niepewność pomiaru bardzo małych odcisków oraz wpływ przygotowania powierzchni na wynik. W zastosowaniach wymagających określonej normy odbiorowej należy zawsze stosować dokładnie dokument wskazany w zamówieniu, specyfikacji materiałowej lub wymaganiach klienta.

Czy HV jest bezpośrednią miarą wytrzymałości materiału?

Twardość Vickersa nie jest bezpośrednim pomiarem wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności ani udarności. W określonych grupach materiałów mogą występować korelacje pomiędzy twardością i wytrzymałością, ale nie są one uniwersalne. Dwa materiały o identycznej wartości HV mogą różnić się mikrostrukturą, plastycznością, odpornością na pękanie, wytrzymałością zmęczeniową i odpornością korozyjną. Dlatego wynik HV należy interpretować razem z informacją o gatunku materiału, stanie obróbki cieplnej i wymaganych właściwościach mechanicznych.

Kiedy wybrać Vickersa zamiast Brinella lub Rockwella?

Vickers jest szczególnie dobrym wyborem, gdy wymagany jest pomiar niewielkiego obszaru, materiał jest bardzo twardy, badana jest cienka warstwa, konieczne jest wykonanie profilu twardości albo należy porównać twardość różnych obszarów mikrostruktury. Brinell jest często korzystniejszy przy dużych i niejednorodnych odlewach lub odkuwkach, gdzie duży odcisk pozwala uśrednić mikrostrukturę. Rockwell jest natomiast bardzo wygodny w szybkiej seryjnej kontroli produkcji, ponieważ nie wymaga optycznego pomiaru odcisku.

Metoda Vickersa jest jedną z najbardziej wszechstronnych metod badania twardości materiałów metalicznych. Wykorzystuje diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie 136° pomiędzy przeciwległymi ścianami, a wynik HV wyznaczany jest na podstawie siły badawczej i średniej długości dwóch przekątnych odcisku. Możliwość stosowania bardzo różnych sił sprawia, że Vickers nadaje się zarówno do klasycznych badań twardości, jak i pomiarów mikrotwardości, warstw utwardzanych, powłok, spoin i niewielkich obszarów mikrostruktury.
Prawidłowy pomiar wymaga właściwego przygotowania powierzchni, odpowiedniej grubości próbki, zachowania właściwych odległości między odciskami oraz dokładnego pomiaru ich przekątnych. Podstawową aktualną normą międzynarodową jest ISO 6507-1:2023, natomiast w zakresie mikrotwardości powszechnie stosowana jest również ASTM E384-22.

Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie
Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie
Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie
Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór i zastosowanie
Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie
Przeliczanie twardości HBW, HRC, HRB i HV – tabele konwersji