Twardość metali metodą Vickersa — ISO 6507-1:2023

W badaniu powstaje niewielki odcisk o kształcie zbliżonym do kwadratu. Po odciążeniu mierzy się optycznie obie jego przekątne. Im większy odcisk przy tej samej sile, tym materiał jest mniej odporny na lokalne odkształcenie plastyczne i tym niższa jest wartość HV. Dzięki jednej geometrii wgłębnika metoda może pracować w szerokim zakresie sił — od mikrotwardości po klasyczne badania twardości metali.

Vickers jest szczególnie użyteczny, gdy trzeba badać małe obszary: cienkie elementy, przekroje warstw, strefy po obróbce cieplnej, spoiny albo lokalne zmiany mikrostruktury. Jednocześnie wraz ze zmniejszaniem siły rosną wymagania dotyczące przygotowania powierzchni, jakości optyki i dokładności wyznaczenia krawędzi odcisku.

Kąt między przeciwległymi ścianami piramidy wynosi 136°. Wgłębnik jest wciskany prostopadle w powierzchnię określoną siłą, a po jej usunięciu pozostaje trwały odcisk. Optyczny układ pomiarowy wyznacza długości dwóch przekątnych, oznaczanych zwykle d₁ i d₂. Do obliczenia wykorzystuje się ich średnią arytmetyczną.

Symetryczna geometria jest jedną z największych zalet metody. Ten sam typ wgłębnika może być używany przy różnych siłach, co upraszcza porównywanie pomiarów w wielu materiałach. Nie znaczy to jednak, że wynik jest całkowicie niezależny od siły. Przy małych odciskach większe znaczenie mają mikrostruktura, jakość przygotowania, rozdzielczość optyczna i tzw. efekt wielkości odcisku.

W praktyce użytkownik twardościomierza zwykle nie oblicza wyniku ręcznie — oprogramowanie korzysta z mierzonej średniej przekątnej i znanej siły. Istotne jest jednak rozumienie zależności: przy tej samej sile dłuższa przekątna oznacza większy odcisk i niższą twardość. Z tego powodu nawet niewielki błąd odczytu krawędzi może mocno wpłynąć na wynik, szczególnie w mikrotwardości.

Oznaczenie powinno zawierać symbol HV oraz parametr siły, np. „HV 10” dla nominalnej siły odpowiadającej 10 kgf. Jeżeli czas działania pełnej siły odbiega od standardowego zakresu przewidzianego normą, powinien być uwzględniony w oznaczeniu zgodnie z zasadami dokumentu. W raporcie warto zapisać również liczbę odcisków, lokalizację punktów, stan próbki i ewentualne korekty dla powierzchni zakrzywionych.

ISO 6507-1 zawiera normatywne zasady minimalnej grubości próbki w zależności od siły i twardości. Zamiast stosować jeden uniwersalny mnożnik, należy korzystać z odpowiedniego wykresu lub tabeli z normy i brać pod uwagę rzeczywistą geometrię badanego elementu. Szczególnie krytyczne są cienkie blachy, powłoki, warstwy utwardzane i małe przekroje.

Próbka musi leżeć stabilnie na sztywnym podparciu. Kołysanie, ugięcie albo przesunięcie podczas przykładania siły zmieniają warunki odcisku. Dla elementów niestabilnych stosuje się odpowiednie uchwyty i podpory, które nie mogą wprowadzać dodatkowego odkształcenia w badanym miejscu.

Na powierzchniach cylindrycznych lub kulistych geometria odcisku różni się od odcisku na płaszczyźnie. Norma przewiduje współczynniki korekcyjne dla wybranych powierzchni zakrzywionych. Zastosowanie korekty trzeba odnotować, zamiast traktować wynik z powierzchni krzywej tak jak pomiar na płaskiej próbce.

1. Ustal wymaganie. Wybierz ISO 6507-1:2023 albo właściwą normę produktu oraz spodziewany zakres twardości.
2. Dobierz siłę. Uwzględnij grubość próbki, wielkość badanego obszaru i minimalną dopuszczalną przekątną.
3. Przygotuj powierzchnię. Zapewnij płaskość i czytelność odcisku bez zmiany twardości badanego miejsca.
4. Sprawdź stanowisko. Potwierdź właściwy wgłębnik, stan układu pomiarowego i bieżącą kontrolę maszyny.
5. Ustaw próbkę. Oprzyj ją stabilnie i wybierz punkt z wymaganymi odstępami.
6. Wykonaj odcisk. Przyłóż siłę prostopadle zgodnie z wymaganym przebiegiem obciążenia i czasem.
7. Zmierz d₁ i d₂. Ustaw ostrość, oświetlenie i odczytaj oba wymiary na wyraźnych krawędziach.
8. Oblicz i oceń HV. Użyj średniej przekątnych, sprawdź kształt odcisku i zgodność z zakresem metody.

W badaniach seryjnych procedura powinna być tak samo konsekwentna jak w badaniu pojedynczym. Zmiana operatora, obiektywu, sposobu przygotowania lub siły może zwiększyć rozrzut nawet wtedy, gdy maszyna jest technicznie sprawna.

ISO 6507-1:2023 wprost obejmuje metaliczne i inne nieorganiczne powłoki, w tym powłoki elektrolityczne, autokatalityczne, natryskiwane oraz anodowe na aluminium. Pomiar może być wykonywany normalnie do powierzchni powłoki albo na przekroju, jeżeli grubość, gładkość i geometria pozwalają na prawidłowy odczyt.

W przekrojach hartowanych, nawęglanych czy azotowanych seria odcisków może pokazać zmianę twardości wraz z odległością od powierzchni. Podobnie bada się strefy spoin, gradienty po obróbce cieplnej i lokalne różnice mikrostrukturalne. W takich zastosowaniach wynik pojedynczego punktu nie opisuje całego elementu — liczy się zaplanowany profil i zachowanie wymaganych odstępów.

Siła powinna być dobrana tak, aby odcisk mieścił się w interesującej warstwie. Zbyt duży odcisk może uśredniać właściwości kilku stref albo odczuwać wpływ podłoża, a zbyt mały może zwiększyć niepewność optyczną i wrażliwość na pojedyncze ziarno lub fazę.

ISO 6507-3:2018 określa sposób wzorcowania płytek wzorcowych używanych do pośredniej weryfikacji twardościomierzy według ISO 6507-2. Dokument ma zastosowanie do odcisków o przekątnej co najmniej 0,020 mm, czyli zgodnie z dolną granicą metody w ISO 6507-1.

Płytka wzorcowa nie służy do „ustawiania wyniku pod oczekiwaną wartość”. Jest niezależnym odniesieniem pozwalającym wykryć odchylenie układu maszyna–wgłębnik–optyka–operator. Jeżeli kontrola pośrednia nie spełnia kryteriów, trzeba ustalić przyczynę przed kontynuowaniem badań produkcyjnych.

ISO 6507-4:2018 zawiera tablice wartości twardości Vickersa dla testów wykonanych zgodnie z częścią 1. Współczesne twardościomierze obliczają HV automatycznie, lecz tablice pozostają formalnym elementem serii i pozwalają sprawdzać zależność między siłą, przekątną i twardością.