Skala Vickersa to uniwersalna metoda określania twardości materiałów (metali, węglików czy ceramiki) za pomocą mikrowgłębnika diamentowego. Metodę opracowali w latach 20. XX w. inżynierowie R.L. Smith i G.E. Sandland z firmy Vickers Ltd jako alternatywę dla testu Brinella. Została ona znormalizowana w PN-EN ISO 6507-1 (oraz ASTM E384/E92), co umożliwia jednolite stosowanie procedury na całym świecie. Wynik w skali Vickersa (HV - Hardness Vickers) podaje się w postaci np. „440 HV 30” (440 kgf/mm² przy obciążeniu 30 kgf) - czasami z dopiskiem np. „/20” dla określenia czasu przyłożenia siły.

Na zdjęciu - przykładowy twardościomierz Vickersa używany w laboratorium. Metoda Vickersa wykorzystuje ostrosłup diamentowy o kącie wierzchołkowym 136°, który jest wciskany w próbkę. Pomiar polega na zmierzeniu przekątnych kwadratowego śladu pozostawionego na materiale, co umożliwia obliczenie powierzchni odcisku i obliczenie twardości z ilorazu siły do powierzchni. Dzięki temu, że obydwie przekątne odcisku są proporcjonalne do wielkości odkształcenia plastycznego, wynik nie zależy od samej wielkości wgłębnika.

Zasada pomiaru twardości Vickersa

W teście Vickersa stalową próbkę trzeba najpierw wypolerować i oczyścić z zanieczyszczeń. Następnie diamentowy ostrosłup jest dociskany do powierzchni próbki przez określoną siłę. Norma ISO 6507 zaleca stopniowe narastanie obciążenia w ciągu kilku sekund (zwykle ok. 7 s, dopuszczalnie 2- 8 s) i utrzymywanie pełnego obciążenia przez 10- 15 s. Po odciążeniu pod mikroskopem mierzy się obie przekątne śladu. Średnią przekątną d wykorzystuje się do obliczenia pola powierzchni bocznej wgłębienia (pole małych klinów ostrosłupa) według znanego wzoru. Przy użyciu wyników pomiaru twardość Vickersa wyraża się wzorem:

gdzie F to siła w kilogramach-siły (kgf), a d - średnia z obu zmierzonych przekątnych [mm]. W zapisie skróconym „HV xx” słownie oznacza badanie przy obciążeniu xx kgf. Stosowane są obciążenia znormalizowane (np. 1, 5, 10, 30, 100 kgf) oraz niskie (do ułamków kgf) - dla testów mikrotwardości.

Dla wiarygodności wyników należy zachować odpowiednie proporcje próbki i odcisku. Zgodnie z normą PN-EN ISO 6507 minimalna grubość próbki powinna wynosić co najmniej ~2,5× głębokość odcisku (czyli ok. 1,5× długość przekątnej). Odstęp między odciskami zwykle powinien być nie mniejszy niż kilka długości przekątnej (np. ≥3× dla stali i stopów miedzi), a odcisk nie powinien leżeć blisko krawędzi próbki (zachowując np. 2,5× przekątnej do brzegu). Niedopuszczalna jest znaczna różnica między zmierzonymi przekątnymi (>5% różnicy). Pomiar prowadzi się pod powiększeniem optycznym tak, aby średnica obszaru widzenia była kilka razy (25- 75%) większa niż przekątna odcisku. Wszystkie te zasady (przygotowanie i pomiar) są dokładnie opisane w normach ISO 6507-1 i ASTM E384/E92.

Przykład odcisku powstałego w metalu po teście Vickersa (zdjęcie z mikroskopu). 

Odcisk ma kształt rombu o ostrych, kwadratowych brzegach. Mierzy się obie przekątne d₁ i d₂ i oblicza ich średnią, dzięki czemu uwzględnia się możliwe drobne błędy pomiaru lub lekkie odkształcenie sprężyste próbki. Twardość HV wylicza się następnie z znanej zależności F/A. Ważne jest też, że warstwa próbki utwardzona odkształceniem wokół odcisku jest minimalna - dzięki czemu test Vickersa jest traktowany jako niemal nieniszczący.

Zakres metod: mikrotwardość i makrotwardość

Test Vickersa obejmuje szeroki zakres sił i jest podzielony na dwa podstawowe warianty. W mikroindentacji stosuje się niewielkie obciążenia (rzędu dziesiątek do kilkuset gram-siły), co daje bardzo małe odciski (często poniżej 0,05 mm). Umożliwia to badanie twardości w małych, precyzyjnych punktach - np. analizę cienkich powłok, granic ziarna czy napowierzchniowej strefy hartowania. W makroindentacji używa się większych sił (kilka do kilkudziesięciu kgf), co daje większe odciski i stosuje się do badania wytrzymałości próbki ogólnie. W obu zakresach używa się tego samego ostrosłupa, dzięki czemu uzyskane wartości HV są ciągłe na całym zakresie twardości materiału.

Mikrotwardość Vickersa (oznaczana np. HV 0,5 lub HV 1) jest często wykorzystywana w metrologii i metalografii do mapowania zmian twardości np. w obrabianych powierzchniach czy cienkich warstwach. Producent podłoża lub obróbki cieplnej może dzięki temu sprawdzić, jak głęboko penetruje utwardzenie azotowane czy nawęglane. Z kolei makrotesty HV (HV 5 - HV 100) są typowe w kontroli przyrządów czy odlewów. Oba zakresy testów mają wspólną cechę: konstrukcja wgłębnika zapewnia, że wartość HV jest zasadniczo niezależna od użytej siły testowej, pod warunkiem że materiał jest jednorodny na badanej głębokości.

Zastosowania pomiaru twardości Vickersa

Metoda Vickersa znajduje wszechstronne zastosowanie zarówno w badaniach materiałowych, jak i w kontroli jakości produkcji. W laboratoriach materiałowych służy do charakteryzacji nowych stopów, oceny efektów obróbki cieplnej (np. zakresu hartowania czy odtleniania powierzchni) oraz analizy struktur spoin i naniesionych powłok. Tester Vickersa jest też powszechnie używany do badania bardzo małych elementów (np. cienkich folii, nici czy twardych powłok), których nie da się przetestować metodami wielkiego obciążenia.

W praktyce inżynierskiej wyniki twardości Vickersa często koreluje się z innymi własnościami mechanicznymi. Istnieje znaczna zależność pomiędzy twardością a wytrzymałością na rozciąganie: wyższe HV zwykle oznacza wyższą wytrzymałość (choć z pewnym rozrzutem wyników). Z kolei twardość ma słabszą korelację z granicą plastyczności czy ciągliwością materiału. Dzięki szybkim testom niewielkich obciążeń można więc wnioskować o zgodności procesu cieplnego (np. hartowania) z założonymi parametrami wytrzymałości. W aplikacjach przemysłowych Vickersa stosuje się też jako wskaźnik odporności na ścieranie czy trwałość powierzchni - zazwyczaj bardziej utwardzona warstwa ma większą odporność na zużycie ścierne.

Praktycy wykorzystują Vickersa do kontroli produkcji: badania jakości odlewniczych i kucia, weryfikacji surowców na wejściu (porównanie z certyfikowaną twardością) czy monitorowania procesów cieplnych. W laboratoriach badawczych test Vickersa służy do oceny jednorodności materiału, analizy fazowej (poprzez różnice twardości różnych faz) oraz do kontroli rozkładów twardości na wyrobach wyspecjalizowanych, np. komponentach lotniczych. Ponieważ skala Vickersa obejmuje bardzo miękkie i bardzo twarde materiały, metoda jest popularna w branży narzędziowej, motoryzacyjnej, stoczniowej czy elektronicznej - wszędzie tam, gdzie ważna jest precyzja i możliwość testowania różnych materiałów (metali, ceramiki, stopów trudnościeralnych) za pomocą jednego urządzenia.

Zalety i ograniczenia testu Vickersa

Zalety: W porównaniu z innymi metodami twardości (np. Brinella czy Rockwella) test Vickersa ma wiele atutów. Najważniejsze to: możliwość badania dowolnych materiałów (od bardzo miękkich do najtwardszych) za pomocą jednego typu wgłębnika, co upraszcza kalibrację i pozwala na spójne porównania. Ponadto kształt i rozmiar odcisku są bardzo małe, więc ingerencja w próbkę jest minimalna - odcisk można z reguły usunąć przez polerowanie i ponownie wykorzystać próbkę. Metoda cechuje się wysoką powtarzalnością: przy zachowaniu procedur normowych niepewność pomiaru jest bardzo mała, co w połączeniu z czytelnym mikroskopowym odczytem przekątnych daje precyzyjny wynik. Również sama wartość HV nie zależy znacząco od przyłożonego obciążenia (przy stałych warunkach badania), więc test Vickersa daje konsekwentne wyniki zarówno w skali mikro- jak i makrotwardości.

Wady i ograniczenia: Do pełnej dokładności metoda Vickersa wymaga starannego przygotowania powierzchni; powierzchnia próbki musi być wypolerowana i płaska, ponieważ odcisk mierzy się optycznie. Zbyt duża chropowatość lub brud znacząco zaburzają pomiar. Cały cykl testu (przygotowanie i odczyt) jest też bardziej czasochłonny niż np. szybki test Rockwella - sam proces wciskania ostrza i pomiaru trwa kilkadziesiąt sekund, a do tego dochodzi czasowy nakład na polerowanie. Dodatkowo aparatura Vickersa (twardościomierze mikroskopowe) jest relatywnie kosztowna z uwagi na potrzebę precyzyjnej optyki i systemu pomiaru obrazu. Metoda ma też swoje granice: przy bardzo dużych ziarnach niehomogenicznego materiału mogą wystąpić znaczne różnice między odciskami (test staje się mniej powtarzalny). Pomiar cienkich powłok jest ograniczony przez głębokość odkształcenia - zaleca się, by głębokość odcisku nie przekraczała ok. 0,1 grubości powłoki, żeby nie wpływać na podłoże.

Podsumowując, skala Vickersa jest obecnie jedną z podstawowych metod twardości w branży precyzyjnej. Jej wszechstronność (różne materiały, dwa zakresy siły, jeden wgłębnik) oraz dobra korelacja z innymi własnościami mechanicznych sprawiają, że znalazła szerokie zastosowanie w kontroli jakości i badaniach materiałowych.

Źródła: Metody pomiaru twardości (m.in. ISO 6507, ASTM E384) opisywane są w literaturze fachowej oraz na stronach producentów urządzeń (np. ZwickRoell, Buehler). Przytoczone zalety i wady metody pochodzą z opracowań technicznych i poradników metrologicznych. Powiązania twardości z wytrzymałością materiałów omówiono m.in. w literaturze branżowej.

Oferta Oberon w obszarze twardościomierzy i przyrządów pomiarowych

https://www.oberon.com.pl/produkty-marki-kern

oberon.com.pl 

Jak urządzenia z oferty Oberon mogą być wykorzystane przy pomiarach Vickersa

Dzięki współpracy z firmą Oberon, laboratorium lub zakład produkcyjny może zyskać wsparcie w integracji przyrządu Vickersa z systemem pomiarowym obejmującym akwizycję i archiwizację danych. Oberon może dostarczyć moduły interfejsu, systemy sterujące, oprogramowanie pomiarowe lub platformę komunikacyjną, które pozwolą automatycznie eksportować wyniki HV do systemów zarządzania jakością.

Ponadto, w przypadku konieczności rozbudowy stanowiska pomiarowego, Oberon może wesprzeć doborem akcesoriów - stabilnych stolików pomiarowych, uchwytów, oświetlenia do mikroskopu, systemów pozycjonowania próbki - co w praktyce może istotnie poprawić powtarzalność i precyzję pomiarów Vickersa, zwłaszcza w trybach mikrotwardości.