Metoda Vickers

Co stanovuje norma ČSN EN ISO 6507 pro metodu Vickers?

Norma ČSN EN ISO 6507 specifikuje metodu zkoušení tvrdosti kovových materiálů podle Vickerse pro tři různé rozsahy zkušebního zatížení (viz tabulka vlevo). 

Měření tvrdosti podle Vickerse patří mezi statické zkoušky měření tvrdosti materiálu, tzn. vnikací těleso se do zkušebního tělesa vtlačuje klidovou silou ve směru kolmém k povrchu vzorku.

Tvrdoměry pro měření tvrdosti dle metody Vickers najdete v nabídce našeho partnera, společnosti Innovatest. 

Vnikací těleso

Metoda Vickers vždy používá diamantový hrot ve tvaru pravidelného čtyřbokého jehlanu se čtvercovou základnou s vrcholovým úhlem mezi protilehlými stranami a=136°, který je specifikovaný v ČSN EN ISO 6507-2 (Obrázek 1). Délka spojnice styku na špičce vnikacího tělesa (Obrázek 2) závisí na zkušebním zatížení tak, jak je uvedeno v tabulce níže. 

Zkušební zatížení

Norma ČSN EN ISO 6507-1 specifikuje zkoušku tvrdosti podle Vickerse pro délky úhlopříček vtisku mezi 0,0200 mm – 1,4000 mm. U vtisku s uhlopříčkou d < 0,020 mm se zvyšuje nejistota měření v důsledku rozlišovací schopnosti použitého optického měřicího zařízení.

Doporučené jsou zkušební zatížení uvedené v tabulce vpravo, v rozmezí od 10 gf do 100 kgf. Norma povoluje použít i jiné hodnoty zkušebních zatížení, např. HV 2,5 (24,52 N = 2,5 kgf ), ale také nominální zkušební zatížení, které převyšuje 980,7 N (100 kgf).

Aplikace zkušebního zatížení a měření délky uhlopříčky

Vnikací těleso se vtlačuje kolmo do povrchu zkušebního vzorku zvoleným zatížením plynule, konstantní rychlostí bez vibrací a kmitů. Výdrž na zkušebním zatížení musí být v rozmezí 10 – 15 s. Odchylka kolmosti povrchu vzorku od osy zatěžování nesmí být větší než ± 2°, jinak je výsledný vtisk deformovaný a výsledek neplatný.

Po odtížení se měří délka uhlopříček vtisku ve dvou na sebe kolmých směrech d₁ a d₂, tak jak je vyobrazeno na obrázku vlevo, z kterých se vypočítá aritmetický průměr d. V případě, že se tyto dva průměry od sebe liší o víc než 5 %, měření by se mělo vyřadit a udělat nové.

d – aritmetický průměr délky úhlopříčky vtisků
d_1,2 – délka úhlopříčky vtisku

Minimální tloušťka zkušebního vzorku/vrstvy

Minimální tloušťka zkušebního vzorku nebo vrstvy t musí být 1,5 násobek průměrné délky úhlopříčky vtisku (obrázek vpravo). Na zadní straně vzorku nesmí být po provedení zkoušky viditelná žádná deformace.

Minimální vzdálenost mezi sousedními vtisky a mezi vtiskem a okrajem vzorku

Minimální vzdálenost mezi sousedními vtisky a mezi vtiskem a okrajem vzorku se liší v závislosti na měřeném materiálu. Normou stanovené hodnoty jsou uvedené na obrázku vlevo. Pokud se dva vtisky odlišují velikostí, musí jejich minimální rozmístění vycházet z uhlopříčky většího vtisku.

Jak vzniká hodnota tvrdosti HV?

Výslední hodnota tvrdosti je úměrná podílu zatěžující síly k průmětu plochy vtisku a stanovuje se dvěma způsoby:

1. Počítá se pomocí rovnice: 

HV – hodnota tvrdosti podle Vickerse [N / mm²]
F – zkušební zatíženi [N]
d – aritmetický průměr velikosti uhlopříček vtisku [mm]
0,1891  – konstanta

2. Stanoví se pomocí výpočetních tabulek z naměřené průměrné velikosti uhlopříček vtisku na rovných plochách uvedených v normě ČSN EN ISO 6507-4.

Při měření tvrdosti na válcových nebo kulových plochách je potřeba provést korekci pro toto zakřivení, korekční faktory stanovuje norma ČSN EN ISO 6507-1 v příloze B. Hodnoty korekcí se musí uvést ve zkušebním protokolu.

Co znamená tvrdost HV a jak se zapisuje?

Tvrdost HV je hodnota tvrdosti materiálu stanovená metodou Vickers. Označení HV vychází z názvu Vickers Hardness a používá se společně s číselnou hodnotou výsledku a údaji o podmínkách zkoušky. Samotná hodnota HV vyjadřuje odpor materiálu proti lokální plastické deformaci vytvořené diamantovým vnikacím hrotem.

Při stejných zkušebních podmínkách obecně platí, že čím vyšší je tvrdost HV, tím menší vtisk diamantový hrot v materiálu vytvoří. Pro správnou interpretaci výsledku je však důležité znát také použitou zkušební sílu a případně dobu jejího působení. Proto se výsledek Vickersovy zkoušky zapisuje v přesně stanoveném formátu.

Například:

550 HV 10 / 20

• 550 – hodnota tvrdosti podle Vickerse
• HV – značka tvrdosti podle Vickerse
• 10 – přibližná hodnota použitého ekvivalentního zatížení v kgf (10 kgf = 98,07 N)
• 20 – doba zkušebního zatížení (20 s), uvádí se v případě, že neleží v předepsaném rozmezí 10–15 s

Zápis 550 HV 10 / 20 tedy označuje tvrdost HV o hodnotě 550, která byla stanovena při zkušební síle odpovídající přibližně 10 kgf a době působení zatížení 20 sekund.

Při porovnávání výsledků je důležité zohlednit podmínky měření, protože zjištěnou hodnotu HV může ovlivnit nejen samotný materiál, ale také zvolené zatížení, velikost vtisku, příprava povrchu a přesnost optického vyhodnocení.

Další informace na toto téma získáte v našem článku Využití metody Vickers v praxi.

Zdroj informací: ČSN EN ISO 6507

Mikrotvrdost podle Vickerse

Mikrotvrdost se používá při hodnocení velmi malých oblastí materiálu, kde by běžné zkušební zatížení vytvořilo příliš velký vtisk a výsledek by zahrnoval více strukturních složek současně. Při Vickersově zkoušce se proto používají nízké zkušební síly, které umožňují vytvářet malé vtisky a hodnotit lokální změny vlastností materiálu.

Jak se mikrotvrdost měří?

Měření mikrotvrdosti metodou Vickers probíhá na pečlivě připraveném a zpravidla vyleštěném povrchu vzorku. Do zvoleného místa je definovanou silou vtlačen diamantový hrot ve tvaru čtyřbokého jehlanu. Po odlehčení se opticky změří obě úhlopříčky vzniklého vtisku a z jejich průměrné délky a použitého zatížení se stanoví výsledná tvrdost HV.

Díky malému rozměru vtisku je možné měřit jednotlivé oblasti mikrostruktury nebo provádět více vtisků v přesně definovaných vzdálenostech. Tím lze například vytvořit průběh tvrdosti od povrchu směrem do jádra součásti.

K čemu se měření mikrotvrdosti používá?

Měření mikrotvrdosti podle Vickerse se uplatňuje například při hodnocení cementovaných a nitridovaných vrstev, povrchově kalených součástí, svarových spojů, tepelně ovlivněných oblastí nebo jednotlivých fází mikrostruktury.

U tepelně a chemicko-tepelně zpracovaných součástí lze pomocí série vtisků sledovat průběh tvrdosti a stanovit charakteristickou hloubku vrstvy, například CHD, NHD nebo SHD. Mikrotvrdost se používá také při kontrole svarů, hodnocení tenkých povrchových vrstev a při porovnávání lokálních změn tvrdosti v rámci mikrostruktury materiálu.

Co skutečně vyjadřuje tvrdost podle Vickerse?

Hodnota HV je konvenční výsledek zkoušky provedené za přesně definovaných podmínek. Nelze ji chápat jako univerzální fyzikální konstantu materiálu nezávislou na podmínkách zkoušky.

Výsledek Vickersovy zkoušky je ovlivněn kombinací několika mechanismů:

• odporem materiálu proti plastickému toku,
• mezí kluzu a schopností deformačního zpevnění,
• velikostí a orientací zrn,
• přítomností jednotlivých strukturních fází,
• tepelným nebo chemicko-tepelným zpracováním,
• zbytkovým napětím,
• pórovitostí, vměstky nebo lokálními vadami,
• tloušťkou měřené vrstvy a vlastnostmi podkladového materiálu.

V homogenním materiálu může hodnota HV reprezentovat celkovou tvrdost součásti. U svarů, povrchově kalených dílů, cementovaných vrstev nebo vícefázových materiálů však jednotlivý vtisk charakterizuje především konkrétní oblast, ve které byl vytvořen.

Právě tato lokálnost je jednou z hlavních výhod metody Vickers. Při použití nízkých zkušebních sil lze hodnotit malé strukturní oblasti, jednotlivé fáze materiálu, tenké vrstvy nebo průběh tvrdosti v krátkých vzdálenostech. Zkouška se proto využívá například při kontrole cementování, nitridování, indukčního kalení, svarových spojů, tepelně ovlivněných oblastí nebo při hledání lokálního změkčení a oduhličení.

Proč se vyhodnocují dvě úhlopříčky vtisku?

Vyhodnocení obou úhlopříček není pouze formální krok. Jejich vzájemné porovnání poskytuje důležitou informaci o kvalitě a regulérnosti vytvořeného vtisku.

U správně provedené zkoušky na homogenním, rovném a dobře připraveném povrchu by měly být obě úhlopříčky přibližně stejně dlouhé. Výraznější rozdíl mezi nimi může upozornit například na:

• naklonění povrchu vůči ose vnikacího hrotu,
• nedostatečné nebo nestabilní podepření vzorku,
• nerovný či hrubý povrch,
• přítomnost strukturního rozhraní,
• lokální materiálovou nehomogenitu,
• anizotropní chování materiálu,
• nejednoznačně viditelné okraje vtisku,
• poškození nebo nevhodný stav vnikacího tělesa.

Samotný čtvercový tvar vtisku proto nestačí pouze vyfotografovat. Obsluha nebo automatický vyhodnocovací systém musí správně identifikovat všechny čtyři vrcholy a posoudit, zda je vtisk vhodný pro platné vyhodnocení.

U některých materiálů může kolem vtisku docházet k vytlačování materiálu nad původní úroveň povrchu, označovanému jako pile-up, nebo naopak k propadání materiálu v okolí vtisku, označovanému jako sink-in. Tyto jevy souvisejí s plastickými vlastnostmi a deformačním zpevněním materiálu. Mohou způsobit, že skutečná kontaktní plocha nebude přesně odpovídat ploše odvozené pouze z naměřených úhlopříček.

Vickersova tvrdost není automaticky vlastností celé součásti

Při interpretaci výsledku je vždy nutné zohlednit, jaká oblast materiálu byla vtiskem zasažena. Malý Vickersův vtisk může ležet uvnitř jednoho zrna, v konkrétní strukturní fázi, na rozhraní dvou oblastí nebo v tepelně ovlivněné zóně svaru. Výsledek potom charakterizuje lokální odezvu daného místa, nikoliv nutně průměrné vlastnosti celé součásti.

U tenkých vrstev je důležité zabránit tomu, aby výsledek významně ovlivnil podkladový materiál. Vtisk proto musí být dostatečně malý vzhledem k tloušťce vrstvy. Stejný princip platí pro tenké vzorky: plasticky deformovaná oblast pod vtiskem nesmí dosáhnout zadní strany vzorku nebo být ovlivněna podložkou.

Při umístění vtisku v blízkosti okraje nebo předchozího vtisku může dojít k ovlivnění deformačního pole. Jednotlivé vtisky proto musí být umístěny v dostatečné vzdálenosti od sebe i od kraje vzorku. Konkrétní minimální vzdálenosti se určují podle příslušné normy, materiálu a velikosti vzniklého vtisku.

Výhody a omezení metody Vickers

Zásadní předností metody Vickers je kombinace širokého rozsahu použití, přesně definované geometrie hrotu a možnosti hodnotit velmi malé oblasti materiálu. Stejný princip lze využít při běžné kontrole tvrdosti masivní součásti i při detailní analýze tenké povrchové vrstvy nebo mikrostruktury.

Vickersova zkouška však dosahuje vysoké přesnosti pouze tehdy, pokud je celý zkušební postup správně řízen. Kvalita výsledku závisí na vhodné volbě zatížení, přípravě vzorku, stabilním uložení součásti, stavu vnikacího tělesa, správné kalibraci tvrdoměru a přesném optickém vyhodnocení.

Metoda Vickers proto není pouze jednoduchým „otisknutím diamantu do materiálu“. Jde o metrologickou zkoušku, při které musí být pod kontrolou zkušební síla, geometrie vnikacího tělesa, časový průběh zatěžování, optický měřicí systém, vlastnosti vzorku i podmínky vyhodnocení. Teprve jejich správná kombinace umožňuje získat opakovatelnou a odborně interpretovatelnou hodnotu tvrdosti HV.

Pro provádění těchto zkoušek se používají tvrdoměry Vickers a Knoop, které se liší především rozsahem zkušebních sil, úrovní automatizace, typem optického systému a způsobem vyhodnocení vtisků. Volba vhodného přístroje závisí například na velikosti a geometrii vzorku, požadovaném rozsahu zatížení, četnosti měření a nárocích na automatické měření průběhu tvrdosti.

Potřebujete ověřit tvrdost konkrétního vzorku nebo součásti? Pro kontrolu výrobků, svarových spojů a povrchově upravených vrstev využijte naše měření tvrdosti podle Vickerse ve zkušební laboratoři.