🔩 Twardość Vickersa metali i powłok — wgłębnik piramidowy, pomiar przekątnych odcisku
Krótko: o co chodzi
Diamentowy wgłębnik w kształcie prostej piramidy o podstawie kwadratu (kąt między przeciwległymi ścianami 136°) wciska się w powierzchnię próbki, a po odjęciu siły mierzy się przekątne odcisku; twardość HV ≈ 0,1891 · F/d². Badanie wykonuje się według normy PN-EN ISO 6507-1:2024-04; Zakresy sił: F ≥ 49,03 N (HV 5 i wyżej); 1,961 N ≤ F < 49,03 N (mała siła); 0,009807 N ≤ F < 1,961 N (mikrotwardość). Procedura obejmuje 8 kroków; stosuje się je m.in. do: Pomiar twardości stali, staliwa, metali nieżelaznych i węglików spiekanych, Ocena skuteczności obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej (hartowanie, odpuszczanie, nawęglanie, azotowanie), Wyznaczanie grubości warstwy utwardzonej z rozkładu twardości na przekroju.
W skrócie
- Norma: PN-EN ISO 6507-1:2024-04
- Kategoria: Materiały i NDT
- Kroków procedury: 8
- Wgłębnik: Diament, prosta piramida o podstawie kwadratu, kąt między przeciwległymi ścianami nominalnie 136°
- Zakresy sił: F ≥ 49,03 N (HV 5 i wyżej); 1,961 N ≤ F < 49,03 N (mała siła); 0,009807 N ≤ F < 1,961 N (mikrotwardość)
- Typowe siły: HV 5 — 49,03 N; HV 10 — 98,07 N; HV 20 — 196,1 N; HV 30 — 294,2 N (zalecana dla węglików spiekanych); HV 50 — 490,3 N; HV 100 — 980,7 N
Przegląd
Norma określa metodę pomiaru twardości sposobem Vickersa dla trzech zakresów sił obciążających, dla materiałów metalowych — w tym węglików spiekanych — oraz dla powłok metalowych i innych powłok nieorganicznych. Metodę stosuje się dla długości przekątnych odcisku od 0,020 mm do 1,400 mm; wyznaczanie twardości z mniejszych odcisków wykracza poza zakres normy, bo wyniki obarczone są dużą niepewnością wynikającą z ograniczeń pomiaru optycznego i niedoskonałości geometrii wierzchołka (dla mniejszych odcisków służy ISO 14577-1).
Piąte wydanie ISO 6507-1:2023, razem z ISO 4545-1:2023, zastępuje ISO 4516:2002, ISO 4545-1:2017 i ISO 6507-1:2018; zakres rozszerzono o powłoki metalowe i inne powłoki nieorganiczne (osadzane elektrolitycznie, autokatalitycznie, natryskiwane i anodowe na aluminium), a wymagania dla powłok zebrano w załączniku H. Metoda nie ma zastosowania do powłok o grubości poniżej 0,030 mm przy pomiarze prostopadle do powierzchni powłoki i poniżej 0,100 mm przy pomiarze na przekroju.
Zakresy sił: badanie twardości Vickersa dla F ≥ 49,03 N (symbol HV 5 i wyżej), badanie przy małej sile dla 1,961 N ≤ F < 49,03 N (HV 0,2 do poniżej HV 5) oraz badanie mikrotwardości dla 0,009807 N ≤ F < 1,961 N (HV 0,001 do poniżej HV 0,2). W ćwiczeniach Politechniki Lubelskiej metodę wykonuje się na twardościomierzu typu HPO-250 (Vickers-Brinell) na próbkach stali po wyżarzaniu, hartowaniu, odpuszczaniu, nawęglaniu i azotowaniu oraz na węglikach spiekanych.
Zasada metody
Diamentowy wgłębnik w kształcie prostej piramidy o podstawie kwadratu i o określonym kącie między przeciwległymi ścianami przy wierzchołku (nominalnie α = 136°) wciska się w powierzchnię próbki, a po odjęciu siły F mierzy się długości przekątnych odcisku pozostawionego w powierzchni. Twardość Vickersa jest proporcjonalna do ilorazu siły obciążającej i pola powierzchni bocznej odcisku, przyjmowanego jako prosta piramida o podstawie kwadratu i o tym samym kącie przy wierzchołku co wgłębnik: HV = (1/gn) · 2F·sin(α/2)/d², a dla kąta nominalnego α = 136° w przybliżeniu HV ≈ 0,1891 · F/d², gdzie d to średnia arytmetyczna dwóch przekątnych w milimetrach, a gn = 9,80665 m/s² (przelicznik kgf na N). Dla zmniejszenia niepewności twardość można obliczać z rzeczywistego średniego kąta wgłębnika.
Zastosowania
- Pomiar twardości stali, staliwa, metali nieżelaznych i węglików spiekanych
- Ocena skuteczności obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej (hartowanie, odpuszczanie, nawęglanie, azotowanie)
- Wyznaczanie grubości warstwy utwardzonej z rozkładu twardości na przekroju
- Kontrola twardości powłok metalowych i nieorganicznych, także na przekrojach
- Badanie związków między budową strukturalną a twardością materiału (ćwiczenia laboratoryjne, badania materiałowe)
Kluczowe parametry
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Wgłębnik | Diament, prosta piramida o podstawie kwadratu, kąt między przeciwległymi ścianami nominalnie 136° |
| Zakresy sił | F ≥ 49,03 N (HV 5 i wyżej); 1,961 N ≤ F < 49,03 N (mała siła); 0,009807 N ≤ F < 1,961 N (mikrotwardość) |
| Typowe siły | HV 5 — 49,03 N; HV 10 — 98,07 N; HV 20 — 196,1 N; HV 30 — 294,2 N (zalecana dla węglików spiekanych); HV 50 — 490,3 N; HV 100 — 980,7 N |
| Zakres przekątnych | 0,020 mm do 1,400 mm; rozdzielczość układu pomiarowego 0,0004 mm dla d < 0,080 mm, 0,5 % d dla d ≥ 0,080 mm |
| Grubość próbki | Co najmniej 1,5 × długość przekątnej odcisku (węgliki spiekane: min. 1 mm); po badaniu brak widocznych odkształceń na spodzie próbki |
| Temperatura badania | 10 °C do 35 °C; w warunkach kontrolowanych (23 ± 5) °C |
Norma
- Numer normy
- PN-EN ISO 6507-1:2024-04
- Tytuł (PL)
- Metale — Pomiar twardości sposobem Vickersa — Część 1: Metoda badania
- Title (EN)
- Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test method
Procedura krok po kroku
-
Przygotowanie powierzchni
Badanie wykonać na powierzchni gładkiej i równej, wolnej od zgorzeliny, zanieczyszczeń i całkowicie odtłuszczonej. Przygotowanie prowadzić tak, aby nie zmienić twardości powierzchni przez nagrzanie lub zgniot; przy mikrotwardości zalecane polerowanie lub elektropolerowanie. Dla węglików spiekanych usuwana warstwa nie mniejsza niż 0,2 mm.
-
Dobór warunków
Dobrać największą dopuszczalną siłę obciążającą zależnie od grubości próbki lub badanej warstwy i przewidywanej twardości (minimalne grubości — załącznik A normy); siła musi dawać przekątne nie krótsze niż 0,020 mm. Ustalić czas działania siły, minimalne odległości między odciskami i od brzegu próbki oraz dokładność pomiaru przekątnych.
-
Sprawdzenie okresowe
Sprawdzenie wg załącznika C wykonać w ciągu tygodnia przed użyciem dla każdej stosowanej siły (zalecane w dniu badania), zawsze po zmianie wgłębnika i zalecane po zmianie siły.
-
Ustawienie próbki
Umieścić próbkę na sztywnej podporze o czystej powierzchni tak, aby nie mogła się przemieścić podczas obciążania. Próbki zakrzywione podeprzeć odpowiednio; dla materiałów anizotropowych uwzględnić możliwą różnicę długości obu przekątnych.
-
Pomiar próbny i odciski
Wykonać co najmniej jeden pomiar próbny zgodnie z instrukcją twardościomierza, następnie na każdej próbce wykonać po 3 odciski (praktyka ćwiczeń Politechniki Lubelskiej).
-
Pomiar przekątnych
Zmierzyć obie przekątne każdego odcisku z dokładnością do ±0,001 mm; do obliczenia twardości przyjąć średnią arytmetyczną przekątnych jednego odcisku.
-
Obliczenie twardości
Obliczyć HV ze wzoru (HV ≈ 0,1891 · F/d²) albo odczytać z tablic; przy powierzchniach walcowych lub sferycznych wprowadzić poprawki z tablic B.1–B.6 normy.
-
Sprawozdanie
Podać wyniki w tablicy, szkic próbek z zaznaczeniem miejsc pomiaru, dobór warunków badania i omówienie błędów; w sprawozdaniu wg normy podać także krzywiznę powierzchni, jeśli stosowano poprawkę, oraz temperaturę, jeżeli badanie prowadzono poza zakresem 10–35 °C.
Wymagany sprzęt i aparatura
| Sprzęt | Przykład | Orientacyjna cena |
|---|---|---|
| Twardościomierz Vickersa | Zdolny do przykładania zadanych sił zgodnie z ISO 6507-2; w ćwiczeniach Politechniki Lubelskiej typ HPO-250 (Vickers-Brinell), maksymalne obciążenie 2452 N | — |
| Wgłębnik diamentowy | Prosta piramida o podstawie kwadratu wg ISO 6507-2 | — |
| Układ pomiaru przekątnych | Mikroskop z podziałką lub kamera; powiększenie takie, by przekątna zajmowała ponad 25 %, ale mniej niż 75 % pola widzenia | — |
| Sztywny stolik przedmiotowy i podpory | Czyste, wolne od zgorzeliny i zanieczyszczeń; dla próbek o małym przekroju uchwyt lub zatopienie jak zgładu metalograficznego | — |
| Wzorce twardości (płytki wzorcowe) | Do sprawdzenia okresowego wg załącznika C normy | — |
| Stanowisko przygotowania próbek | Szlifierka, papiery ścierne o ziarnistości 100–800, polerowanie zawiesiną diamentową lub elektropolerowanie | — |
Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP)
- Wgłębnik diamentowy i mechanizm obciążający — nie wkładać palców pod trzpień, próbkę mocować pewnie na stoliku
- Szlifowanie i polerowanie próbek: pył metaliczny i ścierny — okulary ochronne, wyciąg lub obieg wodny
- Ostre krawędzie próbek i zgładów metalograficznych — rękawice przy przenoszeniu
- Lampa projekcyjna i oświetlenie mikroskopu — nie patrzeć bezpośrednio w źródło światła
Najczęstsze pytania
Jaka norma opisuje to badanie?
Badanie wykonuje się według normy PN-EN ISO 6507-1:2024-04 — „Metale — Pomiar twardości sposobem Vickersa — Część 1: Metoda badania”. Tytuł angielski: „Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test method”.
Na czym polega ta metoda?
Diamentowy wgłębnik w kształcie prostej piramidy o podstawie kwadratu i o określonym kącie między przeciwległymi ścianami przy wierzchołku (nominalnie α = 136°) wciska się w powierzchnię próbki, a po odjęciu siły F mierzy się długości przekątnych odcisku pozostawionego w powierzchni. Twardość Vickersa jest proporcjonalna do ilorazu siły obciążającej i pola powierzchni bocznej odcisku, przyjmowanego jako prosta piramida o podstawie kwadratu i o tym samym kącie przy wierzchołku co wgłębnik: HV = (1/gn) · 2F·sin(α/2)/d², a dla kąta nominalnego α = 136° w przybliżeniu HV ≈ 0,1891 · F/d², gdzie d to średnia arytmetyczna dwóch przekątnych w milimetrach, a gn = 9,80665 m/s² (przelicznik kgf na N).
Jaki jest zakres pomiarowy i dokładność?
Wgłębnik: Diament, prosta piramida o podstawie kwadratu, kąt między przeciwległymi ścianami nominalnie 136°; Zakresy sił: F ≥ 49,03 N (HV 5 i wyżej); 1,961 N ≤ F < 49,03 N (mała siła); 0,009807 N ≤ F < 1,961 N (mikrotwardość); Typowe siły: HV 5 — 49,03 N; HV 10 — 98,07 N; HV 20 — 196,1 N; HV 30 — 294,2 N (zalecana dla węglików spiekanych); HV 50 — 490,3 N; HV 100 — 980,7 N; Zakres przekątnych: 0,020 mm do 1,400 mm; rozdzielczość układu pomiarowego 0,0004 mm dla d < 0,080 mm, 0,5 % d dla d ≥ 0,080 mm.
Ile trwa wykonanie badania?
Procedura obejmuje 8 kroków. Norma nie podaje czasu trwania dla wszystkich etapów — decyduje procedura laboratorium.
Jaki sprzęt jest potrzebny?
Twardościomierz Vickersa, Wgłębnik diamentowy, Układ pomiaru przekątnych, Sztywny stolik przedmiotowy i podpory, Wzorce twardości (płytki wzorcowe), Stanowisko przygotowania próbek.
Gdzie stosuje się to badanie?
Pomiar twardości stali, staliwa, metali nieżelaznych i węglików spiekanych; Ocena skuteczności obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej (hartowanie, odpuszczanie, nawęglanie, azotowanie); Wyznaczanie grubości warstwy utwardzonej z rozkładu twardości na przekroju; Kontrola twardości powłok metalowych i nieorganicznych, także na przekrojach; Badanie związków między budową strukturalną a twardością materiału (ćwiczenia laboratoryjne, badania materiałowe).
Jakie środki ostrożności obowiązują?
Wgłębnik diamentowy i mechanizm obciążający — nie wkładać palców pod trzpień, próbkę mocować pewnie na stoliku; Szlifowanie i polerowanie próbek: pył metaliczny i ścierny — okulary ochronne, wyciąg lub obieg wodny; Ostre krawędzie próbek i zgładów metalograficznych — rękawice przy przenoszeniu; Lampa projekcyjna i oświetlenie mikroskopu — nie patrzeć bezpośrednio w źródło światła.
Które laboratorium wykona to badanie?
Badanie wykonują laboratoria akredytowane według ISO/IEC 17025. Na LabCoda wyszukasz je po numerze normy PN-EN ISO 6507-1.