Tvrdoća po Vickersu

Tvrdoća po Vickersu (oznaka: HV) je mjera otpornosti što ga neki materijal pruža prodiranju dijamantne četverostrane piramide s vršnim kutom od 136º, opterećene silom F (N). Taj je vršni kut odabran prema čeličnoj kuglici promjera D (mm), koja se koristi kod ispitivanja tvrdoće po Brinellu, a ostavlja udubljenje promjera d = 0,375 D (to odgovara prosječnoj vrijednosti donje i gornje granice promjera udubljenja, koje se kreće od 0,25 do 0,5 promjera kuglice D, unutar kojih su upotrebljivi rezultati ispitivanja tvrdoće po Brinellu). Udubljenje piramide daje kvadrat na površini uzorka, ali zbog netočnosti rada, nesavršenosti uzorka i sličnog (često puta je kvadrat iskrivljen), mjere se obje dijagonale kvadrata (d₁ i d₂) i uzima se srednja vrijednost dijagonale d. Zbog toga se rezultati ispitivanja tvrdoće po Brinellu i tvrdoće po Vickersu dobro podudaraju do 4500 N/mm².^[1]

Tvrdoća po Vickersu je razvijena u tvrtci Vickers Ltd., kao zamjena za ispitivanja tvrdoće po Brinellu. Tvrdoća po Vickersu (oznaka: HV) iskazuje se kao naprezanje na površini udubljenja:

HV = F / A

gdje je: A – površina udubljenja dijamantne četverostrane piramide (mm²), F – tlačna sila utiskivanja (N). Površina udubljenja dijamantne četverostrane piramide se može izračunati:

A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}}

ili približno:

A\approx {\frac {d^{2}}{1,8544}}

gdje je d - srednja vrijednost dijagonale d = (d1 + d2) / 2. Iz toga proizlazi:

HV={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1,8544F}{d^{2}}}

gdje je: F - tlačna sila utiskivanja (N).

Ograničenja

Ograničenja su za ispitivanja tvrdoće po Vickersu:^[2]

debljina uzorka treba biti barem 8 puta veća od dubine utisnute dijamantne četverostrane piramide,
trajanje povećanja sile do konačne vrijednosti iznosi 15 sekundi, a njeno djelovanje traje 30 ili više sekundi,
sila nije ograničena, a ona je rijetko veća od 1000 N (100 kg), a ponekad je i vrlo mala, svega nekoliko mN.

Zbog toga se nekad ispitivanje tvrdoće po Vickersu označuje oznakom xxxHVyy, kao na primjer 440HV30, ili xxxHVyy/zz, ako se trajanje sile razlikuje (na primjer od 10 s na 15 s, pa je oznaka 440Hv30/20). Vrijednosti znače:

440 – vrijednost tvrdoće po Vickersu (4400 N/mm²),
HV – oznaka tvrdoće po Vickersu,
30 – označuje vrijednost sile u kilogramima: 30 kg (294 N).
20 - označuje trajanje sile ako se razlikuje od 10 s na 15 s.

Primjeri vrijednosti HV za različite materijale:^[3]
Materijal	Vrijednost
316L nehrđajući čelik	140HV30
347L nehrđajući čelik	180HV30
Ugljični čelik	55–120HV5
Željezo	30–80HV5

Ograničenja ispitivanja vezano za rub uzorka

Kod ispitivanja tvrdoće po Vickersu treba paziti na udaljenost između utisnute četverostrane piramide i ruba uzorka, da se izbjegne utjecaj rubova na tvrdoću uzorku. Najmanje udaljenosti za mjerenje se mogu naći u standardima ISO 6507-1 i ASTM E384.

Standard	Najmanja udaljenost između otisaka	Najmanja udaljenost od centra otiska do ruba uzorka
ISO 6507-1	> 3·d za čelik i bakrene legure i > 6·d za lagane metale	2.5·d čelik i bakrene legure i > 3·d za lagane metale
ASTM E384	2.5·d	2.5·d

Prednosti i nedostaci

Vickers je svojom metodom uklonio glavne nedostatke Brinellove metode, pa je primjenom ove metode moguće mjeriti i najtvrđe materijale. Ovdje tvrdoća nije ovisna o primijenjenoj sili. Prvi nedostatak uklonjen je primjenom najtvrđeg materijala: dijamanta za utiskivač, a drugi geometrijom utiskivanja. Otisak je vrlo malen, pa ne oštećuje površinu (važno pri mjerenju tvrdoće gotovih proizvoda). Moguće je mjeriti i vrlo tanke uzorke primjenom male sile. Nadalje upotrebom male sile moguće je mjeriti tvrdoću pojedinih kristalnih zrna. Vickersova metoda jedina je primjenjiva u znanstveno - istraživačkom radu na području materijala.^[4]

Nedostatak je što osim finog brušenja, potrebno je i poliranje uzoraka, kao što se to radi u metalografskoj pripremi. Za mjerenje veličine otiska nije dovoljno pomično mjerilo kao kod Brinella, već mjerni mikroskop.

Usporedba raznih postupaka ispitivanja tvrdoće

Postoje razni postupci za ispitivanja tvrdoće, a ponekad i nije moguće sasvim točno usporediti rane postupke, tako da sljedeća tablica daje približne vrijednosti, da bi se vrijednosti mogle usporediti:

Tvrdoća po Brinellu (10 mm kuglica, 3000 kg sila)	Tvrdoća po Vickersu HV (120 kg)	Tvrdoća po Rockwellu HRC (120º stožac, 150 kg)	Tvrdoća po Rockwellu HRB (1,5875 mm kuglica, 100 kg)	Leeb HLD^[5]
800	-	72	-	857
780	1220	71	-	850
760	1170	70	-	843
745	1114	68	-	837
725	1060	67	-	829
712	1021	66	-	824
682	940	65	-	812
668	905	64	-	806
652	867	63	-	799
626	803	62	-	787
614	775	61	-	782
601	746	60	-	776
590	727	59	-	770
576	694	57	-	763
552	649	56	-	751
545	639	55	-	748
529	606	54	-	739
514	587	53	120	731
502	565	52	119	724
495	551	51	119	719
477	534	49	118	709
461	502	48	117	699
451	489	47	117	693
444	474	46	116	688
427	460	45	115	677
415	435	44	115	669
401	423	43	114	660
388	401	42	114	650
375	390	41	113	640
370	385	40	112	635
362	380	39	111	630
351	361	38	111	621
346	352	37	110	617
341	344	37	110	613
331	335	36	109	605
323	320	35	109	599
311	312	34	108	588
301	305	33	107	579
293	291	32	106	572
285	285	31	105	565
276	278	30	105	557
269	272	29	104	550
261	261	28	103	542
258	258	27	102	539
249	250	25	101	530
245	246	24	100	526
240	240	23	99	521
237	235	23	99	518
229	226	22	98	510
224	221	21	97	505
217	217	20	96	497
211	213	19	95	491
206	209	18	94	485
203	201	17	94	482
200	199	16	93	478
196	197	15	92	474
191	190	14	92	468
187	186	13	91	463
185	184	12	91	461
183	183	11	90	459
180	177	10	89	455
175	174	9	88	449
170	191	7	87	443
167	168	6	87	439
165	165	5	86	437
163	162	4	85	434
160	159	3	84	430
156	154	2	83	425
154	152	1	82	423
152	150	-	82	420
150	149	-	81	417
147	147	-	80	413
145	146	-	79	411
143	144	-	79	408
141	142	-	78	405
140	141	-	77	404
135	135	-	75	397
130	130	-	72	390
114	120	-	67	365
105	110	-	62	350
95	100	-	56	331
90	95	-	52	321
81	85	-	41	300
76	80	-	37	287

Usporedba s Mohsovom ljestvicom

Usporedba Mohsove ljestvice s tvrdoćom po Vickersu:^[6]

Mineral (naziv)	Mohsova tvrdoća	Tvrdoća po Vickersu (HV) kg/mm²
Grafit	1 – 2	VHN₁₀ = 7 – 11
Kositar	1,5	VHN₁₀ = 7 – 9
Bizmut	2 – 2,5	VHN₁₀₀ = 16 – 18
Zlato	2,5	VHN₁₀ = 30 – 34
Srebro	2,5	VHN₁₀₀ = 61 – 65
Kalkocit	2,5 – 3	VHN₁₀₀ = 84 – 87
Bakar	2,5 – 3	VHN₁₀₀ = 77 – 99
Olovni sjajnik (galenit)	2,5	VHN₁₀₀ = 79 – 104
Sfalerit	3,5 – 4	VHN₁₀₀ = 208 – 224
Hezlevodit	4	VHN₁₀₀ = 230 – 254
Karolit	4,5 – 5,5	VHN₁₀₀ = 507 – 586
Getit	5 – 5,5	VHN₁₀₀ = 667
Hematit	5 – 6	VHN₁₀₀ = 1000 – 1100
Kromit	5,5	VHN₁₀₀ = 1278 – 1456
Anatas	5,5 – 6	VHN₁₀₀ = 616 – 698
Rutil	6 – 6,5	VHN₁₀₀ = 894 – 974
Pirit	6 – 6,5	VHN₁₀₀ = 1505 – 1520
Boveit	7	VHN₁₀₀ = 858 – 1288
Euklas	7,5	VHN₁₀₀ = 1310
Krom	8,5	VHN₁₀₀ = 1875 – 2000

Poveznice

Tvrdoća kemijskih elemenata

Izvori

↑ "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
↑ "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
↑ "Smithells Metals Reference Book", 8th Edition, ch. 22
↑ Arhivirana inačica izvorne stranice od 17. kolovoza 2012. (Wayback Machine) "Postupci mjerenja tvrdoće", www.vorax.hr/dokumenti/hr, 2011.
↑ H.Pollok, „Umwertung der Skalen“ (“Conversion of Scales”), Qualität und Zuverlässigkeit, Ausgabe 4/2008.
↑ mindat.org

[1] "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.

[2] "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.

[3] "Smithells Metals Reference Book", 8th Edition, ch. 22

[4] Arhivirana inačica izvorne stranice od 17. kolovoza 2012. (Wayback Machine) "Postupci mjerenja tvrdoće", www.vorax.hr/dokumenti/hr, 2011.

[5] H.Pollok, „Umwertung der Skalen“ (“Conversion of Scales”), Qualität und Zuverlässigkeit, Ausgabe 4/2008.

[6] t.org

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]