Tvrdoća po Vikersu

Tvrdoća po Vikersu (oznaka: HV) je mera otpornosti koju neki materijal pruža prodiranju dijamantne četverostrane piramide s vršnim uglom od 136º, opterećene silom F (N).^[1] Taj je vršni ugao odabran prema čeličnoj kuglici prečnika D (mm), koja se koristi kod ispitivanja tvrdoće po Brinelu, a ostavlja udubljenje prečnika d = 0,375 D (to odgovara prosečnoj vrednosti donje i gornje granice prečnika udubljenja, koje se kreće od 0,25 do 0,5 prečnika kuglice D, unutar kojih su upotrebljivi rezultati ispitivanja tvrdoće po Brinelu). Udubljenje piramide daje kvadrat na površini uzorka, ali zbog netačnosti rada, nesavršenosti uzorka i sličnog (često je kvadrat iskrivljen), mere se obe dijagonale kvadrata (d₁ i d₂) i uzima se srednja vrednost dijagonale d. Zbog toga se rezultati ispitivanja tvrdoće po Brinelu i tvrdoće po Vikersu dobro podudaraju do 4500 N/mm².^[2]

Prikaz ispitivanja tvrdoće po Vikersu.

Zbog netačnosti rada, nesavršenosti uzorka i sličnog (često je kvadrat iskrivljen), mere se obe dijagonale kvadrata (d₁ i d₂) i uzima se srednja vrednost dijagonale d.

Uređaj za ispitivanje tvrdoće po Vikersu.

Tvrdoća po Vikersu je razvijena u preduzeću Vikers Ltd., kao zamena za ispitivanja tvrdoće po Brinelu. Tvrdoća po Vikersu (oznaka: HV) iskazuje se kao naprezanje na površini udubljenja:

HV = F / A

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

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

ili približno:

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

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

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

gde je: F - pritisna sila utiskivanja (N).

Ograničenja

Ograničenja za ispitivanja tvrdoće po Vikersu su: ^[3]

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

Zbog toga se nekad ispitivanje tvrdoće po Vikersu označava oznakom xxxHVyy, kao na primer 440HV30, ili xxxHVyy/zz, ako se trajanje sile razlikuje (na primer od 10 s na 15 s, te je oznaka 440Hv30/20). Vrednosti znače:

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

Primeri vrednosti HV za različite materijale:^[4]

Materijal	Vrednost
316L nerđajući čelik	140HV30
347L nerđajući čelik	180HV30
Ugljenični čelik	55–120HV5
Željezo	30–80HV5

Ograničenja ispitivanja vezano za rub uzorka

Kod ispitivanja tvrdoće po Vikersu treba paziti na udaljenost između utisnute četverostrane piramide i ruba uzorka, da se izbegne uticaj rubova na tvrdoću uzorka. Najmanje udaljenosti za merenje 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 bakarne legure i > 6·d za lagane metale	2.5·d čelik i bakarne legure i > 3·d za lagane metale
ASTM E384	2.5·d	2.5·d

Prednosti i nedostaci

Vikers je svojom metodom uklonio glavne nedostatke Brinelove metode, te je primenom ove metode moguće meriti i najtvrđe materijale. Ovdje tvrdoća nije zavisna od primenjene sile. Prvi nedostatak uklonjen je primenom najtvrđeg materijala: dijamanta za utiskivač, a drugi geometrijom utiskivanja. Otisak je vrlo malen, te ne oštećuje površinu (važno pri merenju tvrdoće gotovih proizvoda). Moguće je meriti i vrlo tanke uzorke primenom male sile. Nadalje upotrebom male sile moguće je meriti tvrdoću pojedinih kristalnih zrna. Vikersova metoda jedina je primenjiva u naučno - istraživačkom radu na području materijala.^[5]

Nedostatak je što osim finog brušenja, potrebno je i poliranje uzoraka, kao što se to radi u metalografskoj pripremi. Za merenje veličine otiska nije dovoljno pomično merilo kao kod Brinela, već merni mikroskop.

Poređenje raznih postupaka ispitivanja tvrdoće

Postoje razni postupci za ispitivanja tvrdoće, a ponekad i nije moguće sasvim tačno uporediti rane postupke, tako da sledeća tabela daje približne vrednosti, da bi se vrednosti mogle uporediti:

Tvrdoća po Brinelu (10 mm kuglica, 3000 kg sila)	Tvrdoća po Vikersu HV (120 kg)	Tvrdoća po Rokvelu HRC (120º stožac, 150 kg)	Tvrdoća po Rokvelu HRB (1,5875 mm kuglica, 100 kg)	Lib HLD[6]
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

Poređenje s Mosovom lestvicom

Poređenje Mosove lestvice s tvrdoćom po Vikersu:^[7]

Mineral (naziv)	Mosova tvrdoća	Tvrdoća po Vikersu (HV) kg/mm2
Grafit	1 – 2	VHN10 = 7 – 11
Kalaj	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
Hromit	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
Hrom	8,5	VHN100 = 1875 – 2000

Vidi još

• Tvrdoća hemijskih elemenata

Reference

1. R.L. Smith & G.E. Sandland, "An Accurate Method of Determining the Hardness of Metals, with Particular Reference to Those of a High Degree of Hardness," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. I, 1922, pp. 623–641.
2. "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
3. "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
4. "Smithells Metals Reference Book", 8th Edition, ch. 22
5. "Postupci mjerenja tvrdoće", www.vorax.hr/dokumenti/hr, 2011.
6. H.Pollok, „Umwertung der Skalen“ (“Conversion of Scales”), Qualität und Zuverlässigkeit, Ausgabe 4/2008.
7. mindat.org

Literatura

• Meyers and Chawla (1999). „Section 3.8”. Mechanical Behavior of Materials. Prentice Hall, Inc.
• ASTM E92: Standard method for Vickers hardness of metallic materials (withdrawn and replaced by E384-10e2)
• ASTM E384: Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials
• ISO 6507-1: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 1: Test method
• ISO 6507-2: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 2: Verification and calibration of testing machines
• ISO 6507-3: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 3: Calibration of reference blocks
• ISO 6507-4: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 4: Tables of hardness values
• ISO 18265: Metallic materials – Conversion of Hardness Values

Spoljašnje veze

• Video on the Vickers hardness test
• Vickers hardness test
• Conversion table – Vickers, Brinell, and Rockwell scales