Vickers-hardheid

Hardheid is geen abstractie wanneer een boor verbrandt op een te harde stalen balk of wanneer een rvs-bevestiging onverwacht vervormt. De Vickers-test biedt hier uitsluitsel door met uiterste precisie een microscopische afdruk achter te laten die precies vertelt hoe een metaal zich onder belasting zal gedragen. Anders dan bij andere methoden is de vorm van de indruk altijd gelijkvormig, wat betekent dat de hardheidswaarde in principe onafhankelijk is van de gekozen kracht. Dit maakt de methode universeel inzetbaar voor zowel flinterdunne metaalfolies als zware constructiedelen van gehard staal. Een technicus meet na de test de diagonalen van de vierkante indruk met een meetmicroscoop om de uiteindelijke HV-waarde vast te stellen. Het is een proces van uiterste nauwkeurigheid.

Een vlak en gepolijst oppervlak vormt de basis voor een betrouwbare meting. Oneffenheden verstoren immers de optische aflezing van de afdrukhoeken. De machine laat de diamanten piramide met uiterste precisie neerdalen. Krachtopbouw gebeurt gecontroleerd. De indringer wordt met een specifieke last in het materiaal geperst, waarbij de belasting gedurende een vaste vloeitijd – meestal tussen de tien en vijftien seconden – constant blijft. Dit geeft het materiaal de tijd om zich plastisch te vervormen. Na het wegnemen van de last resteert een microscopische, vierkante indruk.

De technicus verschuift vervolgens de focus naar de optische analyse. Met een geïntegreerde meetmicroscoop worden de lengtes van de twee diagonalen van de indruk tot op de micrometer nauwkeurig vastgesteld. Het rekenwerk vindt plaats op basis van de verhouding tussen de uitgeoefende kracht en de totale oppervlakte van de piramidale wanden van de afdruk. Het resultaat is een hardheidswaarde die, dankzij de gelijkvormigheid van de piramide, nagenoeg onafhankelijk is van de gebruikte testlast. Consistentie in de uitvoering waarborgt hierbij de reproduceerbaarheid van de data.

De last bepaalt de bril. In de praktijk wordt de Vickers-test onderverdeeld in drie domeinen, afhankelijk van de dikte en de aard van het te testen object. De kracht is hierbij de variabele, de piramide de constante.

Voor zware constructie-elementen, zoals dikwandige stalen profielen of gietstukken, wordt de macrohardheidsmeting ingezet. Hierbij werkt de technicus met belastingen variërend van 5 kgf tot 100 kgf (49 tot 981 N). De indruk is robuust. De foutmarge klein. Bij dunne materiaallagen of kleine onderdelen verschuift de focus naar laaglast-Vickers, met krachten tussen de 0,2 kgf en 5 kgf. Hier is precisie in de oppervlaktevoorbereiding cruciaal. Een krasje kan de meetwaarde al volledig verstoren.

De uiterste grens vinden we bij de microhardheidsmeting. Belastingen dalen hier tot onder de 200 gram. Het is het terrein van de metallurg die de hardheid van een enkele korrel in de kristalstructuur wil weten of de hardheid van een flinterdunne galvanische laag moet controleren. De HV-waarde wordt altijd gevolgd door de gebruikte testlast, zoals HV30 of HV0.1. Zonder deze toevoeging verliest de waarde zijn context in een technisch rapport. Het is geen suggestie, het is een vereiste.

Vickers wordt vaak de universele methode genoemd. Dit is geen marketingpraat. In tegenstelling tot de Brinell-methode, die een hardmetalen kogel gebruikt, blijft de diamanten piramide van de Vickers-test ook bij extreem harde materialen onvervormd. Waar een Brinell-kogel bij zeer hard staal zelf begint af te platten en zo de meting onbetrouwbaar maakt, snijdt de diamant onverstoorbaar door het oppervlak.

Rockwell-metingen zijn sneller. Ze meten de indringdiepte direct op een klok of display. Maar Rockwell mist de absolute geometrische precisie van de optische Vickers-analyse. Vickers meet het oppervlak van de blijvende indruk. Dit maakt de methode nagenoeg lastonafhankelijk; of je nu met 10 of met 30 kilo drukt, de berekende hardheidswaarde moet bij een homogeen materiaal nagenoeg gelijk blijven. Dat is de kracht van de 136 graden piramidevorm. Vergelijkingstabellen bestaan om HV om te rekenen naar HRC (Rockwell C) of HB (Brinell), maar dergelijke conversies zijn altijd benaderingen. Een directe meting geniet in de bouwtechniek en materiaalkunde altijd de voorkeur boven een tabelwaarde.

Een lasnaad in een zware staalconstructie. De inspecteur plaatst een reeks indrukken vlak naast de smeltlijn om vast te stellen of het staal door de hitte van het lassen niet te bros is geworden, wat tot scheurvorming zou kunnen leiden bij zware verkeersbelasting. Dit heet een hardheidstraject. De nauwkeurige diamantpunt van de Vickers-test maakt het mogelijk om de hardheid op specifieke punten in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) te mappen. Zo wordt kraakhelder of de lasprocedure correct is uitgevoerd.

Bij de productie van rvs-gevelplaten is de dikte beperkt. Een Brinell-test zou de dunne plaat simpelweg doorboren of aan de achterzijde vervormen. Men kiest hier voor een lage testlast, bijvoorbeeld HV1. De afdruk is minuscuul. De meting blijft beperkt tot het oppervlak van de plaat zonder de structurele integriteit van het monster te ruïneren. Het resultaat geeft direct de bevestiging of de koudversteviging tijdens het walsen de gewenste specificaties heeft bereikt.

Tandwielen in een liftinstallatie. Alleen de buitenste flank van de tanden moet extreem hard zijn om slijtage tegen te gaan. De kern moet juist taai blijven om schokken op te vangen. Na het hardingsproces wordt een tand doorgeslepen en gepolijst. Een technicus meet vervolgens van de rand naar het midden toe. Met elke stap dieper in het materiaal daalt de HV-waarde. Dit profiel bewijst of de hardingsdiepte voldoet aan het ontwerp. Precisie is hier geen luxe maar een veiligheidseis.

Een flinterdunne zinklaag op een stalen verbindingselement. De metallurg wil weten of de laag hard genoeg is om transportbeschadigingen te weerstaan. Microhardheidsmeting is de enige weg. Met een belasting van slechts 50 gram (HV0.05) wordt een indruk gemaakt die volledig binnen de zinklaag valt. De onderliggende staalstructuur wordt niet geraakt. Het is microscopisch maatwerk.

NEN-EN-ISO 6507-1 regeert de uitvoering. De norm is onverbiddelijk over de kalibratie van de testdiamant en de meetmicroscoop. Voor constructiestaal is de link met NEN-EN 1090-2 essentieel. Hierin wordt bepaald wanneer een Vickers-meting verplicht is voor de kwaliteitsbewaking van snijvlakken of lasverbindingen. Foutmarges zijn niet toegestaan. Bij het kwalificeren van lasmethoden grijpt men direct naar NEN-EN-ISO 15614-1, waarin de maximaal toegestane hardheidswaarden in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) zijn vastgelegd om waterstofscheuren te voorkomen.

Overschrijding van de HV-grenswaarden, vaak gesteld op 350 of 380 HV voor gangbare staalsoorten, leidt onherroepelijk tot afkeur van de lasprocedure. Het is een harde grens tussen constructieve veiligheid en potentieel falen. De nauwkeurigheid van de testopstelling zelf is geborgd in ISO 6507-2. Zonder een geldig kalibratiecertificaat van de hardheidsmeter heeft een HV-waarde in een technisch dossier geen enkele juridische bewijskracht. Eisen aan de oppervlakteconditie van het monster staan eveneens in deze internationale standaarden beschreven; een te ruwe afwerking diskwalificeert de meting direct. Tabellen voor de omrekening naar schalen zoals Brinell of Rockwell zijn weliswaar gestandaardiseerd in ISO 18265, maar bij arbitragezaken geniet de directe meting volgens de moeder-norm altijd de voorkeur. Consistentie is hierbij het sleutelwoord. Laboratoria moeten hun protocollen strikt afstemmen op deze regelgeving om internationaal erkende certificaten te kunnen uitvinden. Het gaat hier niet om een advies, maar om de technische onderbouwing van structurele integriteit.

De Vickers-methode ontstond in 1921 uit een technisch tekort. De destijds gangbare Brinell-test, die gebruikmaakte van een stalen kogel, stuitte op fysieke grenzen bij het testen van zeer harde staalsoorten. De kogel vervormde simpelweg. Robert L. Smith en George E. Sandland, werkzaam bij het Britse Vickers Ltd, zochten een onvervormbaar alternatief en vonden dat in diamant. De tophoek van 136 graden was een berekende keuze. Deze hoek zorgt ervoor dat de resultaten aansluiten bij de ideale Brinell-meting, maar dan zonder de beperkingen van een metalen indringer.

Gedurende de 20e eeuw ontwikkelde de techniek zich van een laboratoriuminstrument naar een onmisbare schakel in de industriële kwaliteitscontrole. De basisprincipes bleven stabiel. Innovatie zat vooral in de verfijning van de meetoptiek. Waar technici vroeger uitsluitend handmatig door een microscoop tuurden, integreerde de sector vanaf de jaren tachtig digitale beeldverwerking. Dit elimineerde de menselijke foutmarge bij het opmeten van de diagonalen. De schaalbaarheid van de methode leidde bovendien tot de ontwikkeling van micro-Vickers, essentieel voor de opkomende markt van dunne coatings en oppervlaktebehandelingen in de moderne bouwtechniek. Wat begon als een oplossing voor hard staal, is nu de universele standaard voor materiaalkarakterisering.

• https://www.innovatest-europe.com/nl/vickers/
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Vickershardheid
• https://www.zwickroell.com/nl/branches/metalen/metaalnormen/vickers-test-iso-6507/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Vickers_hardness_test
• https://www.zwickroell.com/nl/branches/metalen/metaalnormen/astm-e92/