background image

Pomiary twardości i mikrotwardości 

 

1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  z  metodami  badania  twardości  metali  oraz  nabycie 

umiejętności w określaniu twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa. 
Zapoznanie z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości. 
 

2. Wiadomości podstawowe 

Twardość jest jedną z tych właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować 

w oparciu o znane wielkości fizyczne. W praktyce inżynierskiej przez twardość rozumie się 
odporność  na  odkształcanie  plastyczne  przy  oddziaływaniu  skupionego  nacisku  w  postaci 
ściśle określonego wgłębnika.  
Pomiary  twardości  są  stosowane  w  praktyce  materiałoznawczej  ze  względu  na  prostotę  i 
szybkość  pomiaru.  Ze  względu  na  znikome  odkształcenie  oraz  możliwość  wykonywania 
pomiarów na gotowych elementach, pomiary twardości są zaliczane do badań nieniszczących.  
Pomiary twardości są wykorzystywane w: 

kontroli wyników procesów technologicznych obróbki plastycznej, obróbki cieplnej i 
cieplno-chemicznej, 

kontroli jednorodności materiału, 

szybkiego sortowania gatunków lub stanu materiału, 

przybliżonej oceny wytrzymałości na rozciąganie niektórych materiałów. 

Metody pomiaru twardości ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas 
próby, można podzielić na: 

statyczne  – oparte na statycznym  wciskaniu  wgłębnika (metody Rockwella, Brinella, 
Vickersa, Knoopa), 

dynamiczne – oparte na udarowym działaniu wgłębnika (metoda Poldi, Shore’a), 

ryskowe – twardość jest określana w oparciu o wymiary rysy otrzymywanej w wyniku 
przesuwania  się  po  powierzchni  materiału  ostrego  i  twardego  wgłębnika  z  ściśle 
określonym dociskiem.  

Najczęściej rozpowszechnionymi metodami pomiaru twardości są metody statyczne. 

2.1. Pomiar twardości metodą Rockwella 
W  metodzie  Rockwella  miarą  twardości  jest  różnica  umownej  oraz  rzeczywistej 

głębokości wnikania e w materiał określonego wgłębnika.  
Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał 
wgłębnika  w  postaci  stożka  diamentowego  o  kącie  wierzchołkowym  wynoszącym  120

  - 

skale  A  i  C  lub  kulki  stalowej  o  średnicy  1,5875  mm  (1/6”)  -  skale  B  i  F.  Trwały  przyrost 
głębokości odcisku zmierzony czujnikiem, jest miarą twardości w skali C, A  - w przypadku 
stosowania stożka diamentowego oraz w skali B, F – w przypadku stosowania kulki. 
Wielkości obciążeń dla metody Rockwella przedstawiono w tabeli 1. 
 

Skala 

Rodzaj wgłębnika 

Obciążenie wstępne 

[N] 

Obciążenie całkowite 

[N] 

HRC 

Stożek diamentowy 

120

 

98 

1471 

HRA 

588 

HRB 

Kulka stalowa 

 1,5875 (1/6’’) 

98 

980 

HRF 

588 

background image

Zasada pomiaru twardości  

Pod wpływem obciążenia wstępnego wynoszącego dla czterech głównych skal 98 N wgłębnik 
wgłębia  się  w  badany  materią  na  głębokość  h

o

.  Celem  obciążenia  wstępnego  jest 

wyeliminowanie  błędów  wynikających  z  przylegania  nie  obciążonego  wgłębnika  do 
powierzchni  metalu  oraz  z  odkształcenia  sprężystego.  Po  przyłożeniu  obciążenia  głównego 
wgłębnik wciskany z siłą F

0

 +F

1

 zagłębia się na głębokość h. Po upływie określonego okresu 

czasu (na ogół 2

6 s) następuje odciążenie obciążenia głównego i pozostawienie obciążenia 

wstępnego F

o

Po usunięciu obciążenia głównego F

1,

 na skutek właściwości sprężystych badanego materiału 

zmniejsza się trwałe zagłębienie wgłębnika osiągając wartość e
 

 

Rys.  1.  Schemat  pomiaru  twardości  metodą  Rockwella  z  wykorzystaniem  stożka 

diamentowego 

 

Rys. 2. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem kulki  

Trwały przyrost głębokości odcisku przyjmuje się do wyznaczenia twardości Rockwella wg 
wzoru: 

HR = (K-e)/C 

gdzie:  

K – wartość stała wynosząca: 0,2 mm – dla stożka diamentowego, 0,26 mm – dla kulki, 
e – trwały przyrost głębokości odcisku, 
C - wartość jednostki odczytowej wynosząca 0,002 mm.  

background image

Wyznaczona w ten sposób wartość twardości jest wielkością niemianowaną. 
Oznaczenie twardości w metodzie Rockwella składa się: 

z liczby określającej wartość twardości, 

znaku HR oraz symbolu skali (A, C, D, F). 

Przykładowe oznaczenie twardości: 38 HRC - dla stożka lub 60 HRB dla kulki. 
Skalę  C  i  A  (stożek  diamentowy)  stosuje  się  dla  stali  węglowych  i  stopowych  w  stanie 
zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz dla innych stopów o twardości 20-67 HRC oraz 60-
90 HRA,  
Skalę B i F (kulka) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zmiękczonym lub 
normalizowanym oraz dla stopów metali nieżelaznych o twardości 35-2100HRB oraz 60-100 
HRF.  
Zasady pomiaru twardości metodą Rockwella reguluje norma PN-EN ISO 6508-1:2002. 
Metoda  Rockwella  jest  bardzo  wygodną  do  kontroli  części  hartowanych  przy  masowej 
produkcji, ze względu na szybkość pomiaru oraz łatwość odczytu na czujniku. 
Wadą  metody  Rockwella  jest  znaczna  liczba  skal  twardości  i  ograniczone  możliwości  ich 
porównywania.  Metoda  ta  jest  bardzo  wrażliwa  na  błędy  ustawienia  próbki  oraz  właściwą 
obsługę twardościomierza.  
 

2.2. Pomiar twardości sposobem Brinella 

W  metodzie  Brinella  twardość  jest  to  stosunek  siły  F,  działającej  prostopadle  do 

badanej próbki i obciążającej stalową lub z węglików spiekanych kulkę, do pola powierzchni 
odcisku S, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale.  
Pole  powierzchni  odcisku  określa  się  mierząc  średnicę  czaszy  kulistej  trwałego  odcisku. 
Celem zapewnienia dokładności pomiarów oraz potwierdzenia, że odcisk stanowi sferę kuli, 
średnicę powstałego odcisku określa się jako średnią z dwu prostopadłych kierunków.  
Wartość twardości oblicza się ze wzoru: 

HB = F/S = 2F/D(D-D

2

-d

2

 
Do pomiaru stosowane są kulki o średnicy D - 10, 5, 2,5, 2 i 1 mm.  
Ze względu na możliwość stosowania kilku kulek oraz różnych wartości siły obciążającej, w 
celu możliwości porównywalności wartości twardości należy tak dobierać warunki próby aby 
była spełniona zależność: 

F = 9,8 KD

2

 

gdzie:  

K – współczynnik obciążenia wynoszący 1, 2,5, 5, 10, 15, 30. 

Wartość  współczynnika  K  winna  być  tak  dobierana  aby  średnica  czaszy  kulistej  trwałego 
odcisku d mieściła się w zakresie (0,25

0,6)D. 

Metoda Brinella jest stosowana do określania twardości stopów żelaza i metali nieżelaznych 
do twardości ok. 650 HB. 
Oznaczenie twardości Brinella składa się z cyfrowo-literowego ciągu znaków zawierającego: 

wartość twardości (trzy cyfry znaczące), 

symbol HB lub HBW – dla kulek z węglików spiekanych, 

indeks wskazujący przyjęte warunki próby, obejmujący; 

średnicę kulki w mm, 

wartość siły obciążającej w kG, 

czas działania siły obciążającej w sekundach (jeśli jest inny niż 10

15 s). 

background image

Przykładowe oznaczenie twardości: 

350 HBW 10/100/30. 

Wartości twardości mogą być porównywane między sobą, w przypadku stosowania tej samej 
wartości współczynnika K.  
Metoda  Brinella  znalazła  szerokie  zastosowanie  w  praktyce  przemysłowej  ze  względu  na 
dobrą  powtarzalność  wyników.  Stosuje  się  ją  głównie  do  pomiaru  twardości  stali  w  stanie 
normalizowanym, zmiękczonym, lub ulepszonym cieplnie.  
Powierzchnia badanego przedmiotu powinna być płaska i gładka, oczyszczona ze zgorzeliny. 
Zaletą  tej  metody  jest  to,  że  dla  wielu  materiałów  wytrzymałość  na  rozciąganie  jest  wprost 
proporcjonalna do twardości Brinella. Metody tej nie można stosować do pomiarów twardości 
materiałów o niewielkich wymiarach, warstw powierzchniowych oraz materiałów twardych. 
Zasady pomiaru twardości metodą Brinella określa norma PN-EN ISO 6506-1:2002. 
 

2.3. Pomiar twardości sposobem Vickersa 
W  metodzie  Vickersa  twardość  jest  określana  jako  stosunek  obciążenia  F  do 

powierzchni S pobocznicy odcisku wgłębnika. 
Wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie 

  =  136

  między 

przeciwległymi ścianami. Nacisk wywierany, zależnie od rodzaju powierzchni badanej, może 
być dobierany w zakresie od 9,8 do 981 N (od 1 do 100 kG). Po dokonaniu pomiaru mierzy 
się  długości  przekątnych,  powstającego  odcisku  przyjmując  do  dalszych  obliczeń  wartość 
średnią (rys. 3). 

 

Rys. 3. Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa 

Twardość w metodzie Vickersa określana jest ze wzoru  

HV = F/S = 1,854 F/d

 
 
Zapis twardości obejmuje: 

wartość liczbową określającą twardość, 

symbol HV

liczbę określającą siłą obciążającą (w kG) oraz czas działania siły jeśli jest inny niż 
10

15 s. 

Przykładowe oznaczenie twardości: 780 HV10/20

Zakres pomiaru twardości metodą Vickersa jest bardzo szeroki i umożliwia pomiar twardości 
zarówno metali miękkich jak i  bardzo twardych. W metodzie tej stosuje się jedną skalę dla 
całego zakresu twardości. 
Pomiar  metodą  Vickersa  w  minimalny  sposób  uszkadza  badany  przedmiot,  odcisk  jest  tak 
nieznaczny, że można tą metodą badać cienkie warstwy utwardzane o wysokiej twardości np. 
po azotowaniu lub węgloazotowaniu oraz ostrza narzędzi po szlifowaniu. 

background image

W  metodzie  tej  podobnie  jak  w  metodzie  Brinella  wartość  twardości  można  powiązać  z 
wytrzymałością na rozciąganie. 
Zasady pomiaru twardości metodą Vickersa określa norma PN-EN ISO 6507-1:1999 
 

2.4. Pomiar mikrotwardości 
Bardzo  często  w  badaniach  metaloriałoznawczych  zachodzi  konieczność  wyznaczania 

twardości: 

warstw wierzchnich,  

cienkich drutów oraz blach, 

składników strukturalnych stopów,  

ostrzy.  

W  takim  przypadku  jest  to  możliwe  poprzez  stosowanie  obciążeń  poniżej  10  N  oraz 
stosowanie  precyzyjnych  układów  do  pomiaru  przekątnych  odcisków,  otrzymane  w  tym 
przypadku wartości twardości noszą nazwę mikrotwardości. 
Urządzenia  pomiarowe  umożliwiające  realizację  tych  pomiarów  nazywane  są 
mikrotwardościomierzami. 
Do  pomiaru  mikrotwardości  zasadniczo  jest  stosowana  metoda  Vickersa.  Zasada  pomiaru 
mikrotwardości  jest  identyczna  jak  makrotwardości  opisana  powyżej.  Różnica  polega  na 
precyzyjnym wykonaniu wgłębnika, z mniejszymi tolerancjami wymiarowymi. 
Przy  pomiarach  mikrotwardości  stosuje  się  możliwie  największe  obciążenia,  gdyż  wtedy 
znacząco ograniczamy błąd przekątnej odcisku. 
Dokonując pomiaru twardości składników strukturalnych stopów lub poszczególnych ziaren 
wartość  obciążenia  winna  zapewnić  otrzymanie  odcisku  mieszczącego  się  wewnątrz 
badanego obiektu.  
Do  pomiaru  mikrotwardości  powierzchnie  badanego  metalu  musi  być  starannie 
przygotowana;  szlifowana  na  papierach  o  ziarnistości  minimum  600,  polerowana,  a  w 
przypadku badania składników strukturalnych również wytrawiona. 
 
3. Przebieg ćwiczenia 

Zapoznać  się  z  budową  i  zasadą  działania  twardościomierzy.  Pod  nadzorem 

prowadzącego wykonać po 3 pomiary twardości wskazanych materiałów. Pomiary twardości 
poszczególnych materiałów wykonać co najmniej dwoma metodami. 
 

3.1. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Rockwella (Rys. 4) 

1)  Sprawdzić czy został zamontowany właściwy typ wgłębnika 8 oraz odpowiednie 

obciążenie 2

2)  Sprawdzić czy dzwignia obciążenia głównego 5 jest w położeniu odciążenia. 
3)  Położyć próbkę 9 na stoliku 10 śruby, a następnie pokręcając pokrętłem 12 podnieść 

próbkę aż do zetknięcia się z wgłębnikiem 8

4)  Obracając pokrętłem 12 docisnąć tak do próbki, aby sprężyna 7 oddziaływała na 

wgłębnik siłą obciążająca F

o

=98 N. Odpowiada to ustawieniu małej wskazówki 

czujnika na wyróżnionej cyfrze (4) małej skali. Duża wskazówka powinna być 
ustawiona w miarę pionowo. Niedopuszczalne jest korygowanie położenia wskazówki 
przez odciążanie sprężyny (obrót pokrętła 12 w lewo). 

5)  Dokonać korekcji ustawienia tarczy miernika 6 przez ustawienie wskazówki dużej na 

cyfrze 0.  

background image

6)  Włączyć obciążenie główne F

1

, przyciskając przycisk 5. Duża wskazówka wykonuje 

wówczas obrót przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara, zajmując 
przykładowe położenie na cyfrze 30 skali C położenie II - rys. b. 

7)  Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia (4

6s), obrócić korbkę 5a w 

prawo, aż do zatrzaśnięcia. Wówczas wskazówka duża zmieni położenie względem  
tarczy z położenia II na III. Wskazywana wartość 65 jest twardością na skali HRC. 

8)  Obrócić pokrętłem 12 w lewo celem całkowitego odciążenia próbki. 
9)  Wykonać co najmniej 3 pomiary. 
10) Otrzymane wyniki zapisać w sprawozdaniu. 

 

 

 

Rys. 4. Schemat twardościomierza Rockwella 

3.2. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Brinella (Rys. 5) 

1)  Dokonać dobrania kulki oraz stosownego obciążenia.  
2)  Dobraną kulkę zamocować w oprawce 8, przez wciśnięcie przycisku 11 wybrać 

stosowne obciążenie. 

3)  Położyć badaną próbkę na stoliku 18 umocowanym na śrubie 16. 
4)  Włączyć oświetlenie 19
5)  Pokrętłem 20 podnieść stolik z próbka tak, aby na matówce 7 był widoczny wyraźny 

obraz powierzchni próbki. 

6)  Włączyć obciążenie przez przyciśnięcie przycisku zwalniającego 10, w tym 

momencie nastąpi obrót przegubu i wgłębnik ustawi się w linii działania obciążenia i 
obciążenie zostanie zadane. 

7)  Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia przycisnąć dzwignię 15 w 

położenie dolne (początkowe). Wtedy obiektyw 5 ustawi się na linii optycznej i na 
matówce 7 widoczny jest obraz odcisku. 

8)  Zmierzyć średnicę odcisku w dwu prostopadłych kierunkach (rys. 6). 
9)  Odczytać wartość twardości z tablic lub obliczyć ze wzoru. 
10) Wykonać co najmniej 3 pomiary. 

W dysponowanym twardościomierzu układ optyczny do pomiaru odcisku stanowi integralną 
część twardościomierza. W położeniu odciążonym ślad odcisku jest przenoszony przez układ 
optyczny  na  ekran  (matówkę),  z  zaznaczoną  podziałką  umożliwiającą  odczytanie  średnicy 

background image

odcisku.  Ruchome  poziome  skale;  dziesiętnych,  setnych  wraz  ze  sprzężona  z  nimi  śrubą 
mikrometryczną umożliwiają precyzyjny odczyt średnicy odcisku z dokładnością 

0,001 mm. 

 

Rys. 5. Schemat twardościomierza Brinella 

 

 

Rys. 6. Pomiar średnicy odcisku 

Na przedstawionym rys. 6, ślad odcisku obejmuje: 

12 dużych kresek, między którymi odległość wynosi 0,1 mm, a więc łącznie 1,2 mm, 

kreska zerowa znajduje się za czwartą kreską skali wyznaczającej setne części 
milimetra - 0,04, 

wskazania śruby mikrometru wynoszą 3 co daje 0,003 mm, 

łącznie średnica odcisku wynosi 1,243 mm. 

 

3.3. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Vickersa  

Pomiar  twardości  metodą  Vickersa  realizowany  jest  w  identyczny  sposób  co  pomiar 
twardości metodą Brinella. W tym przypadku dokonujemy pomiaru przekątnej odcisku.  
 
4. Wytyczne do opracowania sprawozdania 

W oparciu o przeprowadzone pomiary twardości sporządzić sprawozdanie, w którym 

należy zawrzeć: 

opis stosowanych metod pomiaru twardości, 

nazwy oraz dane stosowanych twardościomierzy, 

warunki dokonywania pomiarów, 

wyniki pomiarów, 

wnioski. 

 

background image

5. Przykładowe pytania kontrolne 

1.  Wymienić statyczne oraz dynamiczne metody pomiaru twardości.  
2.  Omówić pomiar twardości metodą Rockwella oraz podać warunki wykonywania 

pomiaru. 

3.  Omówić pomiar twardości metodą Brinella oraz podać warunki wykonywania 

pomiaru. 

4.  Omówić pomiar twardości metodą Vickersa oraz podać warunki wykonywania 

pomiaru. 

5.  Omówić zalety oraz wady metod pomiaru twardości. 

 

6.  Literatura 

 

1.  Błażewski S., Mikoszewski J.; Pomiary twardości metali. WNT. Warszawa 1981. 
2.  PN-EN ISO 6506-1:2002. Pomiar twardości sposobem Brinella. 
3.  PN-EN ISO 6507-1:1999. Pomiar twardości sposobem Vickersa. 
4.  PN-EN ISO 6508-1:2002. Pomiar twardości sposobem Rockwella.