Twardość- opór materiału przeciw wciskaniu obiektu -wgłębnika. Im głębiej w materiał zagłębia się wgłębnik pod działaniem tego samego obciążenia, tym bardziej miękki jest materiał. Ze wzg na zastosowane obciążenie wyróżnia się: makro-, mikro- i nanotwardość. Makrotwardość nazywa się po prostu twardością. Umowną wartością stosowanej siły, poniżej której dla metali pomiar uważany jest za mikrotwardość, jest obciążenie 1,96 N, natomiast za nanotwardość obciążenie 0,5 N. Twardość nie jest stałą materiałową. Odporność na kruche pękanie- zdolność materiału do stawiania oporu rozprzestrzenianiu się pęknięcia przy obciążeniu uderzeniowym, podobnie jak w próbie udarności. KIc[MPa*mm2]. Zależność między twardością a wytrzymałością na rozciąganie: (szczególnie wg Brinella) istnieje zależność liniowa i tak dla stali: Rm = (3,4 ÷ 3,6)HBW. Metoda Brinella- jako wgłębnika używa się kulki wykonanej z węglika wolframu. Wgłębnik jest wciskany w powierzchnię badanej próbki, a następnie mierzy się średnicę odcisku powstałego na powierzchni po usunięciu siły obciążającej. Miarą twardości jest stosunek siły obciążającej wyrażonej w N do powierzchni utworzonego wgłębienia (czaszy) w mm pomnożony przez stałą. HBW= stała * F/S= 0,102* 2F/ πD^2*(1-√1-d^2 /D^2), gdzie: HBW – twardość Brinella, F- siła obciążająca [N], S - pole powierzchni odcisku, [mm2], D – średnica kulki, [mm], d – średnica odcisku, [mm], stała = 1/9,80665 = 0,102. Twardość Brinella podajemy w jednostkach HBW. Symbol HBW poprzedzony tylko wartością twardości odnosi się do standardowych warunków pomiaru, jakimi są: średnica kulki 10 mm, obciążenie 29420 N, czas próby 10 - 15 s. Dla innych warunków symbol HBW poprzedzony jest wartością twardości, a po symbolu HBW podaje się wskaźniki określające warunki próby, kolejno: średnica kulki w milimetrach, liczba określająca siłę obciążającą oraz czas działania siły obciążającej, w sekundach. Np: 600 HBW 1/30/20 ozn twardość Brinella 600 zmierzoną za pomocą kulki o średnicy 1 mm, sile obciążającej 30 KG = 294,2 N działającej w czasie 20 s. Przygotowanie próbki: Pomiar twardości powinien być wykonany na płaskiej i gładkiej powierzchni, bez warstwy tlenków i zanieczyszczeń, a zwłaszcza odtłuszczonej. Norma: Siła obciążająca powinna być wybrana tak, aby średnica odcisku d mieściła się w zakresie 0,24 D < d < 0,6 D. Powinno stosować się jak największą średnicę kulki. Jeżeli tylko grubość próbki na to pozwala, to zaleca się stosowanie kulki o średnicy 10 mm. Grubość próbki do badań powinna być co najmniej 8x większa od głębokości odcisku. Odległość od brzegu próbki do środka każdego odcisku powinna być co najmniej 2,5x większa od średniej średnicy odcisku, a odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków powinna być co najmniej 3x większa od średniej średnicy odcisku. Kulki o średnicach 1; 2,5; 5 i 10 mm, a wartości sił tak się dobiera, aby stosunek 0,102 × F/D2 wynosił 1; 2,5; 5; 10 lub 30. Ograniczenia: 1)Nie może być stosowana do materiałów bardzo miękkich (średnice odcisków są takie same jak średnica użytego wgłębnika) i bardzo twardych (odkształcany jest wgłębnik, a odcisk jest mały lub w ogóle niewidoczny). 2)Wartość twardości HBW jest zależna od wartości przyłożonej siły, przy użyciu tego samego wgłębnika. Maleje ze wzrostem obciążenia. 3) Jest w pewnym sensie metodą niszcząca, gdyż pozostawia trwały, duży ślad na badanym przedmiocie. Wady: 1)brak bezpośredniego odczytu wartości twardości i związanej z tym konieczności obliczeń lub korzystania z odpowiednich tablic. 2)nie nadaje się do pomiarów twardości elementów małych i cienkich oraz warstw powierzchniowych i materiałów o dużej twardości. 3)Badana powierzchnia powinna być płaska i wypolerowana. Zalety: szerokie rozpowszechnienie i akceptacja w światowym przemyśle, szybkość wykonania pomiaru (1-2 minuty), prostota i niski koszt.

Metoda Vickersa- miarą twardości jest iloraz przyłożonej siły do powierzchni odcisku, pomnożony przez stałą = 0,102. Wgłębnikiem jest piramida diamentowa o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136. Diamentowy wgłębnik wciskany jest w powierzchnię przedmiotu, a następnie po usunięciu siły obciążającej mierzone są długości przekątnych odcisku na powierzchni przedmiotu. Twardość Vickersa HV wylicza się z równania: HV= stała* F/S= 0,102* (2F*sin136/2) /d^2≈ 0,1891 F/d^2 gdzie: HV- twardość Vickersa, F- siła obciążająca [N], d- śred arytm z wartości dł 2 przekątnych odcisku d1 i d2 [mm], stała = 0,102. Twardość Vickersa podajemy w jednostkach HV. Np. 640 HV 30/20- twardość Vickersa 640, obciążenie 30 KG (294,2 N), czas działania obciążenia 20 s (jeśli nie podano czasu działania obciążenia, tzn że wynosi on 10 ÷ 15 s. Zalety: Ten sam wgłębnik jest używany do wszystkich materiałów, zarówno bardzo miękkich jak i bardzo twardych. Dla poszczególnych zakresów twardości i wymiarów elementu dobiera się po prostu odp obciążenie, tak aby uzyskać odcisk łatwy do pomiarów dł przekątnych pod mikroskopem wbudowanym w każdy przyrząd, a jednocześnie aby odcisk nie był za duży w stosunku do wymiarów mierzonego elementu. Przygotowanie próbki: Pomiar przeprowadza się na gładkiej i równej powierzchni z usuniętą warstwą tlenków i zanieczyszczeń oraz dokładnie odtłuszczonej. Powinna być przeszlifowana i wypolerowana, w możliwie delikatny sposób nie wprowadzający umocnienia odkształceniowego. Ograniczenia: wymaga staranniejszego przygotowania powierzchni. Jest również czuła na sposób, w jaki materiał odkształca się i umacnia w strefie poniżej odcisku. Norma: Grubość badanej próbki powinna być co najmniej 1,5x większa od dł przekątnej odcisku. Odl między środkami dwóch sąsiadujących odcisków powinna być co najmniej 3x większa od średniej dł przekątnej odcisku w przypadku stali, miedzi i stopów miedzi oraz 6x większa w przypadku metali lekkich, ołowiu i cyny oraz ich stopów. Zalety: zapewnia dużą dokładność, nadaje się do pomiarów materiałów miękkich i twardych, elementów bardzo małych, a przede wszystkim do pomiarów twardości cienkich blach i cienkich warstw wierzchnich, oraz wykorzystuje tylko jedną skalę dla całego zakresu twardości.

Metoda Rockwella- wartość twardości odczytuje się bezpośrednio z przyrządu bez potrzeby pomiaru wielkości odcisku za pomocą mikroskopu i przeliczeń (lub korzystania z tablic). Do określenia twardości wykorzystuje się głębokość odcisku, a nie jego powierzchnię. Wgłębnikami w tej metodzie są kulki stalowe lub z węglików spiekanych o średnicach 1,5875 mm lub 3,175 mm albo stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120. Najczęściej stosowane obciążenia to: 588,4; 980,7; 1471 N (60, 100, 150 KG). Wady: posługuje się kilkunastoma skalami, zależnymi od wyboru wgłębnika i obciążenia. Każda skala jest oznaczona literą alfabetu, którą należy podawać przy oznaczeniu twardości, np. HRB, HRC itp. Najczęściej stosowanymi skalami są B i C dla metali i R dla tworzyw sztucznych. Wartość twardości Rockwella HR odczytywana bezpośrednio z urządzenia pomiarowego, jest wyznaczana z trwałego przyrostu głębokości odcisku h z zastosowaniem wzoru: HR= N= h/S gdzie: N- stała liczbowa, równa 100 dla stożka i 130 dla kulki, S- stała liczbowa, równa 0,002 dla skali A, B, C, D, E, F, G, H, K i 0,001 dla skali N i T. Metoda polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika w badany materiał. Na początku przykładane jest obciążenie wstępne 98,07 (F0). Celem wstępnego obciążenia jest eliminacja błędów, które mogłyby być spowodowane chropowatością powierzchni. Następnie przykłada się obciążenie główne (F1), takie aby obciążenie całkowite (F0 + F1) wynosiło 588,4; 980,7 lub 1471 N. Pod działaniem obciążenia głównego wgłębnik zagłębia się na głębokość 2 (rys. 2), lecz czujnik zegarowy nie wskazuje jeszcze wartości twardości, gdyż odkształcenie materiału jest sumą odkształcenia plastycznego i sprężystego. Dopiero po kilku (2 ÷ 4) sekundach

obciążenie główne (F1) usuwa się, wgłębnik cofa się (o wartość odkształcenia sprężystego) i pozostaje na głębokości 4, a czujnik twardościomierza pokazuje wartość twardości. Ograniczenia: sztywne przyleganie badanej próbki do stolika; uginanie się próbki fałszuje wynik. Nie powinno się mierzyć twardości na próbkach osadzonych w tworzywach sztucznych (bakelit, dur akryl). Przygotowanie próbki: powinna być płaska, a jej powierzchnia pomiarowa prostopadła do osi wgłębnika, w miarę dobrze oczyszczona z dwóch stron, ale polerowanie nie jest konieczne. Norma: Grubość próbki powinna być większa niż 10x głębokość odcisku, a odl między sąsiednimi odciskami oraz odl od krawędzi próbki powinny wynosić 3- 5 wielokrotności średnicy odcisku. Zalety: odciski są niewielkie, szeroko stosowana w przemyśle. Wady: niewielki wymiar odcisku sprawia, że metoda jest bardzo czuła na lokalne zróżnicowanie struktury lub składu chemicznego.

Metoda Poldi (Huty Poldi)- pomiaru twardości w tej metodzie dokonuje się za pomocą tzw. Młotka Poldi. Wgłębnikiem jest kulka stalowa o średnicy D = 10 mm, umieszczona pomiędzy płytką wzorca o znanej twardości HBw (najczęściej 202 HBW) i badanym elementem. Uderzając młotkiem, kulka wytwarza odcisk zarówno na badanej próbce dx, jak i na płytce wzorcowej dw. Następnie mierzy się średnicę odcisków w materiale badanym (dx) i wzorcowym (dw) oraz oblicza twardość materiału badanego HBx ze wzoru: HBx= D- √D^2-dw^2 / D- √D^2-dx^2 x HBw.

Metoda Shore’a- pomiar twardości metodą Shore’a sprowadza się do określenia wysokości odskoku bijaka uderzającego w powierzchnię badanego elementu z określoną energią, a więc w zasadzie jest to pomiar sprężystości materiału. W tej metodzie wykorzystuje się fakt, że materiał twardy jest bardziej sprężysty niż materiał miękki. Przyrządy działające w oparciu o tę zasadę nazywają się skleroskopami. W nowszych konstrukcjach skleroskopów, zamiast wysokości odskoku dokonuje się pomiaru prędkości odbitego bijaka. Bijak porusza się wewnątrz cewki elektrycznej, wywołując w niej impuls elektryczny proporcjonalny do jego prędkości. Umożliwia to odczyt cyfrowy, który może być łatwo wyrażony w jednostkach Brinella, Vickersa lub Rockwella. Skleroskopy są urządzeniami prostymi o małych gabarytach, więc często konstruowane są jako urządzenia przenośne do zastosowań pozalaboratoryjnych, np. na halach produkcyjnych, w magazynach, w miejscach awarii itp. Pomiary skleroskopem nie są dokładne ze względu na znaczne rozproszenie energii bijaka przy uderzaniu w badany materiał zależne od masy i kształtu badanego przedmiotu, jego ustawienia względem skleroskopu, przygotowania powierzchni itp.

Twardość metali i ceramik: Czyste metale są miękkie, gdyż w metalach wiązania nie są zlokalizowane wobec czego są słabymi przeszkodami dla poślizgowego ruchu dyslokacji, a ponadto jest tylko jeden rodzaj atomów. Ceramiki są znacznie twardsze, gdyż w nich wiązania są kowalencyjne i jonowe skutecznie blokujące przemieszczanie się dyslokacji. W kryształach o wiązaniach jonowych przemieszczanie się poszczególnych części kryształu względem siebie następuje po niektórych płaszczyznach łatwo, a po innych trudno. Np. podczas przemieszczania górnej części kryształu względem dolnej po płaszczyźnie poziomej powstaje bardzo wysokoenergetyczna konfiguracja, gdy kationy znajdują się nad kationami, a aniony nad anionami. Z tego wzg plastyczność materiałów o wiązaniach jonowych jest mniejsza niż metali. Wiązanie kowalencyjne jest wiązaniem zlokalizowanym.

Wyznaczanie odporności na pękanie materiałów kruchych: Pomiary twardości (lub mikrotwardości) metodą Vickersa materiałów kruchych (ceramiki, związki międzymetaliczne) mogą generować pęknięcia biegnące radialnie od naroży odcisków na zewnątrz. Długość tych pęknięć jest stosowana do oszacowania odporności na pękanie. Wartość odporności na pękanie KIc (krytyczny współczynnik intensywności naprężeń) można wyznaczyć różnymi metodami. W praktyce w przypadku materiałów kruchych często korzysta się z metody opracowanej przez Palmquista i rozwiniętej przez Petersa. W metodzie tej dokonuje się pomiaru sumarycznej długości pęknięć przy wszystkich narożach odcisku, dla różnych obciążeń wgłębnika (F). Sumaryczne długości pęknięć l (l = l1 + l2 + l3 + l4) wykazują liniową zależność od obciążenia, którą wyznacza się za pomocą regresji liniowej (l = aF + b). Odwrotność współczynnika kierunkowego prostej (1/a w N/mm) jest tzw. odpornością na pękanie Palmquista, oznaczoną zwykle przez W (W = 1/a). Zgodnie z koncepcją Petersa parametr W jest wprost proporcjonalny do intensywności uwalnienia energii sprężystej GIc (W = αGIc, gdzie α zostało oszacowane przez Petersa dla stopów WC – Co na ok. 4.9 × 103), a odporność na pękanie KIc wylicza się z wzoru: KIc= √ExGIc / 1-v^2 gdzie E- moduł Younga, v-współ Poissona.