Jaki twardościomierz wybrać? Rodzaje, zastosowania i najważniejsze różnice

Przeczytaj, czym różnią się poszczególne typy twardościomierzy, jakie mają zastosowania. Dowiedz się, jaki twardościomierz wybrać, aby pomiar był szybki, dokładny i wiarygodny.

Twardościomierze – czym są i do czego służą?

Twardościomierze to urządzenia służące do pomiaru twardości różnych materiałów, czyli ich odporności na odkształcenia mechaniczne pod wpływem działania siły, np. wciskania, zarysowania lub uderzenia. Umożliwiają ocenę, jak dany materiał zachowa się w warunkach intensywnej eksploatacji. W zależności od rodzaju zastosowanej metody twardościomierze pozwalają badać m.in.:

• metale – np. stal, aluminium, mosiądz,
• tworzywa sztuczne – np. PVC, ABS,
• gumę,
• szkło,
• drewno,
• materiały kompozytowe.

To właśnie twardość często decyduje o tym, czy dany materiał poradzi sobie w wymagających warunkach, na przykład jako część maszyn pracujących pod dużym obciążeniem, element narażony na ścieranie, powierzchnia poddawana intensywnym naprężeniom lub mająca kontakt z twardymi obiektami.

Pomiar twardości – czemu jest tak ważny?

Pomiar twardości jest stosowany wszędzie tam, gdzie od niezawodności i trwałości materiałów zależy bezpieczeństwo, wydajność i długowieczność gotowego produktu. 

• W motoryzacji pozwala ocenić jakość elementów silnika, skrzyni biegów czy układów hamulcowych, które muszą pracować pod dużym obciążeniem przez długi czas.
• W lotnictwie jest wykorzystywany do weryfikacji komponentów narażonych na ekstremalne temperatury i naprężenia.
• W przemyśle narzędziowym umożliwia kontrolę parametrów ostrzy, wierteł czy form wtryskowych.
• W produkcji opakowań z tworzyw sztucznych pomaga określić odporność powierzchni na zarysowania i uszkodzenia mechaniczne.

Dzięki odpowiednio dobranym narzędziom do pomiaru twardości można szybko i precyzyjnie określić właściwości materiału, co jest niezbędne przy projektowaniu, wytwarzaniu i weryfikacji wytrzymałości elementów konstrukcyjnych.

Jaki twardościomierz wybrać w zależności od materiału i warunków pracy?

Właściwe dopasowanie urządzenia do rodzaju materiału, jego struktury, kształtu, a także warunków, w jakich odbywa się pomiar, pozwala uzyskać wiarygodne wyniki pomiaru i wysoką efektywność pracy, a także zoptymalizować koszty i uniknąć błędów. Poniżej omawiamy najważniejsze kryteria, którymi warto kierować się przy wyborze twardościomierza.

Rodzaj materiału badawczego – inne urządzenia sprawdzą się przy miękkim aluminium, a inne przy hartowanej stali, tworzywach sztucznych, ceramice technicznej czy twardych nadstopach. Istotna jest również struktura materiału. Jednorodne metale mierzy się inaczej niż materiały kompozytowe, odlewy czy powierzchnie z powłoką galwaniczną.

Zakres twardości – hartowane stale wymagają innych metod niż miękkie metale czy tworzywa. Dla bardzo twardych materiałów lepszy będzie pomiar metodą Vickersa lub Rockwella (HRC), dla miękkich: Brinella lub Rockwella (HRB).

Grubość i rozmiar próbki – niektóre metody są odpowiednie dla próbek o określonej minimalnej grubości (np. Brinell), inne lepiej nadają się do cienkich warstw (np. Knoop, Vickers).

Kształt powierzchni i dostępność miejsca pomiaru – w miejscach trudno dostępnych lub przy dużych elementach sprawdzają się mobilne twardościomierze dynamiczne (np. Leeba).

Wymagana dokładność pomiaru – stopień precyzji, jakiej oczekujesz od pomiaru, również wpływa na wybór twardościomierza. W laboratoriach badawczych i kontrolach jakości często liczy się wysoka dokładność i powtarzalność wyników. W takich przypadkach lepiej sprawdzają się twardościomierze statyczne, np. Vickersa lub Knoop’a. Z kolei w warunkach produkcyjnych, gdzie liczy się szybkość i akceptowalna tolerancja, wystarczające mogą być metody dynamiczne, jak Leeba czy UCI. Warto również uwzględnić klasę dokładności deklarowaną przez producenta danego urządzenia.

Miejsce pomiaru – w terenie lepsze będą kompaktowe, przenośne twardościomierze dynamiczne lub ultradźwiękowe. Z kolei w laboratorium można wygodnie korzystać z metod bardziej złożonych i precyzyjnych.

Rodzaj obciążenia – pomiar statyczny zapewnia wyższą dokładność, ale wymaga stabilnego stanowiska pomiarowego, odpowiedniego przygotowania próbki i więcej czasu na przeprowadzenie testu. Pomiar metodą Leeba lub UCI jest szybszy i wygodniejszy w produkcji lub w terenie. Zapewnia wystarczającą precyzję w wielu zastosowaniach przemysłowych i serwisowych.

Szybkość i liczba pomiarów – w produkcji masowej wykonuje się dużą liczbę pomiarów w krótkim czasie, dlatego preferowane są szybkie metody, np. Rockwella lub Leeba.

Dostępny budżet – najprostsze modele przenośne można kupić już za kilka tysięcy złotych, natomiast za precyzyjne urządzenia laboratoryjne o wysokiej powtarzalności i zaawansowanych funkcjach trzeba zapłacić nawet kilkadziesiąt tysięcy. Wybór zależy przede wszystkim od zastosowania i dostępnego budżetu.

Wymagania norm i standardów jakości – w wielu branżach obowiązują konkretne normy, np. ISO, ASTM, DIN, które określają, jaką metodą należy przeprowadzić pomiar twardości dla danego materiału lub zastosowania. Wybór twardościomierza powinien więc uwzględniać zgodność urządzenia z tymi standardami. Niespełnienie wymagań normatywnych może skutkować odrzuceniem całej partii produktów.

Rodzaje twardościomierzy – jak bada się twardość?

Do pomiaru twardości wykorzystuje się różne metody pomiarowe, które można podzielić na statyczne i dynamiczne, w zależności od sposobu przyłożenia obciążenia i analizy odkształcenia materiału. 

Poniżej prezentujemy najczęściej stosowane twardościomierze, pogrupowane według tego, czy wykorzystują metodę statyczną, czy dynamiczną, wraz z opisem zasady działania, zakresem pomiarowym i zastosowaniem.

Twardościomierze wykorzystujące metody statyczne

Metody statyczne polegają na powolnym i kontrolowanym wciskaniu wgłębnika w powierzchnię próbki, a następnie analizie wielkości odcisku lub głębokości wniknięcia. Są to najczęściej stosowane metody w laboratoriach i przemyśle.

1. Twardościomierz Brinella (HB)

Twardościomierz Brinella jest powszechnie stosowany do badania twardości metali o średniej i niskiej twardości. Wartości twardości w skali Brinella (HB) zazwyczaj mieszczą się w zakresie od około 25 HB dla metali miękkich (np. aluminium), do 650 HB w przypadku stali narzędziowych.

Zasada jego działania polega na powolnym wciśnięciu w powierzchnię próbki stalowej lub węglikowej kulki (zwykle o średnicy od 2,5 mm do 10 mm) z określoną siłą, a następnie zmierzeniu średnicy powstałego odcisku. Na tej podstawie oblicza się wartość twardości HB (Hardness Brinell) jako stosunek siły do powierzchni odcisku.

Metoda Brinella najlepiej sprawdza się przy badaniu materiałów o jednorodnej strukturze i większej grubości. Typowe zastosowania to żeliwo szare, stal konstrukcyjna, brąz, aluminium oraz inne metale nieżelazne. Dzięki dużemu wgłębnikowi i stosunkowo dużemu odciskowi, pomiar jest wiarygodny w przypadku materiałów o niejednorodnej strukturze wewnętrznej, co czyni tę metodę dobrym wyborem np. w kontroli jakości odlewów lub grubych elementów stalowych.

Minimalna wielkość próbki powinna odpowiadać co najmniej dziesięciokrotności głębokości odcisku, co zazwyczaj oznacza grubość powyżej 6 mm.

Metoda ta nie sprawdzi się przy bardzo twardych materiałach (np. stalach hartowanych) i cienkich powłokach, ponieważ pozostawia stosunkowo duży ślad, który uniemożliwia wykorzystanie materiału lub utrudnia jego dalszą obróbkę.

2. Twardościomierz Rockwella (HR)

Zasada działania tego urządzenia polega na wciśnięciu w powierzchnię próbki stalowej kulki lub stożka diamentowego, a następnie na zmierzeniu głębokości powstałego w ten sposób odcisku. Twardościomierz Rockwella korzysta z różnych skal twardości, które dobiera się w zależności od rodzaju materiału np.:

• Skala HRB jest przeznaczona do miękkich metali, takich jak miedź czy aluminium, obejmuje zakres wartości od 0 do około 100 HRB.
• Skala HRC służy do pomiaru twardości stali hartowanej, gdzie wartości mieszczą się w zakresie od około 20 do 70 HRC.
• Skale oznaczone literą „T” (np. HR15T, HR30T) dedykowane są cienkim blachom i miękkim materiałom powlekanym, umożliwiając precyzyjne badania materiałów o niewielkiej grubości – typowy zakres wynosi od 0 do 100 jednostek w danej skali T, w zależności od przyjętego obciążenia i wgłębnika.

Minimalna grubość próbki powinna wynosić co najmniej dziesięciokrotność głębokości odcisku, zwykle od 1 mm wzwyż, co pozwala na prawidłowe i powtarzalne wyniki.

Jego zaletą jest szybki i mało inwazyjny pomiar, który nie powoduje dużych uszkodzeń badanej powierzchni. Przykładowo, twardościomierz Rockwella często wybiera się do kontroli twardości elementów stalowych poddanych hartowaniu, takich jak wały korbowe czy narzędzia skrawające, ale także do oceny miękkich stopów aluminium używanych w przemyśle lotniczym.

3. Twardościomierz Vickersa (HV)

Jest to urządzenie wykorzystujące diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa o kwadratowej podstawie, który pozwala na wykonanie bardzo dokładnych pomiarów twardości nawet na niewielkich powierzchniach. Zasada działania polega na wciśnięciu diamentowego wgłębnika w materiał przy określonym obciążeniu i zmierzeniu długości przekątnych powstałego odcisku.

Pomiar metodą Vickersa wymaga bardzo starannego przygotowania powierzchni próbki. Dla uzyskania precyzyjnych wyników konieczne jest jej dokładne wypolerowanie, ponieważ nawet drobne nierówności mogą zafałszować odczyt przekątnych odcisku.

Często próbki są zatapiane w żywicy, co umożliwia wykonanie zgładu metalograficznego, czyli gładkiej, wypolerowanej powierzchni przeznaczonej do pomiaru. Tak przygotowana próbka gwarantuje odpowiednią stabilność podczas badania i umożliwia uzyskanie jednoznacznych wyników nawet w przypadku bardzo małych odcisków.

Twardościomierz Vickersa ma uniwersalne zastosowanie. Sprawdza się zarówno przy badaniu materiałów bardzo twardych, jak i stosunkowo miękkich, w tym mikropowłok, cienkich blach, warstw galwanicznych czy stopów specjalnych.

Jest wykorzystywany np. do kontroli twardości cienkich powłok ochronnych na elementach elektronicznych, a także do badania twardości materiałów w laboratoriach badawczych, stosowanych w lotnictwie czy przemyśle medycznym.

Minimalna wielkość próbki może być znacznie mniejsza niż 1 mm, ponieważ głębokość odcisku jest bardzo niewielka, co pozwala na pomiary tam, gdzie inne metody nie są rekomendowane.

4. Twardościomierz Knoop’a (HK)

To specjalistyczne urządzenie będące odmianą metody Vickersa, które pozwala na pomiary twardości na bardzo małych obszarach oraz cienkich warstwach materiału. Wgłębnik w tym twardościomierzu ma nieregularny, wydłużony kształt, co umożliwia uzyskanie bardzo płytkiego i wąskiego odcisku, dzięki czemu świetnie nadaje się do analizy powierzchni o mikroskopijnych rozmiarach.

Metoda Knoop’a znajduje zastosowanie przede wszystkim w mikroanalizie powłok galwanicznych, ceramiki, szkła oraz warstw utwardzanych cieplnie, gdzie wymagane są pomiary twardości na poziomie mikrostruktur.

Dzięki swojej konstrukcji pozwala na badanie cienkich folii i mikroskopijnych powierzchni o grubości rzędu mikrometrów, co czyni ją niezastąpioną w badaniach materiałów o bardzo ograniczonej dostępnej powierzchni.

Twardościomierz Knoop’a jest wykorzystywany głównie w zaawansowanych badaniach materiałowych i laboratoriach badawczych.

Twardościomierze wykorzystujące metody dynamiczne

W metodach dynamicznych pomiar twardości odbywa się na podstawie reakcji materiału na gwałtowne uderzenia, drgania lub zarysowanie. Metody te są szybsze i często wykorzystywane w terenie lub na dużych elementach.

1. Twardościomierz Leeba (HL)

W przypadku tego urządzenia pomiar polega na analizie odbicia sprężynowego wgłębnika od powierzchni badanego materiału. Metoda ta pozwala na szybkie określenie twardości bez potrzeby pozostawiania trwałych odcisków. To powoduje, że jest szczególnie przydatna przy badaniu dużych elementów, takich jak odlewy, wały, turbiny czy konstrukcje przemysłowe, które często są trudne do przeniesienia i zbadania w warunkach laboratoryjnych.

Minimalna masa próbki powinna wynosić co najmniej 1 kg, a grubość około 5 mm. Mniejsze próbki wymagają solidnego zamocowania, aby uzyskać wiarygodne wyniki. Twardościomierz Leeba doskonale sprawdza się w pomiarach terenowych, jak również w kontroli jakości gotowych komponentów, zapewniając szybki i nieinwazyjny sposób oceny właściwości materiału.

2. Twardościomierz UCI (Ultradźwiękowy)

Jest to nowoczesne urządzenie, które wykorzystuje fale ultradźwiękowe do pomiaru twardości materiału bez uszkadzania jego powierzchni. Takie badanie jest całkowicie nieinwazyjne, co pozwala na precyzyjną ocenę delikatnych lub cennych elementów bez pozostawiania śladów. Twardościomierz UCI jest szczególnie użyteczny przy ocenie twardości spoin, powierzchni hartowanych oraz różnych elementów maszyn.

Minimalna wielkość próbki zależy od zastosowanej końcówki pomiarowej, jednak zwykle wymaga kilku milimetrów grubości oraz gładkiej powierzchni, aby uzyskać wiarygodne wyniki. Ta metoda charakteryzuje się dużą szybkością i jest idealna do diagnostyki eksploatacyjnej, umożliwiając pomiary bez konieczności demontażu części czy zatrzymywania produkcji.

3. Twardościomierz Mohsa

Jego działanie opiera się na prostej zasadzie oceny odporności materiału na zarysowanie, klasyfikując twardość w skali od 1 do 10, gdzie 1 odpowiada talkowi, a 10 diamentowi. Metoda ta jest szczególnie popularna w geologii, gdzie służy do szybkiej identyfikacji i oceny twardości minerałów, a także w badaniu ceramiki i szkła.

Można ją stosować nawet na bardzo małych fragmentach, takich jak okruchy minerałów, co sprawia, że metoda Mohsa jest bardzo praktyczna w terenie i laboratoriach. Należy jednak pamiętać, że jest to technika jakościowa i subiektywna, która nie daje precyzyjnych, liczbowych wyników twardości, dlatego jest stosowana głównie jako szybkie narzędzie do sprawdzania wartości orientacyjnych.

Jakie twardościomierze znajdziesz w ofercie Faktor?

Nasza firma specjalizuje się w sprzedaży twardościomierzy stacjonarnych, przenośnych i mikrotwardościomierzy takich marek jak: Mitutoyo, Insize, Affri i Sinowon. Zapoznaj się z poniższą tabelą, gdzie umieściliśmy nasze przykładowe produkty i ich zastosowanie.

Jak wybrać twardościomierz? Zaufaj ekspertom!

Szukasz twardościomierza dopasowanego do swoich potrzeb? W Faktor oferujemy szeroki wybór urządzeń renomowanych marek oraz fachowe doradztwo naszych ekspertów, którzy pomogą dobrać najlepsze rozwiązanie, niezależnie od branży, rodzaju badanego materiału i warunków środowiskowych.

Zaufaj doświadczeniu i wybierz sprzęt, na którym możesz polegać!