Твердость – это способность материала сопротивляться упругой и пластической деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора). Т.е. фактически твердость – это тест на вдавливание.

При этом мы определяем, как глубоко проник индентор в материал. Ну а для того, чтобы вычислить значение твердости, надо измерить величину проникновения этого более твердого тела в менее твердое тело (твердость которого мы определяем).
На лабораторных работах мы «проходим» методы Роквелла и Бринелля, реже – Виккерса. В методе Роквелла непосредственно определяют глубину проникновения индентора. В методе Бринелля и Виккерса определяют площадь поверхности отпечатка – чем глубже проник индентор, тем площадь поверхности отпечатка больше.

В принципе, можно измерять твердость практически любых материалов – металлов, минералов, пластмасс, и т.д. Следует только помнить, что для каждого материала  используют свой метод определения твердости.
Помимо вида материала способ измерения твердости определяется тем, что именно надо определить. Если надо знать твердость материала «в общем» (усредненно), то надо использовать методы, при которых отпечаток большой, когда под индентор попадает как можно больше материала. Например, чугун имеет неоднородную структуру – там присутствует феррит, перлит, графит, цементит. Поэтому твердость чугуна – это усредненная величина, которая складывается из твердости всех этих структурных составляющих. Твердость чугуна измеряют по методу Бринелля, где используется большой индентор – шарик из твердого сплава. Отпечаток при этом получается большой, он покрывает большую площадь образца, значит мы получим значение твердости чугуна, усредненное по площади, которое является средним по разным фазам.Твердость по Бринеллю пригодна для неоднородных или не очень твердых материалов, например для чугуна, сплавов цветных металлов – алюминия, меди и пр. По Бринеллю можно измерить твердость некоторых пластмасс.

Для твердых материалов используют измерение твердости по Роквеллу. Там тоже происходит усреднение значения твердости. Используется индентор в виде стального конуса или стального шарика, а также алмазная пирамида. Отпечаток по Роквеллу тоже большой, число твердости тоже является средним по разным фазам; в некоторых случаях можно измерить твердость чугуна по Роквеллу шариком (рис.1). На рис.2 показаны отпечатки инденторов Роквелла – шарика (рис.2,а) и алмазной пирамиды (рис.2,б ) в темном поле. Поскольку в темном поле освещены именно наклонные поверхности, то хорошо видно, какую форму имел индентор. Пирамида имеет трехгранную форму. То, что отпечаток имеет наклонные стенки, хорошо видно при большем увеличении- в темном поле на отпечатке пирамиды виден муаровый узор (рис.3).

а	б

Рисунок 1. Отпечатки твердости по Роквеллу на шлифе чугуна (индентор - шарик)

а	б

Рисунок 2. Отпечатки индентора твердомера Роквелла: а – шарик, б- алмазная пирамида.

Рисунок 3. Муаровый узор при освещении отпечатка пирамиды (Роквелл) по методу темного поля.

Кстати, не следует забывать, что принципы измерения твердости по Роквеллу и Бринеллю различаются: Бринелль представляет собой частное от деления усилия вдавливания на площадь отпечатка, а Роквелл – отношение глубины проникновения индентора к единице деления шкалы прибора, который измеряет эту глубину (поэтому твердость по Роквеллу безразмерная, а по Бринеллю – измеряется в кг/мм²).

Что делать, если образец очень мал или нам надо измерить твердость объекта меньшей величины, чем величина отпечатка индентора Бринелля или Роквелла? Для этого используются методы микротвердости.Один из них – метод Виккерса. В качестве индентора используется алмазная пирамида, а измеряют величину отпечатка с помощью оптической системы, подобной микроскопу, т.к. отпечаток «захватывает» определенное количество зерен материала. Твердость по Виккерсу тоже дает усредненное значение твердости, но по сравнению с твердостью по Бринеллю или Роквеллу это усреднение берется по гораздо меньшей площади. Твердость по Виккерсу позволяет оценить вклад границ зерен в значение твердости, т.е. показать связь твердости и величины зерна. Отпечаток твердомера Виккерса показан на рис.4 в светлом и темном поле. Его размер по диагонали составляет порядка 300 мкм, т.е. намного больше размера зерна в обычных сплавах. 

а	б

Рисунок 4. Отпечатки твердости по Виккерсу в светлом (а) и темном (б) поле.

Что делать, если надо измерить твердость объекта еще меньшего масштаба? Можно использовать микротвердомер, который позволяет поставить отпечаток в отдельное зерно, фазу, слой, причем можно выбрать нагрузку, с которой вдавливается отпечаток – от 0,5 до 200г.  На рис.5,а показано определение твердости отдельной фазы в двухфазном сплаве. Видно, что отпечаток алмазной пирамидки поставлен непосредственно на включение фазы. Нагрузка на индентор здесь небольшая – 20г. Или другой случай - на поверхность нанесли упрочняющий слой и надо определить его твердость. Индентор Роквелла или Бринелля больше толщины слоя, и здесь эти методы использовать нельзя. Микротвердомер позволяет «проколоть дорожку» отпечатков (рис. 5,б) и определить микротвердость в любой точке слоя, а также подложки. Слой на рис.5,б достаточно толстый, порядка 100 мкм. Микротвердость здесь определяется при нагрузке 50 или 100г. Для определения твердости тонких слоев выбирают небольшую нагрузку в несколько граммов (рис.6). Для измерения микротвердости верхнего слоя использована нагрузка 2г.

а	б

Рисунок 5. Отпечатки микротвердости: а - определение твердости фазы; б - определение твердости слоя и подложки. 

Рисунок 6. Отпечатки индентора микротвердомера при измерении микротвердости тонкого слоя, полученного воздействием компрессионной плазмы.

Можно определить микротвердость отдельного зерна (рис.7). Отпечаток индентора при этом меньше размера зерна.

а	б

Рисунок 7. Определение микротвердости зерна бронзы БрБ2 (Cu-2% Be).

В металловедении определяют твердость и микротвердость металлов. В материаловедении также определяют твердость и микротвердость неметаллических материалов. На рис.8 продемонстрировано определение микротвердости политетрафторэтилена. Отпечаток (полученный при небольшой нагрузке) хорошо виден (рис.8,а). При повышении увеличения можно рассмотреть отпечаток в деталях (рис.8,б).   Кстати, отпечатки на рис.7 и 8 вогнутые, чего не наблюдается, скажем, на рис.5. Сама пирамида имеет правильную форму, значит изменение геометрии отпечатка – это уже реакция материала после снятия нагрузки. Если стороны отпечатка вогнутые, значит материал стремится вернуть себе сплошность в месте внедрения индентора. Значит, в материале работают напряжения сжатия.

а	б

Рисунок 8. Отпечатки индентора микротвердомера на поверхности политетрафторэтилена.

Соотношение между различными методами измерения твердости иллюстрирует рис.9, на котором приведены отпечатки твердости по Бринеллю, Роквеллу, микротвердомера ПМТ-3. 1 - отпечаток Бринелля (нагрузка 600 кг), 2 - отпечаток Роквелла (шарик, нагрузка 100 кг), 3 - отпечаток Роквелла (пирамида, нагрузка 60 кг), 4 - отпечатки микротвердости (нагрузка 50, 100 и 200г).

Рисунок 9. Отпечатки инденторов Бринелля, Роквелла,  микротвердомера

Хорошо видно, что отпечаток индентора окружен ободком. Это зона пластической деформации, в которой произошло смятие металла. Эту зону можно подробно рассмотреть при большом увеличении (рис.10). При обычном освещении образца на отражение можно видеть границы некоторых зерен и полосы внутри них (рис.10,а). Если применить дифференциально-интерференционный контраст, то можно увидеть все те детали изображения, которые различаются по высоте (рис.10,б). Под действием шарика, вдавливающегося в материал, зерна металла поворачиваются - это особенно хорошо видно там, где на границе зерен есть светло-розовая  или белая окантовка. Внутри зерен заметны полосы. Так смялся металл под действием шарика. 

а	б

Рисунок 10. Деформированная зона вокруг отпечатка индентора твердомера Роквелла: а - светлое поле, б- дифференциально-интерференционный контраст.

Зона смятого металла заметна не только вокруг отпечатка индентора большого размера. Можно увидеть зону деформации и вокруг отпечатка индентора микротвердомера, только она будет существенно меньше. Обычно эта зона видна, особенно если шлиф не был протравлен (рис. 11,а). Наиболее красиво зона дефомрации смотрится в дифференциально-интерференционном контрасте (рис. 11,б; 12). На рис.12,а показан практически идеальный вариант - материал однороден, плоскость образца перпендикулярна направлению приложения нагрузки. Поверхность образца на рис.12,б неровная, это видно как по форме отпечатка, так и по неоднородности цвета в дифференциоально-интенрференционном контрасте. Возможна также ошибка при установке нагрузки в процессе измерения твердости.

а	б

Рисунок 11. Отпечатки индентора микротвердомера: а - светлое поле, б - дифференциально-интерференционный контраст. 

а	б

Рисунок 12. Отпечатки индентора Виккерса.