Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie

Twardość Rockwella jest jedną z najczęściej stosowanych metod pomiaru twardości metali w kontroli jakości, produkcji seryjnej i badaniach materiałowych. W przeciwieństwie do metody Brinella i Vickersa, w których mierzy się wymiary odcisku pozostawionego przez wgłębnik, metoda Rockwella wykorzystuje pomiar trwałej głębokości penetracji wgłębnika. Dzięki temu wynik może być odczytany bezpośrednio z twardościomierza, bez wykonywania optycznego pomiaru odcisku.
Do najbardziej znanych skal należą HRC, HRB i HRA, jednak system Rockwella obejmuje również inne skale przeznaczone do różnych materiałów, zakresów twardości i grubości elementów. Właściwy wybór skali ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania poprawnego i porównywalnego wyniku.

Co oznacza twardość Rockwella?

Metoda Rockwella określa twardość na podstawie różnicy głębokości penetracji wgłębnika pod działaniem dwóch poziomów siły: obciążenia wstępnego oraz obciążenia całkowitego.
W zależności od zastosowanej skali wykorzystuje się:

• stożek diamentowy,
• kulkę z węglika wolframu.

Oznaczenie wyniku zawiera wartość liczbową oraz symbol skali, na przykład:

• 62 HRC,
• 45 HRC,
• 85 HRBW,
• 75 HRA.

Nie należy podawać samej wartości liczbowej bez oznaczenia skali. Przykładowo wartości 60 HRC i 60 HRA oznaczają wyniki uzyskane w innych warunkach pomiarowych i nie są bezpośrednio równoważne.

Na czym polega metoda Rockwella?

Badanie rozpoczyna się od zetknięcia wgłębnika z powierzchnią próbki. Następnie przykładana jest siła wstępna F₀, która ustala położenie odniesienia i ogranicza wpływ drobnych nierówności powierzchni oraz luzów układu pomiarowego.
Po ustabilizowaniu położenia wgłębnika przykładana jest dodatkowa siła, powodująca dalszą penetrację materiału. Suma siły wstępnej i dodatkowej stanowi całkowitą siłę badawczą F.
Po określonym czasie dodatkowa siła zostaje usunięta, ale siła wstępna pozostaje przyłożona. Następuje częściowe sprężyste odzyskanie odkształcenia materiału.
Twardościomierz mierzy trwałą różnicę głębokości penetracji i na jej podstawie wyznacza wartość twardości Rockwella.
Schemat badania można przedstawić jako:
kontakt wgłębnika → obciążenie wstępne → ustalenie punktu odniesienia → obciążenie całkowite → penetracja materiału → usunięcie dodatkowego obciążenia → pomiar trwałej głębokości → odczyt twardości

Dlaczego Rockwell mierzy głębokość, a nie średnicę odcisku?

Jest to jedna z najważniejszych różnic pomiędzy metodą Rockwella a metodami Brinella i Vickersa.
W metodzie Brinella należy zmierzyć średnicę odcisku kulki. W metodzie Vickersa mierzone są przekątne odcisku diamentowej piramidy. W metodzie Rockwella pomiar głębokości wykonywany jest bezpośrednio przez układ pomiarowy twardościomierza.
Pozwala to znacznie skrócić czas badania i ograniczyć wpływ operatora związany z optycznym określaniem granic odcisku.
Z tego powodu metoda Rockwella jest szczególnie przydatna w seryjnej kontroli produkcji.

Skala HRC – Rockwell C

Skala HRC jest najczęściej kojarzoną skalą Rockwella i jedną z podstawowych metod oceny twardości stali hartowanych.
W skali HRC stosowany jest stożek diamentowy. Siła wstępna wynosi około 98,07 N, natomiast całkowita siła badawcza około 1471 N, odpowiadająca historycznie 150 kgf.
Skala HRC znajduje zastosowanie między innymi przy badaniu:

• stali hartowanych,
• stali narzędziowych,
• stali martenzytycznych,
• elementów po ulepszaniu cieplnym,
• łożysk,
• wałów i elementów maszyn o wysokiej twardości,
• narzędzi,
• niektórych stali nierdzewnych martenzytycznych i utwardzanych wydzieleniowo.

Według ISO 6508-1:2023 typowy zakres stosowania skali C wynosi 20–70 HRC.

Jak działa wgłębnik diamentowy w skali HRC?

Wgłębnik stosowany w skalach HRC, HRA i HRD ma postać stożka diamentowego z odpowiednio ukształtowanym wierzchołkiem.
Diament jest wykorzystywany ze względu na bardzo wysoką twardość i odporność na trwałe odkształcenie.
Jest to szczególnie istotne podczas badania stali hartowanych, których twardość byłaby zbyt wysoka dla odpowiedniego stosowania kulistego wgłębnika w wielu skalach Rockwella.
Stan wgłębnika ma bezpośredni wpływ na dokładność pomiaru. Uszkodzenie, zużycie lub nieprawidłowa geometria końcówki mogą powodować systematyczne błędy wyników.

Skala HRB i współczesne oznaczenie HRBW

Skala B jest przeznaczona przede wszystkim do materiałów o mniejszej twardości niż typowe stale hartowane.
W tej skali stosowana jest kulka o średnicy 1,5875 mm, czyli 1/16 cala. We współczesnej normie ISO dla kulki z węglika wolframu stosowane jest oznaczenie HRBW.
Siła wstępna wynosi około 98,07 N, a całkowita siła badawcza około 980,7 N, czyli historycznie 100 kgf.
Skala B może być stosowana między innymi do:

• miękkich stali,
• stali w stanie wyżarzonym,
• stopów miedzi,
• mosiądzów,
• brązów,
• niektórych stopów aluminium,
• innych materiałów o twardości niższej niż typowy zakres HRC.

W praktyce technicznej nadal bardzo często spotyka się skrót HRB, zwłaszcza w starszych dokumentach, tabelach i kartach materiałowych.

Skala HRA – Rockwell A

Skala HRA wykorzystuje stożek diamentowy podobnie jak HRC, lecz stosowana całkowita siła badawcza jest mniejsza i wynosi około 588,4 N, odpowiadając historycznie 60 kgf.
HRA może być stosowana między innymi do:

• bardzo twardych materiałów,
• węglików spiekanych,
• niektórych cienkich elementów,
• materiałów, dla których większa siła stosowana w HRC byłaby niekorzystna.

Według ISO 6508-1:2023 zakres stosowania skali A wynosi 20–95 HRA.

Porównanie HRA, HRBW i HRC

Pozostałe skale Rockwella

HRA, HRBW i HRC nie są jedynymi skalami Rockwella. Norma ISO 6508-1 obejmuje również skale D, E, F, G, H i K.
Różnią się one rodzajem wgłębnika, średnicą kulki oraz wartością całkowitej siły badawczej.

Jak obliczana jest twardość Rockwella?

Wynik Rockwella jest związany z trwałą głębokością penetracji wgłębnika po usunięciu dodatkowej siły badawczej.
Dla klasycznych skal Rockwella jednostka zmiany głębokości odpowiada 0,002 mm.
W zależności od rodzaju skali wykorzystywana jest odpowiednia stała skali.
Dla skal wykorzystujących stożek diamentowy, takich jak HRA, HRC i HRD, zależność ma postać:
HR = 100 − h / 0,002
natomiast dla klasycznych skal wykorzystujących kulkę:
HR = 130 − h / 0,002
gdzie h oznacza trwałą głębokość penetracji wyrażoną w milimetrach.
Oznacza to, że wraz ze wzrostem głębokości trwałego odcisku wartość twardości Rockwella maleje.

Dlaczego stosuje się obciążenie wstępne?

Obciążenie wstępne jest charakterystyczną cechą metody Rockwella.
Jego zadaniem jest przede wszystkim:

• ustalenie punktu odniesienia dla pomiaru głębokości,
• zapewnienie prawidłowego kontaktu wgłębnika z próbką,
• ograniczenie wpływu niewielkich nierówności powierzchni,
• ograniczenie wpływu luzów mechanicznych układu pomiarowego.

Dopiero po przyłożeniu siły wstępnej przykładana jest dodatkowa siła powodująca zasadniczą penetrację materiału.

Zakres skali HRC

Według ISO 6508-1:2023 podstawowy zakres stosowania skali HRC wynosi 20–70 HRC.
Jeżeli materiał jest zbyt miękki dla prawidłowego badania HRC, należy zastosować inną skalę Rockwella lub inną metodę pomiaru twardości.
Nie powinno się traktować skali HRC jako uniwersalnej tylko dlatego, że jest najbardziej rozpoznawalna.
Przykładowo miękka stal konstrukcyjna lub stal austenityczna w stanie przesyconym może wymagać zastosowania innej skali albo metody Brinella lub Vickersa.

Co oznacza 60 HRC?

Wartość 60 HRC oznacza wynik 60 uzyskany w skali Rockwella C przy zastosowaniu określonego wgłębnika, siły wstępnej oraz całkowitej siły badawczej.
W praktyce 60 HRC oznacza materiał o wysokiej twardości. Takie wartości mogą występować na przykład w odpowiednio zahartowanych stalach narzędziowych lub łożyskowych.
Sama wartość 60 HRC nie określa jednak gatunku stali ani wszystkich jej właściwości mechanicznych.
Dwie stale o identycznej twardości HRC mogą różnić się:

• udarnością,
• odpornością na pękanie,
• wytrzymałością zmęczeniową,
• odpornością na zużycie,
• odpornością korozyjną,
• stabilnością w podwyższonej temperaturze.

HRC a obróbka cieplna stali

Pomiar HRC jest szczególnie użyteczny przy kontroli obróbki cieplnej stali.
Hartowanie może prowadzić do powstania twardej struktury martenzytycznej, natomiast późniejsze odpuszczanie powoduje zmianę twardości oraz innych właściwości mechanicznych.
Pomiar HRC pozwala szybko sprawdzić, czy element osiągnął wymagany zakres twardości.
Stosuje się go między innymi przy kontroli:

• narzędzi,
• wałów,
• kół zębatych,
• łożysk,
• matryc,
• stempli,
• elementów ze stali narzędziowych,
• stali martenzytycznych nierdzewnych.

Twardość Rockwella stali nierdzewnych

W przypadku stali nierdzewnych wybór skali zależy od grupy materiału oraz jego stanu.
Austenityczne stale nierdzewne, takie jak 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 oraz 1.4404 / 316L, nie są klasycznie hartowane cieplnie. Ich twardość może jednak znacznie wzrosnąć w wyniku obróbki plastycznej na zimno.
Stale martenzytyczne, takie jak 1.4021, 1.4034 czy 1.4125, mogą natomiast osiągać wysoką twardość po hartowaniu i odpuszczaniu, dlatego skala HRC ma dla nich duże znaczenie.
Osobną grupą są stale utwardzane wydzieleniowo, takie jak 1.4542 / 17-4PH, których twardość zależy od stanu obróbki cieplnej, np. H900, H1025, H1075, H1100 czy H1150.

Grubość próbki a pomiar Rockwella

Jednym z najważniejszych warunków prawidłowego pomiaru jest odpowiednia grubość badanego elementu.
Jeżeli próbka jest zbyt cienka, strefa odkształcenia pod wgłębnikiem może oddziaływać z przeciwległą powierzchnią lub podporą.
Może to prowadzić do zafałszowania wyniku.
Na przeciwległej stronie próbki nie powinny pojawiać się widoczne ślady odkształcenia spowodowane pomiarem.
W przypadku cienkich elementów należy rozważyć zastosowanie skal powierzchniowych Rockwella albo innej metody, np. Vickersa przy odpowiednio dobranej sile.

Skale powierzchniowe Rockwella

Dla cieńszych elementów oraz płytszych warstw stosowane są skale powierzchniowe Rockwella.
Należą do nich między innymi:

• HR15N,
• HR30N,
• HR45N,
• HR15T,
• HR30T,
• HR45T.

W skalach powierzchniowych stosuje się mniejsze siły niż w klasycznych skalach Rockwella.
Skale z literą N wykorzystują wgłębnik diamentowy, natomiast skale z literą T wykorzystują wgłębnik kulisty.
Są one przydatne między innymi do badania cienkich elementów, małych części oraz określonych warstw powierzchniowych, gdy klasyczne obciążenie Rockwella powodowałoby zbyt głęboką penetrację.

Przygotowanie powierzchni do badania Rockwella

Powierzchnia próbki powinna być czysta, stabilna i odpowiednio przygotowana.
Należy usunąć:

• zgorzelinę,
• luźne produkty korozji,
• zanieczyszczenia,
• grube warstwy tlenków,
• inne warstwy mogące wpływać na penetrację wgłębnika.

Powierzchnia powinna być na tyle gładka, aby nierówności nie wpływały istotnie na pomiar głębokości.
Jednocześnie przygotowanie powierzchni nie może powodować przegrzania, umocnienia przez zgniot lub innych zmian warstwy przypowierzchniowej.

Znaczenie prawidłowego podparcia próbki

Badany element musi być stabilnie podparty.
Jakikolwiek ruch próbki podczas przykładania siły może zostać zinterpretowany przez układ pomiarowy jako dodatkowa penetracja wgłębnika.
Szczególną uwagę należy zachować przy:

• elementach cylindrycznych,
• wałkach,
• rurach,
• elementach o nieregularnym kształcie,
• cienkich próbkach.

Do elementów cylindrycznych stosuje się odpowiednie podpory, między innymi pryzmy typu V.

Pomiar Rockwella na powierzchniach cylindrycznych

Krzywizna powierzchni wpływa na geometrię kontaktu wgłębnika z materiałem i może powodować różnicę pomiędzy odczytaną a rzeczywistą twardością.
Normy przewidują w określonych przypadkach korekty wyników dla powierzchni wypukłych o znanym promieniu.
Im mniejsza średnica badanego wałka lub elementu cylindrycznego, tym większy może być wpływ krzywizny na wynik.
Dlatego przy badaniu wałków nie należy bezkrytycznie interpretować surowego odczytu HRC lub HRB jako wyniku równoważnego pomiarowi wykonanemu na płaskiej powierzchni.

Odległość od krawędzi i pomiędzy odciskami

Każdy pomiar powoduje lokalne odkształcenie plastyczne materiału.
Kolejnego odcisku nie należy wykonywać zbyt blisko poprzedniego, ponieważ strefy odkształcenia mogą na siebie oddziaływać.
Należy również zachować odpowiednią odległość od krawędzi próbki.
Dokładne minimalne odległości powinny być dobierane zgodnie z wymaganiami odpowiedniej normy i zastosowanej skali.

Najczęstsze błędy podczas pomiaru Rockwella

Do typowych źródeł błędów należą:

• zastosowanie niewłaściwej skali,
• zbyt cienka próbka,
• niestabilne podparcie elementu,
• brudna lub zbyt chropowata powierzchnia,
• wykonanie odcisku zbyt blisko krawędzi,
• wykonanie kolejnych odcisków zbyt blisko siebie,
• zużyty lub uszkodzony wgłębnik,
• nieprawidłowa weryfikacja twardościomierza,
• drgania podczas badania,
• nieprawidłowe ustawienie próbki względem osi wgłębnika,
• nieuwzględnienie krzywizny badanego elementu.

Zalety metody Rockwella

Do najważniejszych zalet należą:

• bardzo szybki pomiar,
• bezpośredni odczyt wyniku,
• brak konieczności optycznego pomiaru odcisku,
• duża przydatność w kontroli seryjnej,
• szeroki wybór skal,
• możliwość badania materiałów o bardzo różnej twardości,
• stosunkowo mały odcisk w porównaniu z metodą Brinella,
• bardzo szerokie zastosowanie przemysłowe.

Ograniczenia metody Rockwella

Metoda Rockwella ma również ograniczenia.
Wynik może być szczególnie wrażliwy na:

• niewłaściwy dobór skali,
• małą grubość elementu,
• chropowatość powierzchni,
• niestabilne podparcie,
• krzywiznę próbki,
• lokalną niejednorodność mikrostruktury.

Odcisk jest mniejszy niż w metodzie Brinella, dlatego wynik może reprezentować bardziej lokalne właściwości materiału.
W przypadku materiałów silnie niejednorodnych, takich jak niektóre żeliwa lub duże odlewy, Brinell może zapewniać bardziej reprezentatywne uśrednienie mikrostruktury.

Rockwell a Brinell

Rockwell a Vickers

Vickers wykorzystuje diamentową piramidę i optyczny pomiar przekątnych odcisku. Rockwell mierzy natomiast głębokość penetracji.
Vickers jest bardzo uniwersalny i może być stosowany również do pomiarów niewielkich obszarów oraz mikrotwardości. Rockwell jest natomiast szybszy i szczególnie dobrze nadaje się do kontroli produkcyjnej.

Przeliczanie HRC na HBW i HV

W praktyce często zachodzi potrzeba porównania wartości HRC z wynikami Brinella lub Vickersa.
Takie przeliczenia są przybliżone i zależą od rodzaju badanego materiału.
Nie należy traktować HRC, HBW i HV jako skal powiązanych jedną uniwersalną zależnością matematyczną.
Do technicznych przeliczeń należy korzystać z odpowiednich tablic konwersji przeznaczonych dla konkretnej grupy materiałów.
Szczególnej ostrożności wymagają:

• stale austenityczne,
• stale duplex i superduplex,
• stale utwardzane wydzieleniowo,
• żeliwa,
• stopy niklu,
• stopy aluminium.

Normy dotyczące pomiaru twardości Rockwella

Podstawową międzynarodową serią norm dotyczącą badania twardości Rockwella jest ISO 6508.

W dokumentacji technicznej należy zwracać uwagę na dokładne wydanie normy wskazane przez klienta, specyfikację materiałową lub warunki odbioru.

ISO 6508-1 a ASTM E18

ISO 6508-1 oraz ASTM E18 opisują badania twardości metodą Rockwella, ale przy badaniach odbiorowych nie należy traktować ich jako dokumentów automatycznie zamiennych w każdym szczególe.
Jeżeli zamówienie, norma wyrobu lub specyfikacja klienta wymaga badania według ASTM E18, wynik powinien być uzyskany zgodnie z ASTM E18. Analogicznie w przypadku wymagania ISO 6508-1 należy stosować wymagania tej normy.
Ma to szczególne znaczenie przy:

• badaniach odbiorowych,
• kontroli dostaw materiału,
• sporządzaniu raportów laboratoryjnych,
• certyfikacji,
• porównywaniu wyników uzyskanych przez różne laboratoria.

Gdzie stosuje się pomiar Rockwella?

Metoda Rockwella jest powszechnie stosowana w:

• hutnictwie,
• przemyśle narzędziowym,
• produkcji łożysk,
• produkcji kół zębatych i wałów,
• kontroli obróbki cieplnej,
• przemyśle motoryzacyjnym,
• produkcji części maszyn,
• laboratoriach materiałowych,
• seryjnej kontroli jakości.

Szybkość badania sprawia, że pojedynczy twardościomierz może być wykorzystywany do kontroli dużej liczby elementów produkcyjnych.

Czy HRC określa wytrzymałość stali?

Twardość może korelować z niektórymi właściwościami mechanicznymi, ale HRC nie jest bezpośrednim pomiarem wytrzymałości na rozciąganie.
Nie należy na podstawie samego HRC określać wszystkich właściwości materiału.
Stal o wysokiej twardości może jednocześnie wykazywać mniejszą plastyczność lub udarność. Z kolei odpowiednie odpuszczanie może obniżyć twardość, ale poprawić odporność materiału na kruche pękanie.
Dlatego pomiar Rockwella należy interpretować razem z informacjami dotyczącymi:

• gatunku materiału,
• mikrostruktury,
• stanu obróbki cieplnej,
• wytrzymałości na rozciąganie Rm,
• granicy plastyczności Rp0,2,
• wydłużenia A,
• udarności KV.

Metoda Rockwella jest jedną z najważniejszych metod przemysłowego pomiaru twardości metali. Jej podstawową zaletą jest określanie twardości na podstawie głębokości penetracji wgłębnika, dzięki czemu wynik można uzyskać szybko i bez optycznego pomiaru odcisku.
Najbardziej znaną skalą jest HRC, stosowana przede wszystkim do stali hartowanych i innych materiałów o wysokiej twardości. Skala HRBW wykorzystuje kulkę i znajduje zastosowanie przy materiałach o niższej twardości, natomiast HRA wykorzystuje wgłębnik diamentowy przy mniejszej całkowitej sile niż HRC.
Prawidłowy pomiar wymaga właściwego doboru skali, odpowiedniej grubości i przygotowania próbki, stabilnego podparcia elementu oraz sprawnego i prawidłowo zweryfikowanego twardościomierza.
Podstawową normą międzynarodową dotyczącą metody jest ISO 6508-1:2023, natomiast w systemie ASTM stosowana jest ASTM E18.

Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie
Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie
Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie
Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór i zastosowanie
Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie
Przeliczanie twardości HBW, HRC, HRB i HV – tabele konwersji