Twardość materiału jest jego kluczową cechą, ponieważ to od niej zależy trwałość wytwarzanych z niego tworzyw. To jedna z właściwości, która zależna jest od odporności badanej struktury na penetrację przez inne ciało. Umożliwia ocenę jakości stopów metali, ceramiki, drewna, plastiku, kamienia i wielu innych surowców. Co więcej, twardość wpływa bezpośrednio na stopień przetworzenia materiału. Jest to również pewna miara odporności ciała stałego na miejscowe odkształcenia plastyczne, powstałe na powierzchni badanej struktury w wyniku ścierania, cięcia, załamania czy zmiany kształtu. Im wyższa twardość, tym większy stopień sprężystości materiału. Ta właściwość zależy również od ciągliwości, sztywności, plastyczności, odkształcalności oraz wytrzymałości tworzywa.
Obecnie każdą właściwość materiału można zbadać za pomocą właściwych technik oraz narzędzi. Do mierzenia twardości służą następujące metody: ryskowa, statyczna i dynamiczna. Pierwsza jest jedną z najstarszych i polega na przyrównywaniu twardości badanego materiału do tej właściwości wybranych minerałów. Druga natomiast zależy m.in. od grubości badanego elementu lub warstwy. Najczęściej znajduje zastosowanie w dziedzinach inżynierii oraz metalurgii. Trzeci sposób polega na udarowym działaniu wgłębnika – twardszego tworzywa – na badaną powierzchnię. Tę właściwość materiałów mierzy się za pomocą przyrządów zwanych twardościomierzami.
Twardość jest kluczową cechą surowców służących do konstruowania wszystkich przedmiotów użytkowych. Dla każdego rodzaju tworzyw stworzono odpowiednie metody klasyfikacji czy pomiaru, jak również skalę. W przypadku metali używa się m.in. metody Brinella, do badania ceramiki – techniki Vickersa, a przy analizie tworzyw sztucznych i kompozytów – wykorzystuje się najczęściej sposób Rockwella.
Została ona opracowana i wprowadzona w 1900 roku przez Johana Augusta Brinella. Jego skala twardości oznaczana jest symbolem HB w zakresie 0-650. Zwykle stosuje się ją w przypadku materiałów hutniczych. Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciśnięciu w badaną strukturę stalowej kulki – HBS lub kuli wykonanej z węglików spiekanych – HBW. W zależności od danej próbki stosuje się różne średnice wgłębnika, czas trwania oraz siłę nacisku. Zaletą tego sposobu jest możliwość badania niejednorodnej struktury materiałów.
Został on opatentowany w 1914 roku przez Hugh M. Rockwella i Stanleya P. Rockwella. Pomiar twardości sposobem Rockwella polega na określeniu głębokości odcisku wykonanego stożkiem diamentowym lub kulką węglikową. Po ukończonym procesie badana próbka będzie posiadała niewielką skazę. Skalę twardości Rockwella oznacza się symbolem HR. Ta metoda jest wykorzystywana w przypadku materiałów twardych, a ceni się ją za szybkość i łatwość pomiaru. Pomiar twardości sposobem Rockwella staje się szczególnie przydatny w przemyśle, gdzie wymagana jest szybka ocena twardości różnych materiałów, w tym stali, które przeszły procesy cieplnego ulepszania. Dzięki prostocie obsługi oraz bezpośredniemu odczytowi wyników zyskał szerokie uznanie w branży metalowej.
To najnowszy z wyżej wymienionych sposobów, gdyż wykorzystuje się go od 1924 roku. Skala twardości oznaczana jest symbolem HV, po którym należy podać wartość zastosowanego obciążenia w kilogramach siły. Pomiar twardości metodą Vickersa wykonuje się za pomocą foremnego, czworobocznego ostrosłupa diamentowego. Wynik uzyskuje się dzięki podzieleniu obciążenia statycznego przez kwadrat średniej długości przekątnych odcisku. Korzyścią płynącą z wykorzystywania tej techniki jest niewielka ingerencja w badany materiał, czyli ślad pozostawiony po pomiarze. Innymi atutami są duża dokładność, możliwość stosowania odnośnie do materiałów miękkich i twardych oraz łatwość porównania wyników w zależności od obciążenia.
Wyżej wymienione sposoby pomiaru twardości to metody statyczne. Określa to kontakt między badanym materiałem a obiektem, który następuje w danym czasie. Tę właściwość ustala się dzięki wartości siły obciążającej wgłębnik i wielkości trwałego odkształcenia wywołanego jej działaniem. Twardość zależna jest od oddziaływania na próbkę testową innego obiektu, który wywiera pewną presję. Minimalny wysiłek i duża głębokość odkształcenia mówią o niskich właściwościach tworzywa. W odwrotnej sytuacji twardość jest wysoka. Wybór konkretnej metody zależy od zastosowania badanego materiału, wymaganej dokładności wyniku oraz możliwości odtworzenia pomiaru w innych warunkach.
