Твёрдость по Шору (Метод вдавливания)

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору.

При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод также является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал — это не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Аналоговый дюрометр Шора, установленный на штативе с устройством пригружения.

Твердость по Шору — один из методов измерения твердости материалов. Как правило, используется для измерения твердости низкомодульных материалов. Обычно — полимеров: пластмасс, эластомеров, каучуков и продуктов их вулканизации.

Метод и шкала были предложены Альбертом Ф. Шором в 1920-х годах. Он же разработал соответствующий измерительный прибор, называемый дюрометром^[1][2].

Регулируется международным стандартом ISO 868 и рядом других национальных стандартов (см. раздел «Литература»).

Твёрдость по Шору обозначается в виде числового значения шкалы, к которому приписывается буква, указывающая тип шкалы с явным указанием названия метода измерения твердости или прибора.

• Например: «Твёрдость по Шору 80A».
• Например: «Твёрдость по дюрометру 80A».
• Допускается: «Твёрдость по Шору 80 по шкале D».
• В таблицах допускается обозначение: «Твёрдость, ед. Шор(-а) А».

О дюрометрах и методах говорят как о дюрометрах и методах Шора типов A, B и т. д.

Метод позволяет измерять глубину начального вдавливания, глубину вдавливания после заданных периодов времени или и то и другое вместе.

Метод является эмпирическим испытанием. Не существует простой зависимости между твердостью, определяемой с помощью данного метода, и каким-либо фундаментальным свойством испытуемого материала.

Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений, позволяя производить их, в том числе на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях достаточно больших радиусов. Из-за чего получил широкое распространение в производственной практике.

Принцип

Измеряется глубина вдавливания в материал определенного индентора под действием силы в заданных условиях.

Твердость при вдавливании обратно пропорциональна глубине вдавливания и зависит от модуля упругости и вязкоэластичных свойств материала. На получаемые результаты влияет форма индентора и прилагаемая к нему сила, поэтому между результатами, получаемыми при испытаниях с дюрометрами разных типов или другими приборами для измерения твердости, не может быть прямой зависимости.

Шкалы дюрометра

Для измерения дюрометром Шора применяется несколько шкал, используемых для материалов с различными свойствами. Две наиболее распространенных шкалы — тип A и тип D. Шкала типа A предназначена для более мягких материалов, в то время как D для более твердых. Помимо этого стандарт ASTM D2240 предусматривает в общей сложности 12 шкал измерений, используемых в зависимости от целевой задачи; различают типы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S и R. Все шкалы делятся от 0 до 100 условных единиц, при этом высокие значения соответствуют более твердым материалам.

Примерное соотношение разных шкал

Соотношение между некоторыми шкалами дюрометров Шора

A	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95	100
B				6	12	17	22	27	32	37	42	47	51	56	62	66	71	76	81	85
C						9	12	14	17	20	24	28	32	37	42	47	52	59	70	77
D						6	7	8	10	12	14	16	19	22	25	29	33	39	46	58
O	8	14	21	28	35	42	48	53	57	61	65	69	72	75	79	84
OO	45	55	62	70	76	80	83	86	88	90	91	93	94	95	97	98

Устройство прибора

В конструкции дюрометров Шора типов A и D входят следующие части:

1. Опорная поверхность (площадь не менее 100 мм²) с отверстием диаметром от 2,5 до 3,5 мм, центр которого находится на расстоянии не менее 6 мм от любого края опоры.
2. Индентор в виде закаленного стального стержня диаметром 1,10—1,40 мм (см. чертёж).
3. Индикаторное устройство, показывающее степень выдвижения кончика индентора за пределы опорной поверхности. Степень выдвижения может быть измерена непосредственно в условных единицах в диапазоне от 0, для полного выдвижения кончика индентора, равного 2,50 мм + 0,04 мм, до 100 при отсутствии какого-либо выдвижения вообще, что происходит, например, в том случае, когда опорную поверхность индентора плотно прижимают к стеклянной пластинке.
4. Калиброванная пружина для приложения к индентору силы, рассчитанной согласно одной из приведенных ниже формул:

а) F = 550 + 75Н_A,

где F — прилагаемая сила, мН;

Н_A — твердость, определенная по дюрометру типа А;

б) F = 445Н_D,

где F — прилагаемая сила, мН;

H_D — твердость, определенная по дюрометру типа D.

• Опционально данные Твердомеры снабжаются специальным приспособлением или элементами крепления груза, центрированного по оси индентора, позволяющими создавать определённое прижимное усилие. Данное усилие может корректироваться нормативно-технической документацией на конкретные материалы.

Чертёж инденторов для дюрометров типов A и D

Характеристики дюрометров типов A и D (ISO 868)

Тип шкалы	Индентор	Усилие на инденторе				Прижимное усилие[3]
		Н	Предельное отклонение	гс	Предельное отклонение
A	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм	0,550 + 0,075НA	±0,078	56 + 7,66НA	±8	1 кг (12,5 Н)
D	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся конусом с углом при вершине 30°, радиус острия 0,10 мм	0,445НD	±0,441	45,36НD	±45	5 кг (50,0 Н)

Характеристики дюрометров других типов

Тип шкалы	Индентор	Максимальное усилие на инденторе		Прижимное усилие[3]
		Н	гс
B	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся конусом с углом при вершине 30°, радиус острия 0,10 мм	8,061	822	1 кг
C	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм	44,62	4550	5 кг
AO, L[4]	Закаленный стальной шарик диаметром 5 мм	8,064	822	12,5 Н
DO	Закаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм	44,62	4550	5 кг
O	Закаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм	8,064	822	1 кг
OO	Закаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм	1,108	113	400 г
OOO	Закаленный стальной шарик диаметром 12,7 мм	1,108	113	400 г

Проведение испытания

При испытании материалов, твердость которых не зависит от относительной влажности, дюрометр и образцы для испытания кондиционируют не менее 1 ч в условиях одной из стандартных атмосфер^[5] по ГОСТ 12423 (ISO 291), защитив их от воздействия прямых солнечных лучей. При испытании материалов, твердость которых зависит от относительной влажности, образцы для испытаний следует кондиционировать по тем же стандартам или согласно соответствующей нормативно-технической документации на испытуемый материал.

При этих же условиях проводят испытание.

Испытуемый образец должен иметь толщину не менее 6 мм. Для достижения необходимой толщины образец для испытаний может состоять из нескольких тонких слоев, но результаты испытаний, полученные с такими образцами, могут не согласовываться с результатами испытаний цельных образцов, так как поверхности таких слоев иногда не полностью соприкасаются друг с другом.

Размеры образцов должны позволять проводить испытание на расстоянии не менее 12 мм от любого края, если только заранее не будет известно, что при испытаниях на меньшем расстоянии от края достигаются идентичные результаты. Поверхность образца в месте контакта с опорной поверхностью на площади радиусом не менее 6 мм от кончика индентора должна быть очень ровной. На кривых, неровных или шероховатых поверхностях нельзя получить удовлетворительные результаты измерения твердости с помощью дюрометра.

Испытуемый образец помещают на твердую ровную горизонтальную поверхность. Дюрометр устанавливают в вертикальном положении так, чтобы кончик индентора находился на расстоянии не менее 12 мм от любого края образца. Как можно быстрее без толчка к образцу прижимают опорную поверхность дюрометра, держа ее параллельно поверхности испытуемого образца. К опорной поверхности с помощью специального приспособления или груза прилагают давление, достаточное для обеспечения надежного контакта с образцом.

• Допускается пригружение твердомера вручную.

Снимают показания индикаторного устройства спустя (15 + 1) с. Если необходимо произвести мгновенное измерение, то показание снимают в течение 1 с после прижатия опорной поверхности к образцу. В этом случае записывают максимальное значение, которое покажет индикатор дюрометра.

• Лучшая воспроизводимость может быть достигнута путем использования подставки (штатива) для дюрометра или груза, центрируемого по оси индентора, или того и другого вместе для прижатия опорной поверхности к образцу. Для дюрометра типа А рекомендуется масса груза 1 кг, а для дюрометра типа D — 5 кг.
• Интервал времени, после которого снимают показания, может устанавливаться на отдельные материалы собственной нормативно-технической документацией.

Проводят пять измерений твердости в разных местах поверхности образца, но на расстоянии не менее 6 мм от точки предыдущего измерения, и определяют среднее значение.

• Рекомендуется при получении с помощью дюрометра типа A значений выше 90 испытания проводить с дюрометром типа D, а при получении с помощью дюрометра типа D значений меньше 20 испытания проводить с помощью дюрометра типа A.

Оформляют протокол испытаний, в который включают:

1. ссылку на стандарт;
2. полную идентификацию испытуемого материала;
3. описание образца для испытания, включая толщину, а в случае применения составного образца и число слоев;
4. температуру испытания и относительную влажность, если твердость испытуемого материала зависит от влажности;
5. тип дюрометра (A, D и т. д.);
6. если известно и если требуется, время, прошедшее с момента изготовления образца до момента измерения твердости;
7. отдельные значения твердости и интервал времени, по истечении которого эти показания снимались;
8. среднее значение твердости;
9. отдельные подробности процедуры, не указанные в стандартах, на которые имеются ссылки, и любые другие указания, которые могут повлиять на результаты.

• Показания можно записывать по следующей форме, твердость по Шору: А/15:45, где A — тип дюрометра, 15 — время в секундах от момента приведения опорной поверхности в тесный контакт с образцом до момента снятия показания, 45 — показания. Аналогичным образом твердость по Шору D/1:60 означает показание 60, полученное с помощью дюрометра типа D в течение 1 с или от максимального показания.

Твердость по Шору некоторых материалов

Твёрдость по Шору материала протектора автомобильной шины обычно составляет от 50A до 70A в зависимости от её назначения.

Твердость по Шору материалов в изделиях

Материал, изделие	Твердость, ед. Шора	Тип шкалы
Гелевое сиденье велосипеда	15—30	OO
Жевательная резинка	20	OO
Виброгасящий материал Сорботан	40	OO
Виброгасящий материал Сорботан	0	A
Силиконовый герметик	10—25	A
Мягкий художественный ластик	20	A
Бытовые резиновые колечки[6]	25—30	A
Велосипедная камера	30	A
Бинт Мартенса (резиновый)[7]	30—35	A
Обычный ластик	50—55	A
Дверной уплотнитель	55	A
Лезвия стеклоочистителя	55—60	A
Автомобильная шина	60—70	A
Мягкие колеса скейтборда	75	A
Гидравлическое уплотнительное кольцо	70—90	A
Резиновая пробка для ванны	80—85	A
Бумагоопорный вал пишущей машинки	85—90	A
Цельнолитые шины вилочного автопогрузчика	90—95	A
Жёсткие колеса скейтборда	98	A
Эбонит	100	A
Литой пластмассовый ролик[8]	50	D
Пластик промышленной защитной каски	75	D
Мяч для гольфа	90	D

• В таблице разброс значений ±5 ед. Шора.

Прочее

Дюрометры и шкалы Аскер

Название происходит от бренда «ASKER» японской компании-производителя KOBUNSHI KEIKI CO., LTD^[9], выпускающей ряд моделей приборов оригинальной фирменной модификации и имеющих соответствующие оригинальные шкалы. Методика измерения твёрдости с применением дюрометров Аскер основана на тех же принципах и фактически является методом Шора. Измерительный прибор, применяемый в этом методе, так же именуется «дюрометр». Применяется в основном для тех же материалов, что и описываемый в данной статье метод Шора, только преимущественно — мягких и эластичных (см. иллюстрацию ниже). Часть фирменных шкал Аскер нормируется национальными стандартами Японии. Отличается от классического метода некоторыми параметрами измерительного прибора, инденторами и фирменными названиями типов шкал (моделей приборов).

Характеристики некоторых моделей дюрометров Аскер

Тип шкалы	Индентор	Усилие на инденторе
		гс, при 0 ед. шкалы	гс, при 100 ед. шкалы
JA	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм	55	855
JC	Закаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм	100	4500
Аскер C	Закаленная стальная полусфера диаметром 5,08 мм	55	855
Аскер C2	Закаленная стальная полусфера диаметром 5,08 мм	55	455
Аскер CS	Закаленный стальной цилиндр[10] диаметром 10 мм	100	4500
Аскер FP	Закаленный стальной цилиндр[10] диаметром 15 мм	100	200
Аскер F	Закаленный стальной цилиндр[10] диаметром 25,2 мм	55	455

Твёрдость по дюрометру Аскер обозначается так же, как твёрдость по дюрометру Шора, только вместо сл. «Шор(-а)», указывается сл. «Аскер».

• Например: «Твёрдость по Аскер 80C».

Следует иметь в виду, что ряд названий типов шкал совпадает со стандартизованными, но не всегда совпадают значения этих шкал и используемые инденторы. Например, модель «Аскер A» полностью совпадает со стандартной моделью «Шор A» [1], а модель «Аскер C» — только названием типа шкалы [2].

В случае проведения испытаний дюрометром Аскер, модель которого полностью соответствует определённой модели дюрометра Шора, для различения при записи результатов испытаний рекомендуется отдавать предпочтение записи со сл. «Шор(-а)».

• Например: «30 ед. Шор A», вместо «30 ед. Аскер A».

Приблизительное соотношение между шкалами дюрометров Шора A и Аскер С

Иллюстрации

---

• Внешний вид дюрометров
• 

  Аналоговый дюрометр Шора

• 

  Цифровой дюрометр Шора

См. также

• Твердость
• Твёрдость по Шору (Метод отскока)
• Шкала Мооса
• Твердость по Роквеллу
• Твердость по Виккерсу
• Твердость по Бринеллю
• Твердость по Кнопу

Примечания

1. ↑ Патент US1770045, (PDF)
2. ↑ Следует отличать от «склероскопа» — прибора для измерения твёрдости по принципиально другому методу измерения твердости по Шору.
3. ↑ ^{1 2} Прижимное усилие опорной поверхности дюрометра к испытуемому образцу. Стандартами предусмотрены разные единицы измерения для данного параметра, поэтому они указываются не в заголовке, а в соответствующих строках таблицы. Между разными стандартами имеются небольшие отличия — даны в скобках.
4. ↑ Стандарт PV 3931
5. ↑ Стандартная атмосфера «23/50»: температура (23 ± 2) °C, относительная влажность 50 %, давление 86—106 кПа.
6. ↑ Резиновые колечки, которыми обвязывают пачки купюр, небольшие пакеты, прикрепляют рецепты к флаконам с лекарственными средствами и т. п.
7. ↑ ТУ 38.106.209-90
8. ↑ Напр., колёсико багажной тележки, ручной клади (чемодана). (См. обсуждение.)
9. ↑ Официальный сайт компании KOBUNSHI KEIKI CO., LTD  (англ.). Архивировано из первоисточника 23 апреля 2012. Проверено 8 июля 2010.
10. ↑ ^{1 2 3} На испытуемый образец воздействует (вдавливается) торцевая поверхность сплошного цилиндра.

Литература

• ISO 868 Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness).
• ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) Пластмассы и эбонит. Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору).
• ГОСТ 263-75 Резина. Метод определения твёрдости по Шору А.
• ГОСТ 12423 Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб).
• ASTM D2240
• DIN 53505
• JIS K 6301 (некоторые шкалы Аскер)

Ссылки

• «ТВЕРДОСТЬ - ЛЕГКО»