Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 0

Твердость металлов

Измерение твердости методом Шора

Альберт Шор жил в двадцатом столетии. Он был промышленником, его предприятие производило низкомодульные материалы. Это вещества, обладающие малой продольной упругостью. При таких характеристиках они являются эластичными без значительного повышения температуры, достаточно даже комнатных показателей. Такими свойствами обладают полимеры, каучуки и продукты его вулканизации, часть разновидностей пластмассы. Таким образом, шкалу твердости Альбер Шор разработал из-за производственной необходимости. Она помогала облегчить труд и сделать его предприятие успешнее. И этот способ идеально подходит для определения твердости полиуретана. Метод Шора – эмпирический. Это означает, что он связан с наблюдениями, проведением опытов, получением выводов на основе восприятия результатов. Показатели, выявленные по этому методу, невозможно точно перевести в другие известные величины твердости, из-за этого шкала Шора является не связанной с фундаментальными характеристиками испытываемого материала.

Но при этом показатели, получаемые с помощью прибора Шора, имеют высокое практическое значение. Их использование широко распространено в различных отраслях. К примеру, автомобилистов интересует твердость по Шору резины, используемой для изготовления покрышек. Оптимальные показатели варьируются от 50 до 75. Чем мягче резина, тем лучше она сцепляется с дорогой. Однако чрезмерно мягкие образцы имеют малый срок службы, так как быстро истираются. А еще слишком мягкие шины больше шумят. Учитывая условия эксплуатации, можно подобрать подходящие по твердости шины, используя число Шора.

К сожалению, не каждый производитель покрышек указывает твердость, хотя определить ее совсем не сложно. Наличие отметки говорит об ответственном подходе к производству и отличных показателях качества.

Метод больше всего подходит для достаточно мягких материалов. Измерять твердость полиуретана по Шору удобно и быстро.

Как измеряется твердость полиуретана по Шору

Определение твердости дюрометром

Прибор для измерения показателей был создан самим Шором еще в 1920 году. Название его – дюрометр. Он состоит из опорной площадки с отверстием посередине, стержня-индентора и упругой пружины, прилагающей к стержню некоторую силу. Также дюрометр снабжен индикатором, показывающим, насколько носик индентора выдвигается за границы опорной поверхности.

Существует несколько шкал твердости. Чаще всего применяются A и D. Разные шкалы необходимы для большей точности, ведь измерения проводятся для различных материалов. Шкала A оптимальна для мягких, а D подходит для более упругих.

Также использование этого метода требует учета условий окружающей среды

Перед тем, как определить твердость изделий из полиуретана, важно отметить влажность среды, температуру, наличие прямого солнечного излучения. Для истинных показателей следуют исключить факторы, искажающие результаты

Помочь в этом могут стандарты ISO.

Также существуют особые требования к виду образца для испытаний. Толщина его должна превышать 6 мм. Ширина же должна быть такой, чтобы до каждого из краев при измерении оставалось не менее 12 мм. Образец должен быть гладким, так как шероховатая текстура приводит к получению искаженных результатов.

Метод определения твердости

Чтобы определить твердость материала, дюрометр устанавливается вертикально, от носика индентора до любого из краев должно оставаться не меньше 1,2 см. Опорная панель быстро, но без толчка прижимается к поверхности образца. При этом необходимо сохранять параллель между плоскостями. Давление может оказываться с помощью специального груза или же ручным жимом.

При мгновенных измерениях показатели снимают через 1 секунду. Но чаще выдерживают интервал в 15 секунд. Для большей точности измерения проводятся пять раз на различных участках образца. Из полученных значений высчитывается среднее арифметическое. Результат может быть от нуля до ста. Это и есть показатель твердости полиуретана по таблице Шора.

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 по ГОСТ 12423-2013 «Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)» (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 её 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 путём 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:

  • ссылку на стандарт;
  • полную идентификацию испытуемого материала;
  • описание образца для испытания, включая толщину, а в случае применения составного образца и число слоев;
  • температуру испытания и относительную влажность, если твердость испытуемого материала зависит от влажности;
  • тип дюрометра (A, D и т. д.);
  • если известно и если требуется, время, прошедшее с момента изготовления образца до момента измерения твердости;
  • отдельные значения твердости и интервал времени, по истечении которого эти показания снимались;
  • среднее значение твердости;
  • 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.

Материал, изделиеТвердость, ед. ШораТип шкалы
Гелевое сиденье велосипеда15—30OO
Жевательная резинка20OO
Виброгасящий материал Сорботан40OO
Виброгасящий материал СорботанA
Силиконовый герметик10—25A
Мягкий художественный ластик20A
Бытовые резиновые колечки25—30A
Велосипедная камера30A
Бинт Мартенса (резиновый)30—35A
Обычный ластик50—55A
Дверной уплотнитель55A
Лезвия стеклоочистителя55—60A
Автомобильная шина60—70A
Полиуретановая втулка сайлентблока65А
Мягкие колеса скейтборда75A
Гидравлическое уплотнительное кольцо70—90A
Резиновая пробка для ванны80—85A
Бумагоопорный вал пишущей машинки85—90A
Цельнолитые шины вилочного автопогрузчика90—95A
Прокладка биконитовая90—98А
Твердые колеса скейтборда98A
Эбонит100A
Литой пластмассовый ролик50D
Пластик промышленной защитной каски75D

Применение

Значение твердости материалов по Шору применяется широко. Ее применяют люди разных профессий и специальностей – от художников до строителей.

В частности, важны показатели твердости по Шору для полимеров и эластомеров, особенно для последних. Исходя из данных по твердости тот или иной материал во многом выбирается для выпуска конкретного изделия. Особенно это касается изделий из каучуков, резин, эластомеров, термоэластопластов и т.д.

В области строительства показатели твердости важны для герметиков, уплотнительных материалов – колец, прокладок, сальников. Тоже самое можно сказать про машиностроение. Для строительной индустрии также важны значения твердости защитных касок для персонала. При использовании каски из мягкого материала с Шором до 70 единиц по шкале Dможно получить травму и нанести вред здоровью.

Даже для канцелярских и учебных товаров твердость эластомера по Шору может иметь значение, например для выбора ластиков для корректировки документов. А вот твердость пишущих карандашей определяется по-другому и обозначается по собственной шкале: Н, В, HB, Т и т.д.

Очень важна твердость по Шору для самых разнообразных шин. Твердость велосипедных шин должна быть невысока, автомобильные шины уже тверже, еще более высокой твердостью обладают различные специальные колеса, например для роликовых коньков, скейтбордов, автопогрузчиков и прочей подобной спецтехники.

 

Рис2. Ранжирование широко используемых изделий по их твердости

В области медицины значение твердости эластичных материалов учитывают при подборе специальных бинтов, предназначенных для фиксации шин при повреждениях конечностей и травмах костей. Дело в том, что бинты с низкой твердостью могут недостаточно зафиксировать шину, а при очень высокой есть риск пережатия сосудов и нарушения кровотока.

Государство старается стандартизировать значения твердостей наиболее распространенных и важных материалов. Изначально еще в СССР в 1975 году такие стандарты были разработаны и приняты для того, чтобы регламентировать твердость резины. И на сегодня этот стандарт действует со множеством исправлений.

В заключение статьи отметим, что метод твердости Шора уже около ста лет является актуальным способом измерения и сравнения значений для многих применений. Это обусловлено его объективностью и доступностью для использования в различных условиях.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на         

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на               

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Вернуться к списку терминов

Принцип измерения

Рассматриваемый метод применяют для низкомодульных материалов, таких как полимеры, а именно каучуки, элистомеры, пластмассы, продукты их вулканизации. Он включает два способа: вдавливания и отскока.

Принцип первого способа Шора состоит в определении величины вдавливания в материал конкретного индентора. Твердость определяется упругостью и вязкоэластичными параметрами,  она обратно зависима от глубины вдавливания. К тому же результаты зависят от формы индентора и приложенной силы. Ввиду этого нет взаимосвязи данных, полученных с применением при измерениях различных приборов и даже устройств с разными параметрами. К тому же твердость, измеряемая рассматриваемым методом Шора, не связана с каким-либо параметром исследуемого материала, поскольку он является эмпирическим.

Шкала твердости по Шору

Рассматриваемая технология весьма распространена. Этому способствуют ее следующие достоинства:

  • Она проста, в том числе благодаря конструкции прибора.
  • Такой метод определения твердости обеспечивает быстроту измерений.
  • Подходит для различных поверхностей, в том числе криволинейных, значительных радиусов, крупногабаритных предметов, готовых деталей. При этом технология характеризуется невысокой точностью вследствие значительного разброса значений.

Способ отскока состоит в определении твердости по величине отскока вертикально падающего бойка с заданной высоты после удара об исследуемую поверхность.

Примерное соотношение разных шкал

Для выражения твердости применяются условные единицы измерения. В основном данную технологию Шора применяют для твердых материалов.

К тому же, рассматриваемый метод Шора распространен в промышленности ввиду быстроты и простоты выполнения измерений. Тем его применяют, в основном, для контроля температурной обработки. Подходит для определения твердости крупных предметов, криволинейных поверхностей, готовых деталей. При этом, как и первый метод Шора, характеризуется низкой точностью ввиду того, что величина отскока бойка определяется, помимо твердости, многими прочими параметрами, а именно шероховатостью поверхности, структурой, толщиной и др.

Таким образом, несмотря на различные технологии осуществления, методы Шора близки по качествам: благодаря простоте они обеспечивают большую оперативность измерений, но с низкой точностью.

Проблема рассматриваемой технологии состоит в том, что твердость по Шору невозможно точно перевести в прочие величины твердости и прочности при растяжении. Это объясняется оторванностью твердости Шора от фундаментальных характеристик из-за эмпиричного характера метода.

Данная технология имеет преимущественно практическую направленность ввиду того, что определяемый ею показатель влияет на эксплуатационные характеристики. Например, таким методом измеряют твердость резины автомобильных шин.

Устройство прибора


Чертёж инденторов для дюрометров типов A и D

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

  • 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.
  • Индентор в виде закаленного стального стержня диаметром 1,10—1,40 мм.
  • 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.
  • Калиброванная пружина для приложения к индентору силы, рассчитанной согласно одной из приведенных ниже формул:
  • F = 550 + 75НA, где F — прилагаемая сила, мН; НA — твердость, определённая по дюрометру типа А;
  • F = 445НD, где F — прилагаемая сила, мН; HD — твердость, определённая по дюрометру типа D.

Опционально 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.

Характеристики дюрометров типов A и D (ISO 868)
Тип шкалыИнденторУсилие на индентореПрижимное усилие
НПредельное отклонениегсПредельное отклонение
AЗакаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм0,550 + 0,075НA±0,07856 + 7,66НA±81 кг (12,5 Н)
DЗакаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся конусом с углом при вершине 30°, радиус острия 0,10 мм0,445НD±0,44145,36НD±455 кг (50,0 Н)
Характеристики дюрометров других типов
Тип шкалыИнденторМаксимальное усилие на индентореПрижимное усилие
Нгс
BЗакаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся конусом с углом при вершине 30°, радиус острия 0,10 мм8,0618221 кг
CЗакаленный стальной стержень диаметром 1,25 мм, заканчивающийся усеченным конусом с углом при вершине 35° и диаметром вершины 0,79 мм44,6245505 кг
AO, LЗакаленный стальной шарик диаметром 5 мм8,06482212,5 Н
DOЗакаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм44,6245505 кг
OЗакаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм8,0648221 кг
OOЗакаленный стальной шарик диаметром 2,38 мм1,108113400 г
OOOЗакаленный стальной шарик диаметром 12,7 мм1,108113400 г

Шкалы дюрометра


Примерное соотношение разных шкал

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.

Соотношение между некоторыми шкалами дюрометров Шора
A5101520253035404550556065707580859095100
B612172227323742475156626671768185
C91214172024283237424752597077
D678101214161922252933394658
O8142128354248535761656972757984
OO45556270768083868890919394959798
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации