Твердость по Шору

Устройство для измерения твердости

Два роликовых колеса разной твердости – 85А и 83А.

Цифровой твердомер по Шору

Дюрометр по Шору — это прибор для измерения твердости материала, обычно полимеров . ^[1]

Более высокие цифры на шкале указывают на большую устойчивость к вдавливанию и, следовательно, на более твердые материалы. Меньшие цифры указывают на меньшее сопротивление и более мягкие материалы.

Этот термин также используется для описания рейтинга материала по шкале, например, для объекта, имеющего «твердость по Шору 90».

Шкала была определена Альбертом Фердинандом Шором , который в 1920-х годах разработал подходящее устройство для измерения твердости. Это был не первый твердомер и не первый, который назывался твердомером ( ISV duro - and -meter ; засвидетельствовано с 19 века), но сегодня это название обычно относится к твердости по Шору ; другие устройства используют другие меры, которые возвращают соответствующие результаты, например, для твердости по Роквеллу .

Шкалы дюрометра

Существует несколько шкал твердости, используемых для материалов с разными свойствами. Двумя наиболее распространенными шкалами, использующими несколько разные системы измерения, являются шкалы ASTM D2240 типа A и типа D.

Шкала A предназначена для более мягких, а шкала D — для более жестких. Изображение цифрового твердомера Bareiss представлено на фотографии.

Однако стандарт тестирования ASTM D2240-00 требует использования в общей сложности 12 шкал, в зависимости от предполагаемого использования: типы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, ООО, ООО-S и R. Каждая шкала дает значение от 0 до 100, причем более высокие значения указывают на более твердый материал. ^[2]

Метод измерения

Схема твердомера индентора или прижимной лапки , используемой для Шоров A и D

Дюрометр, как и многие другие тесты на твердость, измеряет глубину вмятины в материале, создаваемой заданной силой на стандартной прижимной лапке. Эта глубина зависит от твердости материала, его вязкоупругих свойств, формы прижимной лапки и продолжительности испытания. Дюрометры ASTM D2240 позволяют измерять начальную твердость или твердость при вдавливании через определенный период времени. Базовый тест требует приложения силы постоянным образом, без ударов, и измерения твердости (глубины вмятины). Если требуется заданная твердость по времени, прикладывают силу на требуемое время, а затем считывают показания. Испытуемый материал должен иметь толщину не менее 6 мм (0,25 дюйма). ^[3] Теоретическая основа теста рассматривается в книге «Stoßprobleme in Physik, Technik und Medizin» Grundlagen und Anwendungen ^[4]

Стандарт ASTM D2240 распознает двенадцать различных шкал твердости, используя комбинации определенных усилий пружины и конфигураций индентора. Эти шкалы правильно называются типами твердомеров; т. е. тип твердомера специально разработан для определения конкретной шкалы, и шкала не существует отдельно от твердомера. В таблице ниже представлены подробности для каждого из этих типов, за исключением типа R. ^[5]

Примечание. Тип R — это обозначение, а не настоящий «тип». Обозначение R указывает диаметр прижимной лапки (отсюда и R, обозначающий радиус; очевидно, что D нельзя использовать) в диаметре 18 ± 0,5 мм (0,71 ± 0,02 дюйма), в то время как силы пружины и конфигурация индентора остаются неизменными. Обозначение R применимо к любому типу D2240, за исключением типа M; обозначение R выражается как тип xR, где x представляет собой тип D2240, например aR, dR и т. д.; Обозначение R также требует использования рабочего стенда. ^[5]

Некоторые условия и процедуры, которые должны быть соблюдены в соответствии со стандартом DIN ISO 7619-1:

• При измерении по Шору А опора вдавливает материал, а при измерении по Шору D опора проникает в поверхность материала.
• Материал для тестирования должен находиться в лабораторном климатическом хранилище не менее чем за час до тестирования.
• Время измерения 15 с.
• Усилие составляет 1 кг +0,1 кг для Шора А и 5 кг +0,5 кг для Шора D.
• Необходимо провести пять измерений.
• Калибровка дюрометра проводится раз в неделю с использованием эластомерных блоков разной твердости.

Окончательное значение твердости зависит от глубины индентора после его воздействия на материал на 15 секунд. Если индентор проникает в материал на глубину 2,54 мм (0,100 дюйма) или более, твердость по этой шкале равна 0. Если он вообще не проникает, то твердость по этой шкале равна 100. Именно по этой причине существует несколько шкал. Но если твердость <10 °Sh или >90 °Sh, результатам нельзя доверять. Измерение необходимо повторить с использованием шкалы соседнего типа.

Дюрометр представляет собой безразмерную величину, и не существует простой зависимости между твердостью материала в одной шкале и его твердостью в любой другой шкале или при любом другом испытании на твердость. ^[1]

ASTM D2240 твердость и модуль упругости

^{Используя линейную упругую твердость при отпечатке, Гентом [7]} была получена связь между твердостью по ASTM D2240 и модулем Юнга для эластомеров . Зависимость Гента имеет вид

$${\displaystyle E={\frac {0.0981(56+7.62336S)}{0.137505(254-2.54S)}},}$$

${\displaystyle E}$ ${\displaystyle S}$

Это соотношение дает значение at , но отличается от экспериментальных данных для . Микс и Джакомин получили сопоставимые уравнения для всех 12 шкал, стандартизированных ASTM D2240. ^[8] ${\displaystyle E=\infty }$ ${\displaystyle S=100}$ ${\displaystyle S<40}$

Другое соотношение, немного лучше согласующееся с экспериментальными данными: ^[9]

$${\displaystyle S=100\operatorname {erf} (3.186\times 10^{-4}~E^{1/2}),}$$

функция ошибки ${\displaystyle \operatorname {erf} }$ ${\displaystyle E}$

Оценка первого порядка связи между твердостью типа D по ASTM D2240 (для конического индентора с углом полуконуса 15°) и модулем упругости испытуемого материала равна ^[10]

$${\displaystyle S_{\text{D}}=100-{\frac {20(-78.188+{\sqrt {6113.36+781.88E}})}{E}},}$$

${\displaystyle S_{\text{D}}}$ ${\displaystyle E}$

Другая линейная зависимость Нео-Гука между значением твердости ASTM D2240 и модулем упругости материала имеет вид ^[10]

$${\displaystyle \log _{10}E=0.0235S-0.6403,\quad S={\begin{cases}S_{\text{A}}&{\text{for}}~20<S_{A}<80,\\S_{\text{D}}+50&{\text{for}}~30<S_{D}<85,\end{cases}}}$$

${\displaystyle S_{\text{A}}}$ ${\displaystyle S_{\text{D}}}$ ${\displaystyle E}$

Патенты

• Патент США 1770045, А. Ф. Шор, «Прибор для измерения твердости материалов», выдан 8 июля 1930 г. 
• Патент США 2421449, Дж. Г. Зубер, «Прибор для измерения твердости», выдан 3 июня 1947 г. 

Смотрите также

• Тест на твердость по Бринеллю
• Блум (тест)
• Тест на твердость по Кнупу
• Испытание на твердость по отскоку по Либу
• Испытание на твердость по Роквеллу
• Тест на твердость по Виккерсу

Рекомендации

1. «Испытание твердости пластмасс по Шору (дюрометру)» . Проверено 22 июля 2006 г.
2. «Твердость материала». CALCE и Университет Мэриленда . 2001. Архивировано из оригинала 7 июля 2007 г. Проверено 22 июля 2006 г.
3. «Твердость резины». Национальная физическая лаборатория, Великобритания . 2006 год . Проверено 22 июля 2006 г.
4. Виллерт, Эмануэль (2020). Stoßprobleme in Physik, Technik und Medizin: Grundlagen und Anwendungen (на немецком языке). Спрингер Вьюег. дои : 10.1007/978-3-662-60296-6. ISBN 978-3-662-60295-9. S2CID  212954456.
5. «DuroMatters! Основная информация о тестировании твердомера» (PDF) . CCSi, Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2012 года . Проверено 29 мая 2011 г.
6. «Стандартный метод испытания свойств резины - твердость по твердости 1» . ASTM International (D2240 − 15´1): 5 ноября 2017 г. doi :10.1520/D2240-15E01.
7. А. Н. Гент (1958), О связи между твердостью при отпечатке и модулем Юнга, Институт резиновой промышленности - Сделки, 34, стр. 46–57. дои : 10.5254/1.3542351
8. AW Mix и AJ Giacomin (2011), Стандартизированная твердость полимеров, Журнал тестирования и оценки , 39 (4), стр. 1–10. дои : 10.1520/JTE103205
9. Британский стандарт 903 (1950, 1957), Методы испытаний вулканизированной резины, часть 19 (1950) и часть A7 (1957).
10. Qi, HJ, Джойс, К., Бойс, MC (2003), Твердость по дюрометру и поведение эластомерных материалов при напряжении и деформации, Rubber Chemistry and Technology , 76 (2), стр. 419–435. дои : 10.5254/1.3547752

Внешние ссылки

• Сравнительная таблица
• Справочное руководство
• Растеряев Ю.К., Агальцов Г.Н. Связь между твёрдостью и модулем упругости смолы (Связь между твёрдостью и модулем упругости резины)