Твердость по Шору. Метод и шкала Шора

Измерение твердости по Шору

Шора звали Альбертом. Он был американским промышленником, жил в 20 веке. Шкалу твердости разработал, дабы облегчить свой труд и сделать предприятие успешным.

Завод производил низкомодульные материалы. Их характеризует малая продольная упругость. Это приводит к высокой эластичности, даже при комнатных температурах. Таковы полимеры, продукты вулканизации, каучуки, некоторые пластмассы. Для них-то и создан метод Шора.

Твердость материалов по Шору – эмпирический метод. Это значит, что он опытный, направлен на изучение фактов, наблюдение.

Показатель получается «оторванным». Нет его связи с фундаментальными характеристиками испытуемого образца. Зато, его твердость влияет на эксплуатационные параметры. Так, твердость резины по Шору интересует, к примеру, автомобилистов.

Они ориентируются на шкалу, покупая покрышки. Стандарт их твердости – от 50 до 75 единиц Шора. Чем мягче резина, тем лучше ее сцепление с дорогой.

Однако, податливость материала приводит к его скорейшему изнашиванию, нагреву. Мягкая резина шумная и быстро теряет форму. Число Шора позволяет подобрать идеальные покрышки для конкретных условий и потребностей.

Только вот, указывают показатель шкалы на своих покрышках всего около 30% производителей. Наличие заметки указывает на ответственный подход к делу и качество товара. Проблемы в определении твердости по Шору нет. Было бы желание. Прибор для опытов прост, как и схема их проведения.

Единственный минус – приличный разброс значений результатов. Но, более удобного метода, пока, не придумано. Перейдем от теории к практике?

Жесткие или мягкие шины. Поможем выбрать

Масса «полезной» информации по выбору шин в интернете, написанная зачастую только для привлечения интернет-трафика, советы знакомых экспертов, «точно знающих, что Вам нужно», попытки самостоятельно «нащупать» нужную жесткость покрышек часто приводят к разочарованию от покупки шин. Если Вам нужно разобраться в вопросе выбора жестких или мягких шин, то читайте далее

Жёсткость шины

– характеристика амортизирующей способности шины. Жесткость зависит от состава резиновой смеси, толщины и количества слоев, применяемых в шине, размера шины.

Жесткость шины (или твердость резиновой смеси, из которой сделан протектор покрышки), физически определяется специальным прибором – дюрометром (твердомером) Шора. Как правило, твердость резиновой смеси, из которой изготовлен протектор автомобильных шин, имеет показатели в диапазоне 50-70 условных единиц Шора. В последних моделях зимних шин премиальных производителей заявляется, что в технологиях применяется адаптивная (меняющая твердость от температуры воздуха) резиновая смесь

На самом деле, для покупателя шин

1) СУБЪЕКТИВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА: владельцы авто, говоря о жесткости шины, на самом деле описывают свои ощущения от комфортности езды, уровня шума, способности шины «держать удар».

Принцип измерения по Шору

Прибор твердости Шору пришлось разработать самому. Это произошло в 1920. Называется аппарат дюрометром. У него есть опорная площадка с отверстием по центру, индентор, то есть вдавливатель, и калиброванная пружина, прилагающая к нему определенную силу.

Последний элемент машины – индикатор. Он определяет степень выдвижения «носика» индентора за пределы опорной поверхности.

Измерительных шкал у прибора несколько. Основных две, это A и D. Разбивка необходима для точности опытов, ведь испытуемыми становятся материалы с разной твердостью. Мягкие проверяют по шкале А, а более упругие – по D.

Измерение твердости по Шору требует внимания к внешним условиям. Часть полимеров реагируют, к примеру, на влажность воздуха, или размягчаются под воздействием прямых солнечных лучей. Нужно исключить факторы, влияющие на параметры материала. Для этого есть стандарты ISO.

Требования предъявляются и к толщине испытуемого образца. Она не должна быть меньше 6-ти миллиметров. Ширина материала должна позволять сделать отступ от любого из краев минимум в 12 миллиметров. Важна и гладкость испытуемого.

Шероховатые материалы могут неплотно прилегать к опорной поверхности, что искажает результаты измерений.

Чтобы определить, к примеру, твердость полиуретана по Шору, дюрометр устанавливают вертикально. «Носик» индентора, при этом, должен отстоять от края образца на те самые 12 миллиметров.

Прижать опорную поверхность к образцу нужно как можно быстрее, без толчка, держа параллель между плоскостями. Остается приложить к опорной поверхности давление, обеспечивающее надежный контакт с испытуемым материалом. Для этого используют груз. Но, допускается и ручной жим.

Мгновенное измерение проводят за 1 секунду. Однако, обычно, показатели снимают через 15 секунд. Для верности, проводят 5 замеров в разных местах поверхности.

Среднее значение – и есть число твердости. Оно может быть от 0 до 100. Такова шкала твердости Шора. Попробуем применить измерения не только при выборе автомобильных покрышек.

(Измененная редакция, Изм, № 4).

2.1.3. Поверхность опорной площадки прибора должна быть не менее 100 мм2.

2.1.4. Прибор для испытания должен обеспечивать:

предварительную нагрузку на индентор 0,55 Н (56 гс) для установки его в исходное положение, соответствующее нулевому значению шкалы;

проверку показания твердомера по максимальной твердости при установке на стеклянную или гладкую металлическую поверхность; при нажатии на головку прибора стрелка должна стоять против деления 100d= 1 на шкале;

погружение индентора в резину перпендикулярно к образцу.

Применение измерения по Шору

Твердость по Шору – таблица, способная указать на нюансы использования товаров. Так, если показатель ластика равен 20 единицам, значит, он художественный. Творцам нужны мягкие резинки, не портящие бумагу для рисования, способные деликатно растушевывать, к примеру, карандашные наброски.

Для канцелярских же целей, школы, или офиса, лучше подходят ластики с твердостью около 50 единиц Шора. Покупая герметик для строительства, работ по дому, важно знать, легко ли будет его вскрыть. К примеру, фиксировали некоторые швы в ванной.

Если герметик потемнеет, или потрескается, его придется выскабливать. Это сложнее, чем вычистить обычную затирку. Чем мягче и податливее герметик, тем проще будет его, так скажем, демонтаж.

У герметика твердость по Шору должна лежать в пределах 10-25 единиц. Иначе, товар не качественный.

Для велосипедных камер приемлемые единицы твердости по Шору гораздо меньше, чем для автомобильных покрышек. Для велика достаточно показателя в 30 баллов.

В разрез идут колеса скейтбордов. Даже у мягких вариаций должно быть 75 единиц. Для жестких колес скейтборда показатель, и вовсе, равен рекомендациям к цельнолитым шинам вилочных автопогрузчиков – 95-98 единиц.

Для сравнения, пластик строительных касок для защиты во время работ гарантирует лишь 75 баллов. Приобретение некачественного головного убора с твердостью по Шору этак в 40-60 может стоит жизни.

ГОСТ 20403-75* Резина. Метод определения твердости в международных единицах (от 30 до 100 IRHD)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

РЕЗИНА

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ В МЕЖДУНАРОДНЫХ ЕДИНИЦАХ (ОТ 30 ДО 100
IRHD)
ГОСТ 20403-75 (СТ СЭВ 1970-79)

КОМИТЕТ СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ СССР МОСКВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

РЕЗИНА

Метод определения твердости в международных единицах (от 30 до 100
IRHD)
Rubber. Method for determination of hardness in international units (30 to 100 IRHD)

ГОСТ 20403-75

(CT
СЭВ 1970-79)

Срок действия с 01.01.81

до 01.01.96

Настоящий стандарт устанавливает метод определения твердости резин от 30 до 100 международных единиц IRHD.

Сущность метода заключается в измерении разности между глубиной погружения индентора в образец под действием предварительной и общей нагрузок. В зависимости от размера образцов испытания проводят на твердомере или микротвердомере. Дополнительные сведения по применению метода приведены в справочном приложении.

1а. МЕТОД ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1a.1. Образцы для испытаний должны соответствовать требованиям ГОСТ 269-66.

1а.2. Верхняя и нижняя поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными друг другу.

Разность между максимальной и минимальной толщиной образца не должна превышать 0,2 мм.

1а.3. Толщина образцов для испытания на твердомере должна быть 8 — 10 мм. Допускается применять образцы толщиной не менее 4 мм, при этом толщину образцов и предельное отклонение на толщину образцов следует указывать в нормативно-технической документации на конкретную продукцию и методы ее испытания.

Для получения требуемой толщины допускается наложение двух образцов, если они имеют плоские параллельные поверхности.

(Измененная редакция, Изм. № 2).

1а.4. Толщина образцов для испытаний на микротвердомере должна быть (2,0 ± 0,5) мм.

Допускается применять образцы толщиной не менее 1 мм, при этом толщину образца и предельное отклонение на толщину следует указывать в нормативно-технической документации на конкретную продукцию и методы ее испытаний.

1а.5. Испытания проводят на одном образце.

Разд. . Введен дополнительно, Изм. № 1.

АППАРАТУРА

1.1. Твердомер и микротвердомер должны иметь следующие основные части:

индентор в виде шара или стержня с полушаровой поверхностью на конце;

устройство для приложения к индентору предварительной и общей нагрузок. Общая нагрузка представляет собой сумму предварительной и основной нагрузок. Предварительная нагрузка определяется силовым воздействием на образец массы индентора, связанных с ним деталей и усилия, создаваемого индикатором;

устройство для измерения глубины погружения индентора, шкала которого должна быть градуирована в международных единицах твердости резины IRHD или в метрических единицах длины (0,01 мм);

плоская лапка для прижима образца, перпендикулярная к оси индентора. Лапка должна иметь отверстие в центре для прохождения индентора;

устройство, обеспечивающее вибрацию узла установки индентора и предназначенное для устранения трения. Устройство можно не применять в приборах, в которых трение устранено.

Параметры твердомера приведены в табл. .

Таблица 1

Основные параметры, мм

Нагрузка, Н

предварительная

основная

общая

на прижимную лапку

Диаметр шара или полушара 2,50 ± 0,01

Наружный диаметр прижимной лапки 20 ± 1

Внутренний диаметр прижимной лапки 6 ± 1

0,30 ± 0,02

(0,294 ± 0,020)

5,40 ± 0,01

5,70 ± 0,03

(5,688 ± 0,029)

8,3 ± 1,5

(8,336 ± 1,471)

Параметры микротвердомера приведены в табл. .

Таблица 1а

Основные параметры, мм

Нагрузка, мН

предварительная

основная

общая

на прижимную лапку

Диаметр шара или полушара 0,395 ± 0,005

Наружный диаметр прижимной лапки 3,35 ± 0,15

Внутренний диаметр прижимной лапки 1,00 ± 0,15

8,3 ± 0,5

(8,3 ± 0,5)

145 ± 0,5

153,3 ± 1,0

(154 ± 1)

235 ± 30

(235 ± 30)

Примечание к табл. и .

Приборы, изготовленные до 01.12.92, могут иметь нагрузки, указанные в скобках.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).

1.2. Толщиномер индикаторный по ГОСТ 11358-89 с ценой деления 0,01 мм.

1.3. Секундомер механический или другое средство измерения времени с погрешностью не более 1 с.

1.2 — 1.3. (Измененная редакция, Изм. № 1).

1.4. Термометр жидкостный стеклянный ГОСТ 28498-90 с диапазоном температуры от 0 до 100 °С с допускаемой погрешностью измерения не более ±1 °С или термометры другого типа с соответствующими диапазоном и погрешностью.

(Введен дополнительно, Изм. № 2).

Разд. 2. (Исключен, Изм. № 1).

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

3.1. Испытания проводят не ранее, чем через 16 ч и не позднее, чем через 28 сут после вулканизации.

Допускается проводить испытания через другие промежутки времени, указанные в нормативно-технической документации на конкретную продукцию.

3.2. Перед испытанием образцы кондиционируют при температуре (23 ± 2) °С не менее 3 ч, при этом образцы должны быть защищены от воздействия прямых солнечных лучей.

(Измененная редакция, Изм. № 2).

3.3. Испытания проводят при температуре кондиционирования.

3.4. Образец помещают на плоский предметный стол прибора и включают вибратор, если он имеется.

3.5. При испытании на твердомере расстояние от края образца до точки измерения должно соответствовать приведенному в табл. .

Для образцов, толщина которых не приведена в табл. , расстояние от точки измерения до края образца определяют интерполяцией.

При испытании на микротвердомере расстояние от края образца до точки измерения должно быть не менее 2 мм.

Таблица 3*

мм

Толщина испытуемого образца	Расстояние от точки измерения до края испытуемого образца, не менее
4	7,0
6	8,0
8	9,0
9	9,0
10	10,0
15	11,5
25 и более	13,0

* Табл. 2 исключена.

3.6. Прижимной лапкой прижимают образец к поверхности предметного стола, опускают индентор до соприкосновения шара с образцом и выдерживают в течение 5 — 8 с под действием предварительной нагрузки.

3.6.1. Если шкала глубины погружения индентора градуирована в единицах IRHD, то по истечении указанного периода действия предварительной нагрузки шкалу устанавливают на 100 и сразу прикладывают основную нагрузку плавно без удара. Через (30 ± 2) с после действия общей нагрузки отмечают показание по шкале, которое является результатом измерения твердости в выбранной точке образца.

3.6.2. Если шкала устройства для измерения глубины погружения индентора градуирована в метрических единицах длины, то по истечении указанного в п. 3.6 периода действия предварительной нагрузки, шкалу устанавливают на нуль и сразу прикладывают основную нагрузку, проводя далее измерение по п. 3.6.1.

Допускается после действия предварительной нагрузки не устанавливать стрелку на нуль, а отмечать показание по шкале и вычесть его из значения, отмеченного по шкале после действия общей нагрузки.

3.7. Проводят по одному измерению не менее, чем в трех точках, в разных местах образца. При применении прибора с одновременным измерением твердости в трех точках проводят одно измерение.

Разд. . (Измененная редакция, Изм. № 1).

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Если шкала градуирована в единицах IRHD, за величину твердости принимают показание по шкале прибора.

4.2. Если шкала градуирована в 0,01 мм, то глубину погружения индикатора, установленную по п. 3.6.2, при испытании на твердомере переводят в твердость IRHD по табл. , а при испытании на микротвердомере — умножают на коэффициент 6,00 и полученное значение переводят в твердость IRHD по табл. .

Таблица 4

Перевод значений в международные единицы твердости

Глубина погружения h 0,01 мм	Твердость в международных единицах IRHD	Глубина погружения h 0,01 мм	Твердость в международных единицах IRHD	Глубина погружения h 0,01 мм	Твердость в международных единицах IRHD
0	100	61	65,0	122	42,3
1	100	62	64,5	123	41,9
2	99,9	63	64,0	124	41,7
3	99,8	64	63,5	125	41,4
4	99,6	65	63,0	126	41,1
5	99,3	66	62,5	127	40,9
6	99,0	67	62,0	128	40,6
7	98,6	68	61,5	129	40,4
8	98,1	69	61,1	130	40,1
9	97,7	70	60,6	131	39,9
10	97,1	71	60,1	132	39,6
11	96,5	72	59,7	133	39,4
12	95,9	73	59,2	134	39,1
13	95,3	74	58,8	135	38,9
14	94,7	75	58,3	136	38,7
15	94,0	76	57,9	137	38,4
16	93,4	77	57,5	138	38,2
17	92,7	78	57,0	139	38,0
18	92,0	79	56,6	140	37,8
19	91,3	80	56,2	141	37,5
20	90,6	81	55,8	142	37,3
21	89,8	82	55,4	143	37,1
22	89,2	83	55,0	144	36,9
23	88,5	84	54,6	145	36,7
24	87,8	85	54,2	146	36,5
25	87,1	86	53,8	147	36,2
26	86,4	87	53,4	148	36,0
27	85,7	88	53,0	149	35,8
28	85,0	89	52,7	150	35,6
29	84,3	90	52,3	151	35,4
30	83,6	91	52,0	152	35,2
31	82,9	92	51,6	153	35,0
32	82,2	93	51,2	154	34,8
33	81,5	94	50,9	155	34,6
34	80,9	95	50,5	156	34,4
35	80,2	96	50,2	157	34,2
36	79,5	97	49,8	158	34,0
37	78,9	98	49,5	159	33,8
38	78,2	99	49,1	160	33,6
39	77,6	100	48,8	161	33,4
40	77,0	101	48,5	162	33,2
41	76,4	102	48,1	163	33,0
42	75,8	103	47,8	164	32,8
43	75,2	104	47,5	165	32,6
44	74,5	105	47,1	166	32,4
45	73,9	106	46,8	167	32,3
46	73,3	107	46,5	168	32,1
47	72,7	108	46,2	169	31,9
48	72,2	109	45,9	170	31,7
49	71,6	110	45,6	171	31,6
50	71,0	111	45,3	172	31,4
51	70,4	112	45,0	173	31,2
52	69,8	113	44,7	174	31,1
53	69,3	114	44,4	175	30,9
54	68,7	115	44,1	176	30,7
55	68,2	116	43,8	177	30,5
56	67,6	117	43,5	178	30,4
57	67,1	118	43,3	179	30,2
58	66,6	119	43,0	180	30,0
59	66,0	120	42,7
60	65,5	121	42,5

4.3. За результат испытания принимают среднее арифметическое или медиану всех измерений в единицах IRHD, округленные до целого числа. При проведении арбитражных испытаний за результат принимают среднее арифметическое значение всех измерений в единицах IRHD, округленное до целого числа. Пример определения медианы приведен в приложении.

(Измененная редакция, Изм. № 2).

4.4. При применении прибора с одновременным измерением твердости в трех точках и автоматическим усреднением результатов за величину твердости образца принимают показание прибора в международных единицах твердости, округленное до целого числа.

Если шкала устройства для измерения глубины погружения инденторов градуирована в 0,01 мм, то глубину погружения, которую показывает устройство, переводят в твердость по табл. и округляют до целого числа.

4.5. Результаты испытаний сравнимы для образцов одинаковой толщины, изготовленных одним способом, содержащих одинаковое число слоев и испытанных на приборе одного типа — твердомере или микротвердомере.

4.6. Результаты испытаний оформляют протоколом, в котором должны быть указаны:

дата испытания;

условное обозначение резины;

режим и дата вулканизации;

вид испытуемой поверхности (формованная, шлифованная и т.д.);

толщина образца и количество слоев, из которых он состоит;

тип прибора (твердомер или микротвердомер);

показания прибора для каждого измерения;

обозначение настоящего стандарта.

Вид испытуемой поверхности, толщину образца, количество слоев, из которых он состоит, в протокол не включают, если они приведены в нормативно-технической документации на резины и методы их испытаний.

Разд. . (Измененная редакция, Изм. № 1).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочное

Дополнительные сведения по применению метода

1. Метод определения твердости предусматривает применение твердомера для испытания относительно толстых образцов и микротвердомера для испытания более тонких образцов.

Твердомеры и микротвердомеры могут быть использованы также для испытания изделий по методике, утвержденной в установленном порядке, применительно к конкретному виду изделия.

Результаты определения твердости на образцах и изделиях не сопоставимы.

Параметры микротвердомера уменьшены по сравнению с параметрами твердомера таким образом, что при испытании образцов толщиной 8 — 10 мм на твердомере и образцов толщиной 2 мм на микротвердомере получаются приблизительно одинаковые результаты. Шкала твердости выбрана так, что нуль соответствует твердости материала с модулем упругости, равным нулю, а 100 — твердости материала с модулем упругости, равным бесконечности. Кроме того, в пределах большей части диапазона твердости выполняются следующие условия:

для резин средней твердости одна международная

для высокоэластичных резин значения твердости в международных единицах и по Шору А близки между собой.

Зависимость глубины проникновения индентора от твердости IRHD основана на:

зависимости между глубиной проникновения индентора в резину и модулем упругости, вычисляемой по формуле

/
M
= 0,0038·
r
0,65·
h
1,35,

где F

— сила, Н;

— модуль Юнга, МН/м2;

— радиус шара, мм;

— глубина проникновения индентора, 0,01 мм.

Эта формула приблизительна и хорошо выполняется для высокоэластичных изотропных материалов, например, хорошо свулканизованных резин на основе натурального каучука;

применении вероятностной кривой (интегрированная зависимость нормального распределения ошибок), связывающей lg М

и твердость в единицах IRHD (чертеж). В точке перегиба lg
М
= 0,364, а максимальный наклон равен 57 единиц IRHD на единицу увеличения lg
М.
Зависимость твердости резины от модуля упругости

2. Медиана — число с порядковым номером (n

+1)/2 для нечетного количества чисел, расположенных в порядке возрастания; среднее арифметическое чисел с порядковыми номерами (
n
/2 + 1) и
n
/2 для четного количества чисел, расположенных в порядке возрастания.

Пример. Для нечетного количества чисел 71, 72, 69, расположенных в порядке возрастания 69, 71, 72, где n

= 3, медианой является число с порядковым номером 2 ((3+1)/2 = 2), т.е. 71.

Для четного количества чисел 71, 72, 68, 69, расположенных в порядке возрастания 68, 69, 71, 72, где n

= 4, медианой является среднее арифметическое чисел с порядковыми номерами (4/2 + 1 = 3) и 2 (4/2 = 2), т.е. 69 и 71. Медиана равна их среднему арифметическому, т.е. 70.

(Измененная редакция, Изм. № 2).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством химической и нефтеперерабатывающей промышленности СССР

РАЗРАБОТЧИКИ

Ю.Л. Морозов,

д-р техн. наук;
Е.Е. Ковалева; М.Е. Вараксин,
канд. техн. наук;
А.М. Кучерский,
канд. техн. наук;
Т.Н. Васильева; Л.К. Любавская; Т.П. Федулова; Б.М. Чаусова
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 06.01.75 № 11

3. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 1970-79

4. Стандарт соответствует ИСО 48-79

5. ВЗАМЕН ГОСТ 13331-67

6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на которые дана ссылка	Номер пункта
ГОСТ 269-66	1а.1
ГОСТ 11358-89	1.2
ГОСТ 28498-90	1.4

7. Срок действия продлен до 01.01.96 Постановлением Госстандарта СССР от 28.06.90 № 1994

8. ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1991 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в июне 1981 г., июне 1990 г. — ИУС8-81, 10-90)

СОДЕРЖАНИЕ

1а. Метод отбора образцов. 1

1. Аппаратура. 2

3. Проведение испытаний. 3

4. Обработка результатов. 4

Приложение. Дополнительные сведения по применению метода. 5