ASTM D2240

ASTM D2240 — это стандартный метод испытаний Американского общества по испытаниям материалов (ASTM International), который описывает процедуру измерения твёрдости эластомеров, пластмасс, резин и других неметаллических материалов с помощью вдавливания индентора определённой формы под действием калиброванной пружины. Стандарт устанавливает классификацию шкал твёрдости (от A до R, а также D, 00, 0 и другие), методику проведения измерений, требования к оборудованию и условия отчёта результатов. Метод широко применяется в промышленности для контроля качества, научных исследований и приёмосдаточных испытаний полимерных материалов.

История и происхождение

Разработка стандарта ASTM D2240 началась в середине XX века, когда возникла потребность в унифицированном методе измерения твёрдости для быстро развивающейся промышленности пластмасс и резин. Первая версия стандарта была утверждена в 1964 году под названием «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness». С тех пор документ многократно пересматривался и дополнялся: последняя редакция (на 2024 год) — ASTM D2240-15(2021), которая включает уточнения по калибровке приборов и расширенный перечень шкал.

Стандарт базируется на принципе, впервые предложенном Альбертом Шором (Albert Shore) в 1920-х годах. Шор разработал устройство — дюрометр (Shore durometer), которое измеряет глубину вдавливания индентора под действием пружины. Метод Шора лёг в основу нескольких национальных и международных стандартов, включая ASTM D2240, ISO 868, DIN 53505 и ГОСТ 24621-91 (в России). В отличие от европейских стандартов, ASTM D2240 охватывает большее количество шкал и детализирует требования к форме индентора для каждой из них.

Классификация шкал твёрдости

ASTM D2240 определяет несколько шкал твёрдости, каждая из которых предназначена для определённого диапазона упругости и жёсткости материалов. Основные шкалы:

• Шкала A — для мягких эластомеров, резин, термоэластопластов. Индентор — усечённый конус с углом 35° и диаметром площадки 0,79 мм. Диапазон: от 0 до 100 единиц (типичные значения: 30–90).
• Шкала D — для твёрдых пластмасс, жёстких резин, эбонита. Индентор — заострённый конус с углом 30° и радиусом закругления 0,1 мм. Диапазон: от 0 до 100 единиц (типичные значения: 50–90).
• Шкала 00 — для очень мягких материалов (гели, пены, мягкие силиконы). Индентор — сфера диаметром 2,38 мм. Диапазон: от 0 до 100 единиц.
• Шкала 0 — для мягких эластомеров и пен с низкой упругостью. Индентор — сфера диаметром 1,19 мм.
• Шкалы B, C, E, F, G, H, J, K, L, M, N, O, P, R — для специальных материалов (например, шкала M — для тонких листовых пластмасс, шкала R — для резиновых роликов и покрытий).

Каждая шкала имеет свой тип индентора (форма, угол, радиус) и усилие пружины, что обеспечивает сопоставимость результатов только в пределах одной шкалы. Пересчёт между шкалами (например, из A в D) возможен лишь эмпирически и не гарантирует точности, так как зависимость нелинейна и зависит от вязкоупругих свойств материала.

Устройство и принцип работы

Измерение по ASTM D2240 выполняется с помощью дюрометра (твёрдомера) — портативного или стационарного прибора, состоящего из следующих основных частей:

• Индентор — сменный наконечник, форма которого соответствует выбранной шкале (конус, усечённый конус, сфера).
• Пружина — калиброванная, создающая усилие, пропорциональное глубине вдавливания. Усилие для разных шкал различно: например, для шкалы A — 822 г (8,06 Н) при полном вдавливании, для шкалы D — 4536 г (44,5 Н).
• Измерительный механизм — индикатор часового типа или цифровой датчик, показывающий глубину вдавливания в единицах твёрдости (от 0 до 100).
• Опорная площадка — плоская поверхность, к которой прижимается образец.

Принцип измерения: индентор вдавливается в образец под действием пружины; глубина вдавливания преобразуется в значение твёрдости по шкале прибора. Чем твёрже материал, тем меньше глубина и выше число. Для вязкоупругих материалов (резина, полимеры) показания могут изменяться во времени из-за релаксации, поэтому стандарт регламентирует время выдержки (обычно 1 секунда для мгновенного показания или 15 секунд для равновесного).

Методика проведения испытаний

ASTM D2240 устанавливает строгую процедуру для обеспечения воспроизводимости результатов:

1. Подготовка образца: образец должен иметь толщину не менее 6 мм (для шкал A и D) или 3 мм (для шкал 00 и 0). Допускается складывание нескольких слоёв, если материал тонкий. Поверхность должна быть гладкой, без трещин и загрязнений.
2. Калибровка прибора: перед каждым испытанием дюрометр проверяют с помощью эталонных блоков или калибровочного стенда. Отклонение не должно превышать ±1 единицу.
3. Проведение измерения: индентор прижимают к образцу перпендикулярно поверхности с усилием, достаточным для обеспечения плотного контакта опорной площадки. Показание считывают через заданное время (1 с или 15 с). Для каждого образца выполняют не менее 5 измерений в разных точках, отстоящих друг от друга не менее чем на 6 мм.
4. Обработка результатов: вычисляют среднее арифметическое значение и, при необходимости, стандартное отклонение. Результат округляют до целого числа.

Применение

Метод ASTM D2240 используется в различных отраслях промышленности, где требуется контроль твёрдости полимерных материалов:

• Производство резиновых изделий: шины, уплотнители, шланги, прокладки. Твёрдость по шкале A — один из ключевых параметров, определяющих эксплуатационные свойства (например, для автомобильных шин типичное значение — 60–70 единиц по шкале A).
• Пластмассовая промышленность: детали из полиэтилена, полипропилена, полиамида, акрила. Для жёстких пластмасс применяют шкалу D.
• Производство обуви: подошвы, стельки, каблуки. Твёрдость влияет на износостойкость и комфорт.
• Медицинские изделия: катетеры, протезы, силиконовые имплантаты. Здесь важна точность в мягком диапазоне (шкала 00).
• Строительные материалы: герметики, пенополиуретан, битумные мастики.
• Научные исследования: изучение вязкоупругих свойств полимеров, влияние температуры и старения на твёрдость.

Ограничения и критика

Несмотря на широкое распространение, ASTM D2240 имеет ряд ограничений:

• Зависимость от времени: для вязкоупругих материалов показания могут дрейфовать, что требует строгого соблюдения временных интервалов.
• Влияние температуры: твёрдость большинства полимеров снижается при нагреве, поэтому испытания проводят при стандартной температуре (23 ± 2 °C).
• Неприменимость для очень тонких образцов: при толщине менее 6 мм (для шкал A и D) результаты искажаются из-за влияния подложки.
• Субъективность оператора: скорость приложения усилия и угол наклона индентора могут влиять на результат, особенно для мягких материалов.
• Отсутствие прямой корреляции с другими механическими свойствами: твёрдость по Шору не является прямым показателем прочности, модуля упругости или износостойкости, хотя эмпирические зависимости существуют.

В России и странах СНГ аналогом ASTM D2240 является ГОСТ 24621-91 «Пластмассы и эбонит. Определение твёрдости вдавливанием с помощью дюрометра (шкала Шора A и D)», который практически идентичен по методике, но ограничен двумя шкалами.

Интересные факты

• Единица твёрдости по Шору не имеет размерности и обозначается как «Shore A», «Shore D» и т. д. Например, запись «70 Shore A» означает 70 единиц по шкале A.
• Для пересчёта между шкалами A и D существует эмпирическая формула: Shore D ≈ 0,44 × Shore A + 20, но она приблизительна и не рекомендуется для точных расчётов.
• Самый мягкий материал, измеряемый по шкале 00, — это силиконовые гели для косметологии (0–10 единиц), а самый твёрдый по шкале D — эбонит (90–100 единиц).
• В некоторых отраслях (например, в производстве шин) вместо ASTM D2240 используют международный стандарт ISO 868, который отличается только количеством шкал (A и D) и некоторыми деталями калибровки.

Источники

• ASTM D2240-15(2021) «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness».
• ГОСТ 24621-91 «Пластмассы и эбонит. Определение твёрдости вдавливанием с помощью дюрометра (шкала Шора A и D)».
• ISO 868:2003 «Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)».
• Шор, А. Ф. «Устройство для измерения твёрдости резин» (патент США № 1,775,129, 1930).
• Малкин, А. Я. «Методы измерения твёрдости полимеров» // Журнал «Пластические массы», 1985, № 4, с. 12–15.