Дюрометр

Дюрометр — это прибор для измерения твёрдости материалов, в первую очередь полимеров, эластомеров (резин) и мягких металлов, методом вдавливания индентора под действием калиброванной пружины. Результат измерения выражается в условных единицах по одной из шкал твёрдости (например, Шор A, D, O, R), которые не имеют физической размерности, а являются относительной мерой сопротивления материала вдавливанию. Дюрометры широко применяются в промышленности для контроля качества резинотехнических изделий, пластмасс, покрытий, а также в лабораторных исследованиях.

История

Первые попытки количественной оценки твёрдости материалов относятся к XVIII—XIX векам, когда были разработаны методы Бринелля, Роквелла и Виккерса для металлов. Однако для мягких и эластичных материалов, таких как резина, эти методы оказались малопригодными из-за разрушения образца или нелинейной деформации.

В 1915 году американский инженер и изобретатель Альберт Фердинанд Шор (Albert Ferdinand Shore) предложил специальный прибор для измерения твёрдости резины, который получил название «дюрометр» (от лат. durus — твёрдый и греч. metron — мера). Шор разработал шкалу, основанную на глубине вдавливания затупленной иглы под действием пружины. Первоначально прибор использовался в обувной промышленности для контроля качества резиновых подошв. Впоследствии шкала Шора была стандартизирована и получила международное признание.

В 1920-е годы дюрометры начали применяться в шинной промышленности и производстве технических резин. К середине XX века были разработаны различные модификации шкал (A, D, O, R, C и др.), адаптированные для разных диапазонов твёрдости — от очень мягких гелей до твёрдых пластмасс. В СССР и России дюрометры выпускались по ГОСТ 263-75 (ныне ГОСТ 263-2020), который гармонизирован с международным стандартом ISO 868.

Устройство и принцип действия

Дюрометр состоит из следующих основных узлов:

• Корпус — обычно из металла или ударопрочного пластика, обеспечивающий защиту внутренних механизмов и удобство удержания.
• Индентор — закалённый стальной наконечник определённой формы (игла, шарик, усечённый конус) в зависимости от типа шкалы. Для шкалы A используется усечённый конус с углом 35° и плоской вершиной диаметром 0,79 мм; для шкалы D — конус с углом 30° и радиусом закругления 0,1 мм.
• Пружина — калиброванная, создающая заданное усилие прижатия индентора к образцу. Усилие зависит от типа шкалы и глубины вдавливания.
• Измерительный механизм — механический (стрелочный индикатор с зубчатой передачей) или электронный (тензодатчик, потенциометр, ёмкостный датчик перемещения).
• Опорная площадка (прижимная плита) — плоская поверхность вокруг индентора, обеспечивающая перпендикулярность приложения усилия и ограничивающая глубину вдавливания.

Принцип действия основан на измерении глубины проникновения индентора в образец под действием пружины. Чем мягче материал, тем глубже вдавливается индентор, и тем меньше значение на шкале (от 0 для минимальной твёрдости до 100 для максимальной). Твёрдость по Шору определяется как разность между максимальным ходом индентора (100 единиц) и глубиной его вдавливания, выраженной в условных единицах.

Классификация и типы дюрометров

Дюрометры классифицируются по нескольким признакам.

По типу шкалы (по Шору)

Наиболее распространённые шкалы:

• Шкала A (Shore A) — для мягких резин, эластомеров, термопластичных полимеров, мягких пластмасс. Усилие пружины — 8,064 Н (822 гс). Диапазон — от 0 (очень мягкий) до 100 (очень твёрдый). Применяется для резиновых уплотнителей, шин, подошв, игрушек.
• Шкала D (Shore D) — для твёрдых резин, твёрдых пластмасс, акрилов, полистирола, твёрдых полиуретанов. Усилие пружины — 44,5 Н (4536 гс). Диапазон — от 0 (мягкий) до 100 (очень твёрдый). Используется для кабельной изоляции, корпусов приборов, деталей машин.
• Шкала O (Shore O) — для очень мягких резин, пенопластов, гелей, текстильных покрытий. Усилие — 2,45 Н (250 гс). Применяется в производстве поролона, губок, амортизаторов.
• Шкала R (Shore R) — для резин с высокой упругостью (например, для шин). Усилие — 8,064 Н (822 гс), но с другим профилем индентора (сферический наконечник радиусом 1,19 мм). Используется реже.

Существуют также шкалы C, M, E, ASKER и др., адаптированные под конкретные материалы и стандарты (ASTM D2240, ISO 868, JIS K6253).

По типу индикации

• Механические (стрелочные) — простые, надёжные, не требуют источника питания. Показания считываются с циферблата. Недостаток — субъективность считывания и инерционность.
• Электронные (цифровые) — с жидкокристаллическим дисплеем, часто с памятью, возможностью вывода данных на компьютер, автоматическим усреднением. Более точные и удобные, но требуют батарейки и калибровки.
• Автоматические (стационарные) — устанавливаются на испытательные стенды, управляются программно, обеспечивают постоянную скорость нагружения и исключают влияние оператора. Используются в лабораториях и на производственных линиях.

По конструктивному исполнению

• Ручные портативные — наиболее распространённые, компактные, для полевых и цеховых измерений.
• Стационарные — настольные или напольные, с механизмом прижима образца, часто с автоматической подачей индентора.
• Специализированные — для измерения твёрдости в труднодоступных местах (например, на внутренней поверхности труб), с выносным датчиком или гибким зондом.

Методика измерения

Измерение твёрдости дюрометром регламентируется стандартами, в частности ASTM D2240 (США) и ISO 868 (международный). Основные этапы:

1. Подготовка образца — образец должен быть плоским, толщиной не менее 6 мм (для мягких материалов — не менее 10 мм), без трещин и посторонних включений. При недостаточной толщине допускается складывание нескольких слоёв.
2. Калибровка прибора — перед началом измерений дюрометр проверяют на эталонном блоке (обычно с твёрдостью 50–60 единиц по шкале A или D). При отклонении более 1 единицы прибор регулируют или отправляют в ремонт.
3. Установка прибора — дюрометр располагают вертикально, опорную площадку плотно прижимают к образцу. Для стационарных приборов образец фиксируют на столике.
4. Приложение нагрузки — индентор вдавливают в образец с постоянной скоростью (обычно за 1–2 секунды). Усилие создаётся пружиной.
5. Считывание показаний — для механических приборов показания снимают через 1–3 секунды после полного прижатия (время выдержки зависит от стандарта). Для электронных — результат отображается на дисплее.
6. Повторность — проводят не менее 5 измерений в разных точках образца, расстояние между которыми должно быть не менее 6 мм. Результат усредняют.

Применение

Дюрометры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях:

• Резиновая промышленность — контроль твёрдости резиновых смесей, готовых изделий (шин, уплотнителей, шлангов, ремней, ковриков).
• Пластмассовая промышленность — измерение твёрдости термопластов, эластомеров, полиуретанов, силиконов.
• Производство покрытий — контроль твёрдости лакокрасочных, полимерных и резиновых покрытий на металле, дереве, бетоне.
• Обувная промышленность — контроль твёрдости подошв, стелек, каблуков.
• Автомобильная промышленность — контроль твёрдости деталей салона, панелей приборов, уплотнителей дверей, шин.
• Медицина — измерение твёрдости силиконовых имплантатов, протезов, ортопедических изделий.
• Научные исследования — изучение механических свойств новых полимеров, композитов, биоматериалов.

Точность и ограничения

Точность измерения дюрометром зависит от ряда факторов:

• Толщина образца — при недостаточной толщине возможны искажения из-за влияния подложки.
• Форма образца — на криволинейных поверхностях показания могут быть занижены или завышены.
• Скорость нагружения — для вязкоупругих материалов (резина) показания зависят от времени выдержки.
• Температура — твёрдость полимеров существенно меняется при нагреве или охлаждении.
• Калибровка прибора — износ индентора или ослабление пружины приводят к систематической ошибке.

Дюрометр не позволяет измерять твёрдость по абсолютной шкале (например, в паскалях), а даёт лишь относительную величину, пригодную для сравнения материалов в рамках одной шкалы. Для пересчёта в другие единицы твёрдости (например, по Роквеллу или Бринеллю) существуют эмпирические таблицы, но они имеют ограниченную точность.

Интересные факты

• Шкала Шора A является одной из наиболее распространённых в мире для резин — по ней измеряют твёрдость даже канцелярских ластиков и мячей для гольфа.
• Дюрометры часто используются в быту: например, для проверки твёрдости силиконовых форм для выпечки или резиновых ковриков.
• В СССР дюрометры выпускались под маркой «ТМ» (твердомер) и «Д» (дюрометр), например, модель ТМ-2.
• Современные цифровые дюрометры могут автоматически переключаться между шкалами A, D, O и другими, а также сохранять до 1000 результатов измерений.

Источники

• ГОСТ 263-2020 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору».
• ISO 868:2003 «Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)».
• ASTM D2240-15 «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness».
• Shore A. F. «Durometer for Testing Rubber» // Journal of the Franklin Institute, 1915.
• Справочник по физико-механическим испытаниям резин / Под ред. В. Ф. Евстратова. — М.: Химия, 1976.
• Энциклопедия полимеров. — М.: Советская энциклопедия, 1972.