Шкала D

Шкала D — это специальная шкала для измерения твёрдости материалов по методу вдавливания, разработанная в рамках стандарта Шора (Shore) и предназначенная для оценки твёрдости твёрдых пластмасс, эбонита, твёрдой резины, акриловых стекол и других жёстких полимерных материалов. В отличие от более мягкой шкалы A, шкала D используется для материалов, которые не деформируются под действием индентора с тупым концом. Метод основан на измерении глубины проникновения в материал специального наконечника (индентора) под действием стандартной пружины. Результат измерения выражается в условных единицах от 0 до 100, где 100 соответствует твёрдости закалённой стали, а 0 — полному отсутствию сопротивления вдавливанию.

История и происхождение

Шкала D, как и другие шкалы Шора, была разработана американским инженером и предпринимателем Альбертом Фердинандом Шором (Albert Ferdinand Shore) в начале XX века. В 1915 году Шор основал компанию Shore Instrument & Manufacturing Company, которая занималась производством приборов для измерения твёрдости. Первоначально Шор создал шкалу A для измерения твёрдости мягких резин и эластомеров. Однако с развитием промышленности и появлением новых материалов — твёрдых пластмасс, полиуретанов, акрилов — потребовалась более жёсткая шкала. В 1920-х годах Шор разработал шкалу D, которая использует более острый индентор (с углом при вершине 30° и радиусом закругления 0,1 мм) и более сильную пружину (с силой 44,5 Н при полном вдавливании). Это позволило измерять твёрдость материалов, которые не поддаются шкале A.

В 1930-х годах шкала D была стандартизирована в США, а затем вошла в международные стандарты ASTM D2240 (США) и ISO 868 (международный). В СССР и России метод измерения твёрдости по Шору (шкалы A и D) регламентируется ГОСТ 263-75 (для резины) и ГОСТ 24621-91 (для пластмасс). На сегодняшний день шкала D является одной из наиболее распространённых в мире для оценки твёрдости твёрдых полимеров.

Принцип измерения

Измерение твёрдости по шкале D производится с помощью дюрометра (твердомера) Шора типа D. Принцип действия основан на вдавливании индентора в поверхность материала под действием пружины с заданной силой. Индентор представляет собой стальной закалённый наконечник в форме усечённого конуса с углом при вершине 30° и радиусом закругления 0,1 мм. Сила пружины при полном вдавливании (на глубину 2,5 мм) составляет 44,5 Н (около 4,54 кгс). В начальном положении (при нулевом вдавливании) сила пружины равна нулю.

Процедура измерения:

1. Образец материала помещают на твёрдую горизонтальную поверхность.
2. Дюрометр устанавливают вертикально, прижимая его к образцу.
3. Индентор вдавливается в материал под действием пружины.
4. Через определённое время (обычно 1 секунду или 15 секунд — в зависимости от стандарта) снимают показания с циферблата или цифрового дисплея.
5. Результат выражается в единицах Шора D (Shore D).

Глубина вдавливания обратно пропорциональна твёрдости: чем меньше глубина, тем выше число по шкале. Шкала откалибрована таким образом, что 0 соответствует полному вдавливанию индентора на 2,5 мм (материал не оказывает сопротивления), а 100 — нулевому вдавливанию (абсолютно твёрдое тело). На практике значения выше 95 встречаются редко, так как большинство полимеров имеют твёрдость в диапазоне 30–90 единиц.

Отличие от шкалы A

Шкала D и шкала A являются частью единой системы Шора, но предназначены для разных диапазонов твёрдости. Основные различия:

На практике, если материал показывает твёрдость более 90 по шкале A, рекомендуется перейти на шкалу D, так как индентор шкалы A может не проникнуть в материал на достаточную глубину. Существует эмпирическая формула пересчёта: Shore D ≈ 0,5 × Shore A + 50, однако она даёт лишь приблизительное значение и не заменяет прямого измерения.

Применение

Шкала D широко используется в различных отраслях промышленности для контроля качества и сертификации материалов. Основные области применения:

• Производство пластмасс: измерение твёрдости полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), полипропилена, полистирола, поливинилхлорида (ПВХ), акриловых стекол (оргстекло), полиамидов (нейлон), поликарбоната.
• Резинотехническая промышленность: контроль твёрдости твёрдых резин (эбонит), резиновых смесей для шин, уплотнителей, роликов.
• Автомобильная промышленность: оценка твёрдости деталей салона (панели приборов, рулевые колёса), шин, амортизаторов.
• Производство обуви: измерение твёрдости подошв из полиуретана, термопластичного эластомера (ТПЭ), резины.
• Строительство: контроль твёрдости напольных покрытий (линолеум, виниловая плитка), герметиков, мастик.
• Медицина: оценка твёрдости зубных протезов, ортопедических изделий, силиконовых имплантатов (для твёрдых типов).
• Научные исследования: изучение механических свойств полимеров, композитов, эластомеров.

Ограничения и критика

Метод измерения твёрдости по шкале D имеет ряд ограничений:

• Зависимость от температуры: твёрдость полимеров сильно зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры материал становится мягче, что приводит к занижению показаний. Стандарты предписывают проводить измерения при 23 ± 2 °C.
• Зависимость от времени: после вдавливания индентора материал может продолжать деформироваться (ползучесть). Поэтому показания могут изменяться со временем. Стандарты регламентируют время выдержки (обычно 1 с или 15 с).
• Влияние толщины образца: для получения достоверных результатов образец должен быть достаточно толстым (не менее 6 мм), иначе подложка может влиять на измерение. Для тонких образцов требуется их укладка в несколько слоёв.
• Непригодность для очень твёрдых материалов: для металлов, керамики, стекла шкала D не подходит, так как индентор не проникает в материал. Для таких материалов используются другие методы (Роквелл, Бринелль, Виккерс).
• Непригодность для очень мягких материалов: для материалов с твёрдостью менее 20 по шкале D точность измерения низкая, рекомендуется использовать шкалу A.
• Субъективность оператора: на результат может влиять скорость прижатия дюрометра, угол наклона, сила прижатия. Для повышения точности используются автоматизированные стенды.

Стандарты и нормативные документы

Измерение твёрдости по шкале D регламентируется следующими стандартами:

• ASTM D2240 (США) — наиболее распространённый международный стандарт, описывающий методы измерения твёрдости резины и пластмасс по Шору (шкалы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S).
• ISO 868 (международный) — стандарт, аналогичный ASTM D2240, но с некоторыми отличиями в процедуре.
• ГОСТ 24621-91 (Россия) — «Пластмассы. Определение твёрдости по Шору методом вдавливания индентора».
• ГОСТ 263-75 (Россия) — «Резина. Метод определения твёрдости по Шору».
• DIN 53505 (Германия) — стандарт для измерения твёрдости резины и эластомеров.

Интересные факты

• Шкала D часто используется для оценки твёрдости каучуков, используемых в производстве мячей для гольфа. Твёрдость мяча влияет на его упругость и дальность полёта.
• В некоторых отраслях (например, в производстве роликов для конвейеров) используется шкала DO (Shore DO), которая является промежуточной между шкалами A и D и предназначена для материалов средней твёрдости.
• Значение 100 по шкале D соответствует твёрдости закалённой стали, однако на практике дюрометры редко калибруются на такие значения, так как для металлов существуют более точные методы.
• В СССР и России долгое время использовался метод измерения твёрдости по ТМ-2 (твердомер по ГОСТ 263-75), который по сути является аналогом шкалы A. Шкала D стала применяться позже, с развитием производства твёрдых пластмасс.

Источники

• ASTM D2240-15 Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness
• ISO 868:2003 Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)
• ГОСТ 24621-91 Пластмассы. Определение твёрдости по Шору методом вдавливания индентора
• ГОСТ 263-75 Резина. Метод определения твёрдости по Шору
• Шор, Альберт Фердинанд. История создания дюрометра. Shore Instrument & Manufacturing Company, 1915.
• Твёрдость полимеров: методы измерения и стандарты. Журнал «Пластические массы», 2018, № 4.
• Справочник по физико-механическим испытаниям полимеров. Под ред. В. А. Каргина. М.: Химия, 1975.