Склероскоп Шора

Склероскоп Шора — это прибор для измерения твёрдости материалов по методу упругого отскока (методу Шора). Относится к классу склерометров (приборов для измерения твёрдости). Принцип действия основан на измерении высоты отскока стандартного ударника (бойка) с алмазным или стальным наконечником, падающего с фиксированной высоты на испытуемую поверхность. Твёрдость по Шору (обозначается как HS, HSD или HSA в зависимости от шкалы) определяется как отношение высоты отскока к высоте падения, выраженное в условных единицах от 0 до 100. Прибор широко применяется для контроля твёрдости металлов, пластмасс, резин и других материалов, особенно в условиях, где невозможно использование статических методов (например, на крупных деталях или готовых изделиях).

История

Метод был разработан американским инженером и изобретателем Альбертом Фердинандом Шором (Albert Ferdinand Shore) в начале XX века. Первый патент на склероскоп был получен Шором в 1907 году. Первоначально прибор предназначался для контроля твёрдости стальных валков и других деталей машин, где требовался быстрый и неразрушающий контроль. В 1920-х годах метод получил распространение в промышленности США и Европы. В СССР склероскопы Шора начали применяться с 1930-х годов, в основном на металлургических и машиностроительных заводах. В 1950-х годах метод был стандартизирован в ряде стран, включая США (ASTM D2240 для резин и пластмасс, ASTM E448 для металлов) и СССР (ГОСТ 23273-78 для металлов). В настоящее время склероскопы Шора продолжают использоваться как портативные и оперативные средства контроля, хотя в лабораторной практике их часто вытесняют более точные статические методы (например, по Бринеллю или Виккерсу).

Принцип действия

Метод основан на измерении энергии, потерянной ударником при соударении с поверхностью. Стандартный ударник (боёк) массой около 30 г (для шкалы D) или 2,5 г (для шкалы A) падает с фиксированной высоты (обычно 254 мм для шкалы D) внутри вертикальной трубки. После удара о поверхность образца боёк отскакивает вверх. Высота отскока фиксируется визуально по шкале или электронным датчиком. Твёрдость по Шору (HS) рассчитывается как:

\[ HS = \frac{h}{H} \times 100 \]

где \( h \) — высота отскока, \( H \) — высота падения. Чем выше отскок, тем твёрже материал. Для металлов шкала D (HSD) калибруется так, что 100 единиц соответствует твёрдости закалённой стали (например, инструментальной стали с твёрдостью около 800 HV), а 0 — мягкому металлу (например, алюминию). Для резин и пластмасс используется шкала A (HSA), где боёк имеет меньшую массу и конический наконечник.

Виды и классификация

Склероскопы Шора делятся на несколько типов в зависимости от конструкции и области применения:

По типу шкалы

Шкала A (HSA) — для мягких материалов: резин, эластомеров, пластиков. Ударник массой 2,5 г с коническим наконечником (угол 35°). Высота падения 254 мм. Диапазон: 0–100 HSA.
Шкала D (HSD) — для твёрдых материалов: металлов, твёрдых пластиков, керамики. Ударник массой 30 г с алмазным или стальным наконечником (сфера радиусом 1 мм или конус 120°). Высота падения 254 мм. Диапазон: 0–100 HSD.
Шкала C (HSC) — для промежуточных материалов (редко используется). Ударник массой 30 г с коническим наконечником.

По конструкции

Механические (визуальные) — классические склероскопы с вертикальной трубкой и шкалой, на которой оператор визуально фиксирует высоту отскока. Требуют навыка и точного соблюдения вертикальности.
Электронные (цифровые) — оснащены датчиком (обычно оптическим или магнитным) для автоматического измерения высоты отскока и вывода значения на дисплей. Более точны и удобны, часто имеют память и возможность передачи данных.
Портативные — компактные модели для полевых условий, часто с магнитным креплением для работы на вертикальных поверхностях.
Лабораторные — стационарные приборы с высокой точностью, используемые для калибровки и поверки.

По области применения

Металлургические — для контроля твёрдости проката, поковок, отливок.
Резинотехнические — для измерения твёрдости резиновых изделий (шин, уплотнителей, прокладок).
Пластмассовые — для контроля твёрдости полимеров (например, ПВХ, полиэтилена, поликарбоната).
Строительные — для оценки твёрдости бетона, асфальта, камня (используется модифицированный метод).

Устройство

Типичный механический склероскоп Шора состоит из следующих основных узлов:

Корпус — металлическая или пластиковая трубка, обеспечивающая вертикальное направление падения бойка. Обычно имеет длину около 300–400 мм.
Ударник (боёк) — цилиндрический стержень с наконечником. Масса и форма наконечника зависят от шкалы. Для шкалы D боёк весит 30 г, наконечник — алмазный или из закалённой стали с радиусом закругления 1 мм.
Механизм сброса — кнопка или рычаг, который поднимает боёк на фиксированную высоту и затем отпускает его для свободного падения.
Шкала — градуированная линейка от 0 до 100, расположенная вдоль трубки. На бойке имеется метка (риска), по которой оператор считывает высоту отскока.
Опорное кольцо — нижняя часть прибора, которая прижимается к испытуемой поверхности для обеспечения стабильности и вертикальности.
Уровень — пузырьковый уровень для контроля вертикальности прибора (в некоторых моделях).

В электронных моделях вместо шкалы используется датчик (обычно оптический или магнитный), который фиксирует положение бойка в момент максимального отскока. Сигнал обрабатывается микропроцессором, и значение твёрдости выводится на жидкокристаллический дисплей.

Применение

Склероскопы Шора используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях:

Металлургия и машиностроение

Контроль твёрдости проката (листов, прутков, труб) на выходе из стана.
Оценка твёрдости поковок и отливок после термической обработки.
Контроль твёрдости валков прокатных станов, штампов, пресс-форм.
Неразрушающий контроль готовых деталей (шестерни, валы, корпуса) без вырезки образцов.

Резиновая и шинная промышленность

Измерение твёрдости резиновых смесей (по шкале A) для контроля качества сырья и готовых изделий.
Контроль твёрдости протектора шин, уплотнителей, ремней, шлангов.
Оценка степени вулканизации резины.

Пластмассовая промышленность

Контроль твёрдости полимерных материалов (ПВХ, полиэтилен, полипропилен, поликарбонат, акрил).
Оценка твёрдости композитных материалов (стеклопластики, углепластики).
Контроль качества изделий (трубы, панели, плёнки, упаковка).

Строительство

Оценка твёрдости бетона и асфальта (модифицированный метод, иногда с использованием специальных ударников).
Контроль твёрдости природного камня (гранит, мрамор) для облицовочных работ.

Научные исследования

Изучение зависимости твёрдости от состава, структуры и обработки материалов.
Сравнительный анализ твёрдости различных материалов.
Калибровка и поверка других методов измерения твёрдости.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Портативность — прибор компактен, не требует сложной установки, может использоваться в полевых условиях.
Неразрушающий контроль — на поверхности остаётся лишь небольшой отпечаток (для металлов — до 0,1 мм), что позволяет тестировать готовые изделия.
Быстрота — измерение занимает несколько секунд.
Простота — не требует специальной подготовки оператора (для механических моделей — минимальный навык).
Низкая стоимость — по сравнению с стационарными твердомерами (Бринелль, Виккерс, Роквелл).

Недостатки

Зависимость от упругих свойств материала — метод чувствителен к модулю упругости и внутреннему демпфированию, поэтому для материалов с разной упругостью (например, резина и сталь) результаты не сопоставимы напрямую.
Влияние шероховатости поверхности — грубая поверхность (шероховатость более Ra 5 мкм) искажает результаты.
Влияние толщины образца — для тонких образцов (менее 5 мм) требуется подложка или специальная оснастка.
Ограниченная точность — погрешность механических моделей может достигать 5–10 единиц HSD, электронных — 2–3 единицы.
Неприменимость для очень мягких или очень твёрдых материалов — для мягких (менее 10 HSA) отскок мал, для сверхтвёрдых (более 100 HSD) — боёк может разрушиться.

Соотношение с другими шкалами твёрдости

Существуют эмпирические таблицы и формулы для перевода твёрдости по Шору (HSD) в другие шкалы, но они имеют ограниченную точность и зависят от материала. Для металлов приблизительные соотношения:

100 HSD ≈ 800 HV (Виккерс) ≈ 65 HRC (Роквелл C)
80 HSD ≈ 400 HV ≈ 40 HRC
60 HSD ≈ 200 HV ≈ 20 HRC
40 HSD ≈ 100 HV ≈ 10 HRB (Роквелл B)

Для резин и пластмасс (шкала A) перевод в международную шкалу IRHD (International Rubber Hardness Degrees) возможен, но не является линейным. Стандарт ASTM D2240 содержит таблицы для перевода HSA в IRHD.

Стандарты и нормативные документы

В России и странах СНГ метод регламентируется следующими документами:

ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твёрдости методом упругого отскока (по Шору)» — основной стандарт для металлов.
ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору» — для резин (шкала A).
ГОСТ 24621-91 (ISO 868:1985) «Пластмассы. Определение твёрдости по Шору» — для пластмасс.

В международной практике используются:

ASTM D2240 — для резин и пластмасс.
ASTM E448 — для металлов.
ISO 868 — для пластмасс.
ISO 7619-1 — для резин.

Интересные факты

Альберт Шор также изобрёл другой метод измерения твёрдости — по глубине вдавливания (склерометр Шора), но именно метод отскока получил наибольшее распространение.
В СССР склероскопы Шора выпускались под марками «ТШ-2» (для металлов) и «ТШ-3» (для резин). Эти приборы до сих пор используются на некоторых предприятиях.
Метод отскока Шора лёг в основу современных портативных твердомеров, использующих принцип Либа (Leeb) — измерение скорости отскока ударника с помощью электромагнитной индукции.
Для калибровки склероскопов Шора используются эталонные образцы твёрдости (например, закалённая сталь с известной твёрдостью по Роквеллу или Виккерсу).

Источники

ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твёрдости методом упругого отскока (по Шору)».
ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору».
ГОСТ 24621-91 (ISO 868:1985) «Пластмассы. Определение твёрдости по Шору».
ASTM D2240-15 «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness».
ASTM E448-18 «Standard Practice for Scleroscope Hardness Testing of Metallic Materials».
ISO 868:2003 «Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)».
ISO 7619-1:2010 «Rubber, vulcanized or thermoplastic — Determination of indentation hardness — Part 1: Durometer method (Shore hardness)».
Шор А. Ф. Патент США № 864,789 (1907).
Хейвуд Р. Б. «Измерение твёрдости» (перевод с англ.), М.: Металлургия, 1975.
Кудрявцев И. В. «Твёрдость материалов и методы её измерения», М.: Машиностроение, 1980.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →