Твёрдость по Шору

Твёрдость по Шору — это метод измерения твёрдости материалов, основанный на глубине проникновения в образец индентора (наконечника) под действием пружины с заданным усилием. Метод разработан американским инженером Альбертом Фердинандом Шором (Albert Ferdinand Shore) в начале XX века и получил широкое распространение для оценки твёрдости полимеров, эластомеров (резин), пластмасс, кожи, а также некоторых мягких металлов. Результат измерения выражается в условных единицах шкалы Шора (например, 70 Shore A, 90 Shore D) и не имеет прямой линейной связи с абсолютными физическими величинами, такими как модуль упругости или предел прочности.

История

Метод был разработан Альбертом Ф. Шором в 1915 году. Шор, работая в области контроля качества резиновых изделий, столкнулся с необходимостью быстрого и неразрушающего контроля твёрдости. Существовавшие на тот момент методы (например, склероскоп того же Шора для металлов) были непригодны для мягких эластичных материалов. В 1915 году Шор запатентовал первый дюрометр (прибор для измерения твёрдости) со шкалой A. Позднее, с развитием пластмассовой промышленности, появились более жёсткие шкалы (D, C и другие). Метод был стандартизирован Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM) в стандартах ASTM D2240 (для резины и пластмасс) и ASTM D785 (для твёрдых пластмасс). В России метод регламентируется ГОСТ 263-75 (резина) и ГОСТ 24621-91 (пластмассы).

Принцип измерения

Измерение твёрдости по Шору основано на статическом вдавливании индентора в образец. Прибор (дюрометр) содержит пружину, которая прижимает индентор к поверхности материала. Индентор имеет форму усечённого конуса (для шкал A, C, O) или закалённого стального шарика (для шкал D, B, M). Глубина проникновения индентора за фиксированное время (обычно 1–3 секунды) преобразуется в показание на шкале прибора.

Формула расчёта

Твёрдость по Шору \( H \) рассчитывается по формуле: \[ H = 100 - \frac{d}{0.025 \text{ мм}} \] где \( d \) — глубина проникновения индентора в миллиметрах. Таким образом, значение 0 соответствует глубине 2,5 мм (индентор полностью утоплен), а значение 100 — нулевой глубине (индентор не проникает). На практике шкала градуируется от 0 до 100, но значения выше 95–98 считаются ненадёжными из-за упора индентора в корпус прибора.

Шкалы твёрдости по Шору

Существует несколько шкал, различающихся формой и размерами индентора, а также усилием пружины. Выбор шкалы зависит от твёрдости материала.

Наиболее распространены шкалы A и D. Шкала A используется для материалов, которые можно проколоть ногтем (например, резина автомобильной шины — около 70 Shore A). Шкала D — для твёрдых пластмасс, таких как полистирол или акрил (например, каска — около 80 Shore D).

Оборудование

Прибор для измерения твёрдости по Шору называется дюрометром (от лат. durus — твёрдый и греч. metron — мера). Существуют ручные (портативные) и стационарные модели. Ручные дюрометры оснащены пружиной и индикатором (стрелочным или цифровым). Стационарные — имеют прижимной механизм, обеспечивающий постоянное усилие и скорость вдавливания. Основные производители: Mitutoyo (Япония), Shore Instrument & Manufacturing Co. (США), ZwickRoell (Германия), а также российские компании (например, «Метролог»).

Требования к образцу

Для получения корректных результатов образец должен иметь толщину не менее 6 мм (для шкалы A) и не менее 10 мм (для шкалы D). Измерение проводится на гладкой, ровной поверхности. Для материалов с неоднородной структурой (например, резина с наполнителями) рекомендуется проводить не менее 5 измерений в разных точках.

Сравнение с другими методами

Метод Шора отличается от других способов измерения твёрдости:

• Твёрдость по Бринеллю — вдавливание стального шарика большого диаметра (10 мм) под большой нагрузкой; применяется для металлов.
• Твёрдость по Роквеллу — вдавливание алмазного конуса или шарика с предварительной нагрузкой; также для металлов.
• Твёрдость по Виккерсу — вдавливание алмазной пирамиды; для тонких слоёв и микрообразцов.
• Твёрдость по Шору (склероскоп) — метод отскока бойка; применяется для металлов (не путать с дюрометром Шора).

Основное преимущество метода Шора — быстрота, простота и неразрушающий характер. Недостатки — зависимость от температуры (рекомендуется измерять при 23±2°C), влияние толщины образца и времени выдержки.

Применение

Метод твёрдости по Шору широко используется в промышленности для контроля качества:

• Резиновая промышленность: контроль твёрдости шин, уплотнителей, прокладок, конвейерных лент. Например, твёрдость автомобильной шины обычно составляет 60–75 Shore A.
• Производство пластмасс: оценка твёрдости полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полиуретана. Для жёстких пластмасс (полистирол, оргстекло) — шкала D.
• Обувная промышленность: контроль твёрдости подошв, каблуков, стелек. Подошвы из ПВХ — 50–70 Shore A, из полиуретана — 60–90 Shore A.
• Автомобильная промышленность: проверка твёрдости деталей салона (рулевые колёса, панели приборов), уплотнителей дверей, амортизаторов.
• Строительство: контроль твёрдости герметиков, мастик, пенопластов (например, пенополистирол — 20–40 Shore O).

Ограничения и погрешности

• Температурная зависимость: твёрдость многих полимеров снижается с повышением температуры. Измерения должны проводиться при стандартной температуре (23±2°C).
• Вязкоупругость: у эластомеров показания могут меняться со временем (ползучесть). Рекомендуется считывать показание через 1 секунду после приложения нагрузки.
• Неоднородность: на пористых или шероховатых поверхностях результаты могут быть занижены.
• Ограничение шкалы: значения выше 95–98 по любой шкале считаются ненадёжными, так как индентор почти не проникает в материал.
• Неприменимость к металлам: метод Шора (дюрометр) не используется для металлов — для них применяют склероскоп Шора или другие методы (Бринелль, Роквелл).

Стандарты

Метод регламентируется следующими стандартами:

• ASTM D2240 — «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness» (США).
• ISO 868 — «Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)» (международный).
• ГОСТ 263-75 — «Резина. Метод определения твёрдости по Шору» (Россия).
• ГОСТ 24621-91 — «Пластмассы. Определение твёрдости по Шору» (Россия).

Интересные факты

• Альберт Шор также изобрёл склероскоп (прибор для измерения твёрдости металлов по отскоку), который также носит его имя.
• Шкала Шора A и D не имеют прямой математической связи между собой. Например, материал твёрдостью 90 Shore A может соответствовать примерно 40–50 Shore D, но точное соотношение зависит от типа материала.
• В быту твёрдость по Шору часто упоминается при описании жёсткости матрасов, подушек, силиконовых чехлов для телефонов (например, «чехол из силикона 50 Shore A»).

Источники

• Shore, A. F. (1915). «Durometer for measuring the hardness of rubber». US Patent 1,153,464.
• ASTM D2240-15. «Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness». ASTM International, 2015.
• ISO 868:2003. «Plastics and ebonite — Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness)». ISO, 2003.
• ГОСТ 263-75. «Резина. Метод определения твёрдости по Шору». М.: Издательство стандартов, 1975.
• ГОСТ 24621-91. «Пластмассы. Определение твёрдости по Шору». М.: Издательство стандартов, 1991.
• Уильямс, Д. (2005). «Testing of Rubber and Plastics». Rapra Technology.
• Браун, Р. (2006). «Handbook of Polymer Testing». Marcel Dekker.