Твёрдость по Шору А¶

Твёрдость по Шору А — это метод измерения твёрдости эластомеров, пластмасс и мягких полимерных материалов, основанный на глубине вдавливания индентора под действием калиброванной пружины. Шкала А является одной из наиболее распространённых в семействе шкал твёрдости по Шору, разработанных американским инженером Альбертом Фердинандом Шором в 1920-х годах. Метод используется для оценки сопротивления материала проникновению твёрдого тела, что позволяет классифицировать полимеры по их жёсткости и упругости. Значение твёрдости выражается в безразмерных единицах от 0 до 100, где 0 соответствует максимальной мягкости (глубокое вдавливание), а 100 — максимальной твёрдости (практически отсутствие деформации).

¶История

Метод измерения твёрдости по Шору был предложен Альбертом Ф. Шором, основателем компании Shore Instrument and Manufacturing Company (США), в 1920-х годах. Первоначально Шор разработал несколько шкал для разных типов материалов: шкала A — для мягких резин и эластомеров, шкала D — для твёрдых пластмасс и жёстких резин. В 1930-х годах метод был стандартизирован Американским обществом по испытаниям материалов (ASTM) под обозначением ASTM D2240. Впоследствии стандарт был принят Международной организацией по стандартизации (ISO) как ISO 868. В СССР и России метод регламентируется ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».

С развитием полимерной промышленности шкала Шора А стала основным инструментом контроля качества для производителей резиновых изделий, уплотнителей, подошв обуви, шин, спортивных товаров и медицинских материалов. В середине XX века метод был адаптирован для измерения твёрдости пенопластов и мягких пластиков.

¶Принцип измерения

Твёрдость по Шору А определяется с помощью прибора — дюрометра (твердомера). Прибор оснащён индентором в виде усечённого конуса с углом при вершине 35° и диаметром плоской площадки 0,79 мм. Индентор вдавливается в образец материала под действием пружины с заданным усилием. Усилие пружины для шкалы A составляет 822 г (8,06 Н) при полном ходе индентора 2,5 мм.

Измерение проводится следующим образом: дюрометр устанавливается вертикально на поверхность образца, индентор прижимается к материалу. В течение 1 секунды после контакта считывается показание шкалы прибора. Глубина вдавливания индентора обратно пропорциональна твёрдости: чем мягче материал, тем глубже проникает индентор, и тем ниже значение на шкале. Значение 0 соответствует глубине вдавливания 2,5 мм, значение 100 — нулевому вдавливанию (индентор не проникает).

¶Шкалы твёрдости по Шору

Семейство шкал Шора включает несколько типов, различающихся формой индентора и усилием пружины. Наиболее распространены:

• Шкала A — для мягких эластомеров, резин, термоэластопластов, пластизолей, мягких полиуретанов.
• Шкала D — для твёрдых пластмасс, жёстких резин, акрилов, полистирола, твёрдых полиуретанов.
• Шкала O — для очень мягких материалов, пенопластов, гелей.
• Шкала OO — для сверхмягких материалов, поролонов, силиконовых гелей.
• Шкала C — для мягких резин и пластмасс (промежуточная между A и D).

Каждая шкала имеет свой диапазон применения. Для пересчёта между шкалами существуют эмпирические формулы, но они дают приблизительные значения, так как зависимость нелинейна и зависит от типа материала.

¶Оборудование

Основным прибором для измерения твёрдости по Шору А является дюрометр (твердомер) типа A. Он состоит из корпуса с пружинным механизмом, индентора, шкалы с делениями от 0 до 100 и опорной площадки. Современные дюрометры могут быть механическими (с циферблатом) или цифровыми (с электронным дисплеем). Цифровые модели позволяют фиксировать пиковые значения, усреднять результаты и передавать данные на компьютер.

Для калибровки прибора используются эталонные образцы с известной твёрдостью. Калибровка проводится в соответствии с требованиями стандартов ASTM D2240 и ISO 868.

¶Методика испытаний

Стандартная процедура измерения включает несколько этапов:

1. Подготовка образца: образец должен иметь толщину не менее 6 мм (для тонких материалов допускается складывать несколько слоёв). Поверхность должна быть гладкой, без трещин и загрязнений.
2. Установка прибора: дюрометр устанавливается вертикально, опорная площадка плотно прилегает к поверхности образца.
3. Приложение нагрузки: индентор вдавливается в материал с усилием пружины. Время контакта — 1 секунда (для стандартного испытания) или 15 секунд (для материалов с ползучестью).
4. Считывание показаний: значение фиксируется по шкале или на дисплее.
5. Повторность: проводится не менее 5 измерений на разных участках образца, результаты усредняются.

Для материалов с выраженной ползучестью (например, силиконов) рекомендуется использовать время выдержки 15 секунд, чтобы получить стабильное значение.

¶Применение

Твёрдость по Шору А широко используется в различных отраслях промышленности и науки:

• Резинотехническая промышленность: контроль качества резиновых уплотнителей, прокладок, шлангов, ремней, амортизаторов.
• Производство обуви: измерение твёрдости подошв, каблуков, стелек. Обувные резины обычно имеют твёрдость 60–80 единиц Шора А.
• Автомобильная промышленность: оценка твёрдости шин, сайлентблоков, втулок, уплотнителей дверей.
• Производство спортивных товаров: контроль твёрдости мячей (например, теннисных, баскетбольных), ракеток, защитных накладок.
• Медицина: измерение твёрдости силиконовых имплантатов, катетеров, протезов, зубных слепков.
• Производство игрушек: контроль твёрдости пластиковых и резиновых игрушек (например, кубиков, мячей).
• Полиграфия и упаковка: измерение твёрдости резиновых валиков, печатных форм, уплотнителей.

¶Примеры значений

Типичные значения твёрдости по Шору А для распространённых материалов:

Для сравнения, твёрдость по Шору D для жёстких пластмасс (например, полистирол) составляет 70–90, что соответствует примерно 100 единицам по шкале A.

¶Ограничения и критика

Метод Шора А имеет ряд ограничений:

• Зависимость от толщины образца: для тонких образцов (менее 6 мм) результаты могут быть искажены из-за влияния подложки.
• Влияние ползучести: у вязкоупругих материалов (например, силиконов) показания могут изменяться со временем, что требует стандартизации времени выдержки.
• Неоднородность материала: на поверхности образца могут быть локальные дефекты, влияющие на результат.
• Субъективность оператора: при ручном измерении давление и угол установки прибора могут варьироваться.
• Неприменимость для твёрдых материалов: для пластмасс с твёрдостью более 95 единиц Шора A следует использовать шкалу D.

Критики метода отмечают, что твёрдость по Шору является эмпирической величиной, не имеющей прямой физической связи с модулем упругости или прочностью материала. Для инженерных расчётов предпочтительнее использовать модуль Юнга или твёрдость по Роквеллу. Тем не менее, простота и скорость измерения делают метод Шора А незаменимым для операционного контроля качества на производстве.

¶Сравнение с другими методами

Твёрдость по Шору А отличается от других методов измерения твёрдости:

• Твёрдость по Роквеллу (шкала R, M): используется для металлов и твёрдых пластмасс, основана на глубине вдавливания стального шарика или алмазного конуса. Не подходит для мягких эластомеров.
• Твёрдость по Бринеллю: измеряется вдавливанием стального шарика под нагрузкой; применяется для металлов и полимеров, но требует больших образцов.
• Твёрдость по Виккерсу: использует алмазную пирамиду; подходит для тонких плёнок и твёрдых материалов.
• Твёрдость по IRHD (International Rubber Hardness Degrees): международный стандарт для резин, близкий по принципу к Шору А, но с другой формой индентора и нагрузкой.

Для эластомеров метод Шора А является наиболее распространённым благодаря своей простоте и низкой стоимости оборудования.

¶Интересные факты

• Альберт Ф. Шор также известен изобретением склероскопа — прибора для измерения твёрдости металлов по отскоку.
• Шкала Шора А нелинейна: разница в 10 единиц не соответствует одинаковому изменению модуля упругости.
• В некоторых отраслях (например, в производстве мячей для гольфа) твёрдость по Шору А используется как ключевой параметр, влияющий на игровые свойства.
• Для резиновых смесей твёрдость по Шору А может изменяться в зависимости от температуры: при нагреве резина становится мягче, при охлаждении — твёрже.

¶Источники

• ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».
• 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)».
• Шор, А. Ф. «The Durometer and Its Uses» // Journal of the Franklin Institute, 1927.
• Справочник по резиновым материалам / Под ред. В. А. Лепилина. — М.: Химия, 1985.