Значение теста на твердость резины Astm D2240 для проверки качества и валидации материалов

Введение

Резина и эластомерные компоненты имеют решающее значение для бесчисленных промышленных и потребительских продуктов, от автомобильных шин и медицинских уплотнений до виброгасителей и обуви. Механические характеристики этих материалов зависят от свойства, которое обманчиво просто определить, но глубоко влияет: твердость. Твердость регулирует, как материал сопротивляется углублению, отклоняется под нагрузкой и износостойкость с течением времени. Для производителей, ученых-материалов и инженеров по качеству получение точных, повторяемых измерений твердости не является обязательным - это важно для проверки материалов, контроля процесса и безопасности конечных продуктов. ASTM D2240 является всемирно признанным стандартом, который обеспечивает эту способность. Эта статья обеспечивает всеобъемлющее, готовое к производству руководство по тестированию твердости резины ASTM D2240, включая технические основы испытания, его практическое применение, общие подводные камни, отраслевые приложения и критическую роль, которую он играет в обеспечении качества.

Что такое ASTM D2240?

ASTM D2240, озаглавленный «Стандартный метод испытаний резинового свойства — твердость по-дурометру», является основным стандартом, используемым во всем мире для измерения твердости вдавливания эластомеров и пластмасс. Опубликованный ASTM International, этот метод охватывает определение твердости с помощью дюрометра, ручного или настольного инструмента, который закаляет закаленный стальной измеритель в тестовый образец под известной силой пружины. Глубина вмятин измеряется по шкале, которая колеблется от 0 (полный вмятин, самый мягкий) до 100 (без углубления, самый твердый). Стандарт определяет несколько типов дюрометра, каждый из которых предназначен для определенного диапазона твердости. Два наиболее широко используемых масштаба - это берег А (для более мягких каучуков, типичный диапазон 20-90) и берег D (для более твердых материалов, типичный диапазон 20-90, а также, но охватывающий более высокую абсолютную твердость).

Другие шкалы, указанные в ASTM D2240, включают Shore O, Shore OO и Shore DO, которые касаются материалов, выходящих за пределы типичного диапазона Shore A/D, таких как мягкие пены, гелеобразные эластомеры и чрезвычайно твердые пластмассы. Каждая шкала использует различную геометрию индентера и силу пружины. Например, Шор A использует усеченный индентер конуса 35° с силой пружины 8,05 N (822 гф), в то время как Шор D использует острый 30° конус с силой пружины 44,00 N (4,511 гф). Выбор правильной шкалы имеет решающее значение для значимых результатов.

Масштабирование дурометров и их типичные применения

В приведенной ниже таблице приведены наиболее распространенные шкалы дюрометров, упомянутые в ASTM D2240, и материалы, для которых они подходят:

• Шор A: Мягкие до полужестких эластомеров (например, резиновые уплотнения, O-кольца, протекторы шин, подошвы обуви, прокладки). Диапазон: 20–90 Шор A.
• Шор D: Жесткие резины и жесткие пластмассы (например, жесткие шляпы, пластиковые шестерни, автомобильные детали под капотом, крышки конвейерной ленты). Дальность: 20–90 Шор D.
• Шор O: Мягкие эластомеры и губчатая резина (например, сидения из пены, метеоударные покрытия, мягкие рулонные крышки). Обычно используется для материалов ниже 20 Шор А.
• Шорное OO: Очень мягкие гели и пены (например, силиконовые гелевые прокладки, пены низкой плотности, крепления для демпфирования вибрации).
• Шор DO: Очень твердая резина и пластмассы (например, шары для боулинга, пластиковые колеса, шины для заклинания).

Выбор правильной шкалы — это не просто вопрос удобства; использование дюрометра с слишком высокой пружинной силой для мягкого материала будет слишком глубоко отступать, давая значение около 0 и теряя разрешение.И наоборот, весенняя сила, которая слишком низка для твердого материала, даст значение около 100 и замаскирует значимые различия.

Почему тест на твердость каучука имеет значение

Тестирование на твердость является одним из самых фундаментальных механических испытаний для эластомеров, но его важность выходит далеко за рамки простого числа. Твердость часто используется в качестве суррогата для других механических свойств, потому что она коррелирует, хотя и несовершенно, с модулями, прочностью на разрыв, сопротивлением разрыву и набором сжатия. Для дизайнеров продукта определение значения твердости является первым шагом в определении поведения материала. Для контроля качества согласованность твердости от партии к партии указывает на последовательное отверждение, соединение и обработку.

В таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и здравоохранение, резиновые компоненты должны соответствовать строгим требованиям к твердости, чтобы функционировать правильно. Утечка слишком мягкого кольца может привести к утечке; протектора шин, который слишком тверд, может поставить под угрозу тягу; прокладка медицинского устройства, которая дрейфовала в твердости, может не пройти тест на стерильность. ASTM D2240 обеспечивает быстрый, неразрушающий и экономически эффективный способ проверки того, что материалы соответствуют этим требованиям. Кроме того, поскольку стандарт признан во всем мире, он облегчает связь между поставщиками и клиентами и поддерживает соблюдение нормативных рамок, таких как ISO 9001, IATF 16949 и FDA 21 CFR Part 820.

Твердость и материальная производительность

Связь между твердостью и производительностью многогранна. Твердость влияет:

• Истирание и износостойкость: Как правило, более твердые соединения лучше сопротивляются резке и истиранию, но они становятся хрупкими и могут страдать от усталостного растрескивания.
• Трение: Более мягкие материалы имеют более высокие коэффициенты трения на шероховатых поверхностях; более твердые материалы легче скользят, но могут проявлять меньше сцепления.
• Способность к плаванию: В статических уплотнениях оптимальная твердость (обычно 50-80 Шор А) обеспечивает достаточное соответствие для заполнения поверхностных неровностей при сохранении сопротивления экструзии под давлением.
• Вибрационное демпфирование: Более мягкие каучуки более эффективно поглощают энергию, в то время как более жесткие крепления передают вибрации более высокой частоты.
• Устойчивость: Твердость часто коррелирует обратно с устойчивостью к отскоку — мягкие материалы возвращаются медленнее.

Понимание этих корреляций помогает инженерам выбрать правильное соединение для работы и диагностировать полевые сбои, когда измерения твердости отклоняются от спецификации.

ASTM D2240 - процедура тестирования шаг за шагом

Выполнение испытания твердости дурометра в соответствии с ASTM D2240 требует тщательного внимания к оборудованию, подготовке образца и технике. Цель состоит в том, чтобы получить считывание, которое отражает твердость материала, а не артефакт неровностей поверхности, эффектов толщины или смещения оператора.

Настройка оборудования

• Дурометр: Прибор должен быть откалиброван по инструкции производителя и ежедневно проверяться с использованием калибровочной стенды и известных эталонных блоков. Для точности предпочтительны цифровые дурометры с разрешением 0,1 единиц твердости.
• Испытательная стенда: Ручные или моторизованные стенды, которые применяют индентер с контролируемой скоростью (обычно 3,2 мм/с) и обеспечивают перпендикулярный контакт, уменьшают изменчивость оператора.
• Условие индентера: Индентер должен быть без износа, никсов или загрязнения. Индентеры на береге А имеют определенный диаметр наконечника (1,25 мм) и угол; Индентеры на береге D имеют острый 30° конус с сферическим наконечником диаметром 0,8 мм.

Подготовка к специализации

• Толщина: Образец должен быть толщиной не менее 6,35 мм (1⁄4 дюйма). Более тонкие образцы требуют укладки с жесткой подкладкой, но укладка может привести к ошибкам от захваченного воздуха или межслойного трения.
• Состояние поверхности: Испытываемая поверхность должна быть чистой, плоской и свободной от углублений, поднятого зерна или вспышки. Грубые поверхности должны быть сглажены тонкой абразивной бумагой без нагрева.
• Кондиционирование: Образцы должны быть кондиционированы при стандартной лабораторной температуре (23 ± 2 °C) и влажности (50 ± 5% RH) в течение не менее 3 часов до испытаний. Для материалов, которые демонстрируют ползучесть или расслабление напряжения, рекомендуется период кондиционирования 24 часа.

Процедура испытания

1. Поместите образец на жесткую плоскую наковальню (стекло или полированная сталь), толщина которой составляет не менее 50 мм × 100 мм и не менее 6 мм.
2. Приведите датчик дурометра в контакт с поверхностью образца как можно аккуратнее, чтобы избежать перерасхода.
3. Нанесите на образец индентерную ногу с силой приблизительно 5 Н (500 гс) для стрелки А или силой, достаточной для обеспечения полного контакта без сжатия материала. На практике, вес дюрометра (если он ручной) или нагрузка испытательного стенда обеспечивает контактную силу.
4. ASTM D2240 рекомендует время ожидания 1 секунды для «быстрого чтения» или 15 секунд для «отложенного чтения». 15-секундное чтение более распространено, поскольку оно позволяет ползучести стабилизироваться и дает более повторяемое значение.
5. Прочтите значение твердости по шкале или цифровому дисплею. Запишите время пребывания.
6. Проведите по меньшей мере пять измерений в различных местах на образце, разнесенных друг от друга на расстояние не менее 6 мм и не менее 12 мм от любого края.

Обычные подводные камни и как их избежать

Несмотря на кажущуюся простоту теста на дурометр, многочисленные ошибки могут поставить под угрозу результаты. Осведомленность об этих подводных камнях необходима для получения достоверных данных.

• Недостаточная толщина: Испытание образца тоньше 6,35 мм позволяет жесткой наковальне влиять на показания, делая материал более твердым. Всегда проверяйте толщину или используйте прокладку.
• Неровности поверхности: Вспышка плесени, линии разъединения или грубые измельчения создают локальные мягкие или твердые точки. Испытание в гладкой области или подготовка поверхности равномерно.
• Неправильное извращение: Использование дюрометра на материале, который измеряет около 90-100 по этой шкале, означает, что материал слишком тверд для шкалы.
• Изменение силы оператора: Ручные дюрометры печально известны из-за смещения оператора. Испытательный стенд значительно улучшает повторяемость.
• Температурные эффекты: Твердость резины снижается с увеличением температуры. Тестирование в нестандартных условиях без коррекции приводит к некорректным сравнениям. Образцы состояния тщательно.
• Грустность и расслабление: Чтения, сделанные после 1 секунды против 15 секунд, могут отличаться на 5-10 пунктов по многим материалам. Всегда отмечайте время пребывания.
• Износ повреждённого или поврежденного повреждающего извещателя изменяет площадь контакта и искажает показания. Регулярно проверяйте и калибруйте.