橡膠硬度測試方法發展動態與分析*

陳明華 吳向壘/廣東省計量科學研究院

0 引言

硬度測試由于具有操作簡便、成本低和非破壞性等特點，廣泛應用于質量監控場合，是橡膠制品的重要指標。硬度可方便地鑒定一系列硫化橡膠產品的固化效果和均勻性，還適用于診斷目的，跟蹤橡膠材料老化、污染與微孔等問題。

橡膠硬度測試方法全部屬于靜態壓入法[1]，并且都是保持試驗力情況下測量壓入深度。由于不同硬度范圍、不同形狀樣品、不同場合、不同準確度下可能需要使用不同的方法進行硬度測量，所以橡膠硬度有多種測量方法。GB/T23651-2009《硫化橡膠與熱塑性橡膠硬度測試-介紹與指南》就是對目前主要的橡膠硬度測量方法進行綜述，側重介紹了橡膠硬度測試類型以及各種測試方法的選取原則，具有一般性指導意義。該標準還對一些常用且重要的術語、硬度測量的原理，以及硬度測量的用途和意義等內容都有簡單說明。GB/T23651-2009等同采用國際標準ISO18517：2005《硫化橡膠與熱塑性橡膠硬度測試-介紹與指南》，綜合了GB/T6031-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定（10～100 IRHD）》(idt ISO48：1984)，GB/T531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬 度 ）》(idt ISO7619-1)，GB/T531.2-2009《 硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法 第2部分：便攜式橡膠國際硬度計法》(idt ISO7619-2)的內容，是關于硫化橡膠與熱塑性橡膠硬度測試有關知識的概述性文件。另外該標準介紹了HG/T2450-1999《膠輥表觀硬度的測定 橡膠國際硬度計法》(idt ISO7267-1)等關于表觀硬度測定的內容。

1 橡膠國際硬度

橡膠國際硬度測量方法有關的標準有GB/T6031-1998、GB/T531.2-2009。

GB/T6031-1998規定了對表面平坦而且兩面平行的硫化橡膠或熱塑性橡膠國際硬度的4種測定方法，對應不同試驗接觸力、總試驗力以及多種直徑的鋼球，以適合不同硬度范圍、試樣大小和使用場合的需要：

a) 方法N 常規試驗；

b) 方法H 高硬度試驗；

c) 方法L 低硬度試驗；

d) 方法M 微型試驗。

N、H、L和M的主要區別在于鋼球的直徑和壓入力的大小，根據特定的用途選擇合適的方法。每個方法的適用范圍如圖1所示。

圖1 硬度測試的應用范圍

方法N：硬度常規試驗。適用于橡膠硬度在35～85 IRHD，也可用于硬度在30～95 IRHD范圍內的橡膠。試樣的厚度要求不小于4mm。

方法H：適用于橡膠硬度在85～100 IRHD，試樣的厚度要求不小于4mm。

方法L：適用于橡膠硬度在10～35 IRHD，試樣的厚度要求不小于6mm。

方法M：硬度的微型試驗，本質上是按比例縮小的常規試驗法。適用于橡膠硬度在35～85 IRHD，也可用于硬度在30～95 IRHD范圍內的橡膠，試樣的厚度要求小于4mm。

在85～95 IRHD和30～95 IRHD范圍內，用方法N測得的硬度值與分別用方法H或方法L獲得的數據不完全相同。

相同材質而厚度不同分別采用N和M方法的橡膠試樣，N和M方法獲得的數據也不完全相同。橡膠國際硬度M型硬度計實際上是N型硬度計的縮型，試驗力為1/36，壓針球體直徑為1/6，因而1度M型硬度的壓入深度為N型壓入深度的1/6。理論上常規的N型硬度計與M型硬度計應給出相等的測試結果，但由于厚度和表面層效應（表面有可能比內部更堅硬）的影響，并不能保證測試結果相等。這種差別與被測樣品有關，當樣品的彈性和表面狀況較好時，這種差別并不大。

GB/T6031-1998中關于方法CN、CH、CL和CM彎曲表面的表觀硬度試驗在本文第3部分另述。

GB/T531.2-2009規定了便攜式橡膠國際硬度計法。GB/T531.2-2009等同采用國際標準ISO7619-2：2004《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第2部分：便攜式橡膠國際硬度計法》。便攜式橡膠國際硬度計也稱袖珍式橡膠國際硬度計（IRHD pocket meter），便攜式橡膠國際硬度計無論外觀、用途還是準確度等與A型邵氏硬度計都非常相似，但便攜式橡膠國際硬度計與A型邵氏硬度計測量原理、技術指標、校準方法不同。辨認便攜式橡膠國際硬度計和A型邵氏硬度計的區別是計量單位。另一個特征是便攜式橡膠國際硬度計的度盤是不等分度的，而A型邵氏硬度計是等分度的。橡膠便攜式硬度計準確度低于定負荷橡膠國際硬度計，但使用方便，適合于橡膠制品成品和半成品的質量控制[2]。

2 邵氏硬度

邵氏硬度計也稱邵爾硬度計（Durometer或Shore hardness tester），邵氏硬度試驗方法歷史悠久、應用廣泛。邵氏硬度計結構緊湊、操作簡單、攜帶方便，特別適合于現場的硬度測定，長期以來，一直用于橡膠、塑料成品和半成品硬度性能測定以及產品質量控制。

GB/T531.1-2008等同采用國際標準ISO7619-1：2004《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》，該標準代替GB/T531-1999《橡膠袖珍硬度計壓入硬度試驗方法》中的邵氏A和邵氏D的內容，還增加了AO、AM標尺試驗方法。

根據邵氏硬度計原理，改變硬度計的壓針形狀和試驗力大小可得出品種繁多的系列硬度計，用于測量不同硬度范圍的材料，GB/T531.1-2008規定了A、D、AO、AM四種標尺。

——A標尺，適用于普通硬度范圍；

——D標尺，適用于高硬度范圍；

——AO標尺，適用于低硬度橡膠和海綿；

——AM標尺，適用于普通硬度范圍的薄樣品。

A標尺適合于中硬度范圍，D標尺適合于高硬度范圍，AO標尺適合于低硬度范圍，AM標尺適合于薄小樣品。

——D標尺低于20時，選用A標尺；

——A標尺低于20時，選用AO標尺；

——A標尺高于90時，選用D標尺；

——薄樣品（樣品厚度小于6mm），選用AM標尺。

我國目前使用的橡膠硬度計大多數是A型邵氏硬度計。A型邵氏硬度和橡膠的楊氏彈性模量有著一定的關系，可以通過測定橡膠的邵氏硬度而得到橡膠近似楊氏模量。A型邵氏硬度試驗方法早在1959年就制定為部頒標準，1960年首次發布實施，后來又把部頒標準修訂為國家標準，GB/T531-1999的上一個版本GB/T531-1992《硫化橡膠邵爾A硬度試驗方法》就是只有A型硬度計。

邵氏D型硬度計適用于高硬度范圍，我國目前生產和使用的邵氏D型硬度計數量較少，原因之一是只有在使用A型邵氏硬度計得到指示值超出90度時才使用邵氏D型硬度計進行測量，另一個原因是邵氏D型硬度計壓針頂端容易磨損而不合格，故硬度計的使用壽命很短[3]。

增加AO、AM標尺試驗方法有效地彌補了邵氏硬度對低硬度和薄小樣品測量能力的不足[4]。

3 表觀硬度

表觀硬度大量應用于實際檢測工作中，所謂表觀硬度，是相對標準硬度而言的。標準硬度是用具有標準厚度且面積大于所規定最小邊緣尺寸的試樣、按照規定的操作程序得到的硬度；表觀硬度是指用非標準尺寸的試樣，按照有關標準規定的操作程序得到的硬度。

在日常檢測工作中，尤其是對成品和半成品的硬度測量，很多情況下無法得到滿足標準要求尺寸的試樣，所得到的硬度值是在特定的樣品形狀和方法時測得的，稱為表觀硬度，膠輥表觀硬度就是典型的一種。表觀硬度可以說是不得已而為之，因為表觀硬度值和標準方法所得硬度值是有區別的，但表觀硬度只要把樣品的形狀和方法確定了，測量結果相互之間還是具有可比性的。

表觀硬度在橡膠硬度試驗中的應用要比金屬硬度普遍，因為金屬硬度試驗法方法較多，某些試驗方法，如顯微硬度，試驗力可以非常小，即使對于非常薄小樣品也可以得到標準樣品，同時由于里氏硬度計的發展，金屬硬度現場測量也容易實現。金屬硬度試驗中，特性標尺和材料圓柱形和球形所測得表觀硬度和標準硬度是可以換算的，而對橡膠硬度表觀硬度和標準硬度的換算關系研究不多。

GB/T23651-2009還介紹了用非標準尺寸的試樣的表觀硬度，包括按照GB/T6031-1998規定橡膠國際硬度中的表觀硬度、HG/T2450膠輥表觀硬度的測定橡膠國際硬度計法(HG/T2450-1999，idt ISO7267-1：1997)、HG/T2413.2膠輥表觀硬度的測定 邵爾硬度計法(HG/T2413.2-1992，idt ISO7267-2：1986)、ISO7267-3膠輥表觀硬度的測定P .J硬度計法相應的HG/T2413.l-1992膠輥表觀硬度的測定趙氏(P .J)硬度計法則是等效采用。

4 結語

綜上所述，可以看出目前橡膠硬度測試方法主要是橡膠國際硬度和邵氏硬度兩個系列。

橡膠國際硬度計的特點是準確度高、穩定性好，高、中、低、微型、便攜式都擁有一個共同的計量單位IRHD，適合不同硬度范圍、試樣大小和使用場合的需要，并已初步形成一個量值傳遞系統[5]，可以采用標準橡膠硬度塊進行檢定校準，這是邵氏系列硬度所不能比擬的。

邵氏A、邵氏D和邵氏AO等之間不能比較，不能采用標準橡膠硬度塊進行檢定校準[6]，此外還存在使用壽命短、變化大的不足，但邵氏硬度計最大的優點是使用方便。邵氏硬度增加了AO標尺和AM標尺后，與原來A標尺和D標尺形成了低、中、高硬度測量范圍以及薄小樣品的測量，從適用范圍上取得與橡膠國際硬度的可以抗衡的局面。邵氏硬度的還試圖通過提高彈簧試驗力允差要求及試驗力保持時間延長等改進手段，以進一步提高測量準確度。

橡膠硬度測試方法橡膠國際硬度和邵氏硬度兩個系列將在一段較長的時間內并存，而其他橡膠硬度測量方法將逐漸被淘汰。

[1]林巨才編.現代硬度測量技術及應用[M].北京：中國計量出版社,2008：2-6.

[2]溫其誠編 硬度計量[M].北京：中國計量出版社, 1990：213-214.

[3]陳明華, 何廣霖.D型邵氏硬度計檢定方法中[J].中國計量, 2009,8: 121-123.

[4]王衛忠.橡膠壓入硬度試驗方法(邵爾硬度)新國標的理解與應用[J].中國計量, 2009, 10: 124-125.

[5]廣東省計量科學研究所.JJF2049-1990[S].北京：中國計量出版社, 1990.

[6]林魯山.邵氏A型硬度計的示值檢定問題[J].計量技術, 1993, 9:25-28.