王宏剛，楊興亞，王明波，趙明恩，李子康

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

橡膠作為一種高彈性聚合物材料，其制品具有良好的絕緣性、塑性、彈性和耐磨性能，因此被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)藥衛(wèi)生、航天航空等領(lǐng)域。硬度作為反映橡膠材料受到1種或多種作用力時(shí)的抗彈性變形、抗塑性變形、抗劃痕或抗破裂等的能力[1]，其檢測試驗(yàn)迅速、經(jīng)濟(jì)、直觀且方便，因此在橡膠材料制造、研究、質(zhì)檢中硬度常常是必檢項(xiàng)目之一。測定橡膠材料硬度的儀器主要有邵氏硬度計(jì)（測試頭結(jié)構(gòu)見圖1）、國際橡膠硬度計(jì)（IRHD硬度計(jì)，測試頭結(jié)構(gòu)見圖2）和趙氏硬度（P&J法）計(jì)。邵氏硬度計(jì)（我國臺(tái)灣省稱蕭氏硬度計(jì)）和肖氏硬度計(jì)都是由英國人Albert Ferdinand Shore提出并發(fā)明的，但兩者的應(yīng)用對(duì)象和使用方法不同，肖氏硬度計(jì)適用于金屬材料硬度的測定，采用動(dòng)態(tài)回彈測量法，邵氏硬度計(jì)適用于橡膠和塑料等非金屬材料硬度的測定，采用靜態(tài)擠壓測量法，因此兩者不可混用。

圖1 邵氏硬度計(jì)測試頭結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of testing head structures of Shore hardness testers

圖2 IRHD硬度計(jì)測試頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of testing head structure of IRHD hardness tester

邵氏硬度計(jì)中，邵氏A型硬度計(jì)主要用于檢測軟質(zhì)橡膠材料，邵氏D型硬度計(jì)主要用于檢測硬質(zhì)橡膠材料和塑料，邵氏AM型硬度計(jì)主要用于檢測普通硬度范圍的薄片橡膠材料，邵氏AO型硬度計(jì)主要用于檢測弧形表面橡膠材料。相對(duì)而言，邵氏A型硬度計(jì)應(yīng)用較為廣泛，本文主要介紹邵氏A型硬度計(jì)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異。

1 橡膠材料硬度測試原理

硬度分為劃痕硬度、回跳硬度、壓入硬度等，用于表征礦物硬度的莫氏硬度和表征涂膜硬度的鉛筆法硬度為劃痕硬度，用于表征金屬材料硬度的肖氏硬度和里氏硬度為回彈硬度（動(dòng)態(tài)），布氏、洛氏、維氏和顯微硬度為壓入硬度（靜態(tài)），而用于表征橡膠材料硬度的邵氏硬度和IRHD硬度也是壓入硬度。同為壓入硬度，金屬材料硬度是在撤除壓入力的情況下測定，而橡膠材料硬度則是在保持壓入力的情況下測定。橡膠材料硬度是橡膠材料在給定試驗(yàn)條件下抵抗剛性測量器具測試頭（壓針或壓頭）壓入的能力，測試原理是壓針或壓頭穿過壓足中部的孔，壓足在定力的作用下緊貼試樣表面，將總試驗(yàn)力與施加較小接觸力的壓針壓入深度之差（簡稱壓入深度差）作為測試值，從而確定橡膠材料硬度。陳明華等[2]對(duì)橡膠材料硬度的本質(zhì)進(jìn)行研究，表明在硬度測定過程中橡膠材料主要發(fā)生彈性形變，將橡膠材料假定為理想彈性體，則橡膠材料硬度對(duì)應(yīng)的壓針壓入深度差（h）與彈性模量（E）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為lgE＝3.0428－1.35×lgh，這從實(shí)際角度表征了滯彈性和塑性形變對(duì)橡膠材料硬度測試的影響。邵氏硬度測試的試驗(yàn)力保持時(shí)間短且壓針是錐形的，因此邵氏硬度測試值受材料塑性變形的影響更大。

2 橡膠材料硬度計(jì)分類

橡膠材料硬度計(jì)主要分為邵氏硬度計(jì)、IRHD硬度計(jì)和趙氏硬度（P&J法）計(jì)。趙氏硬度（P&J法）計(jì)主要用于測定紡織、造紙和印刷所用的膠輥硬度。我國暫未發(fā)布與趙氏硬度（P&J法）計(jì)相關(guān)的產(chǎn)品和使用國家標(biāo)準(zhǔn)，但GB/T 39693.9—2022對(duì)硫化橡膠或熱塑性橡膠趙氏硬度（P&J法）測試方法進(jìn)行規(guī)定，制造及使用趙氏硬度（P&J法）計(jì)的相關(guān)企業(yè)可多加關(guān)注。相比于趙氏硬度（P&J法）計(jì)，邵氏硬度計(jì)和IRHD硬度計(jì)的使用更為廣泛。IRHD硬度計(jì)采用球形壓頭，其中N型、H型、L型和M型IRHD硬度計(jì)分別適用于常規(guī)、高硬度、低硬度和微型橡膠材料，CN型、CH型、CL型和CM型IRHD硬度計(jì)則分別適用于N型、H型、L型和M型IRHD硬度計(jì)測試試樣的彎曲表面。按照我國標(biāo)準(zhǔn)分類，邵氏硬度計(jì)分為A型、D型、AO型和AM型，而按照美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2240分類，在其他領(lǐng)域應(yīng)用的邵氏硬度計(jì)有B型、C型、D型、O型和OO型等，可應(yīng)用于彈性體、復(fù)合泡沫（海綿）、凝膠等材料。邵氏A型硬度計(jì)采用圓臺(tái)形、球形或錐形壓針壓入試樣，通過測定的壓入深度差h計(jì)算試樣邵爾A型硬度（HA），計(jì)算公式為HA＝100－L/0.025。

3 國內(nèi)邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)

3.1 使用標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)邵氏A型硬度計(jì)使用技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 國內(nèi)邵氏A型硬度計(jì)使用技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standards of technical parameters for domestics Shore A hardness testers

GB/T 531.1—2008[3]，GB/T 2411—2008[4]，CNS 3555：2008[5]和CNS 12628：2019[6]是國內(nèi)橡膠硬度計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)。其中，GB/T 531.1—2008和CNS 3555：2008適用于硫化橡膠和熱塑性橡膠硬度的測定，GB/T 2411—2008和CNS 12628：2019適用于硬質(zhì)橡膠材料和塑料硬度的測定。GB/T 531.1—2008和GB/T 2411—2008分別參照ISO 7619-1：2004 和ISO 868：2003 制定，由于GB/T 531.1—2008和GB/T 2411—2008的起草時(shí)間和制定機(jī)構(gòu)不同，因此兩者對(duì)邵氏A型硬度計(jì)的技術(shù)要求不盡相同，GB/T 531.1—2008較GB/T 2411—2008更為嚴(yán)苛。CNS 3555：2008參照ISO 48：1994和ISO 7619：1996制定，ISO 48：1994和ISO 7619：1996的制定時(shí)間較早，因此與GB/T 531.1—2008相比，CNS 3555：2008對(duì)邵氏A型硬度計(jì)的技術(shù)要求較為寬松。CNS 12628：2019參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 868：2003制定，因此與GB/T 2411—2008對(duì)邵氏A型硬度計(jì)的技術(shù)要求一致。

3.2 校準(zhǔn)和檢定標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)邵氏A型硬度計(jì)校準(zhǔn)和檢定技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 國內(nèi)邵氏A型硬度計(jì)校準(zhǔn)和檢定技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standards of technical parameters for calibration and verification of domestic Shore A hardness testers

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的《市場監(jiān)管總局關(guān)于調(diào)整實(shí)施強(qiáng)制管理的計(jì)量器具目錄的公告》（文號(hào)為2020年42號(hào)），硬度計(jì)不在實(shí)施強(qiáng)制管理的計(jì)量器具目錄中，因此硬度計(jì)作為其他工作計(jì)量器具不再要求強(qiáng)制檢定，但使用者可自行進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測量值準(zhǔn)確。對(duì)于橡膠材料檢測單位，硬度計(jì)作為出具檢驗(yàn)和檢測報(bào)告的重要測量儀器，仍有必要進(jìn)行校準(zhǔn)。GB/T 39693.9—2021[7]和JJG 304—2003[8]是最新版本的硬度計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)邵氏A型硬度計(jì)，國內(nèi)共制修訂兩項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是JB/T 6148—2017[9]和HG/T 2368—2011[10]，兩者均適用于邵氏A型硬度計(jì)的檢定、標(biāo)志、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)制造流程，其中JB/T 6148—2017還適用于邵氏A型、D型、AO型和AM型硬度計(jì)。JB/T 6148—2017所代替的標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6148—1992參照ISO 868：1985和ISO 7619：1986制定，相較于JB/T 6148—1992，JB/T 6148—2017增大了壓足尺寸、壓針尺寸、施加到壓足上的質(zhì)量和施加到壓針上的彈簧力允差。HG/T 2368—2011由于制定時(shí)間較早，壓針表面粗糙度、壓針硬度、彈簧力允差要求均相對(duì)較低，且缺少施加到壓足上的質(zhì)量的要求。

4 國外邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國外邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 國外邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standards of technical parameters for foreign Shore A hardness testers

ISO 48-9：2018[11]是硬度計(jì)國際校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，ISO 48-9整合了ISO 7619.1，ISO 7267.1，ISO 18898，ISO 18517，ISO 27588 及原ISO 48等標(biāo)準(zhǔn)，但未對(duì)壓針表面粗糙度和壓針硬度進(jìn)行要求。ASTM D2240-15（2021）[12]對(duì)壓針尺寸和壓足尺寸采用英制單位和國際單位制單位標(biāo)注，并在壓針桿直徑、壓足內(nèi)孔直徑、壓針硬度等方面的要求與其他標(biāo)準(zhǔn)有較大差異，其中壓針維氏硬度為500 HV10，與國內(nèi)JB/T 6148—2017和HG/T 2368—2011的要求也不同；同時(shí)，區(qū)分了有無支架情況下壓足直徑的要求，對(duì)壓針表面拋光及表面缺陷進(jìn)行限制性要求。韓國KS M ISO 18898：2021參考ISO標(biāo)準(zhǔn)，因此其技術(shù)參數(shù)與ISO標(biāo)準(zhǔn)無差異。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS K6253-5：2012與ISO標(biāo)準(zhǔn)的差異主要為有無支架情況下壓足直徑的要求。

5 邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)合理性

根據(jù)前述對(duì)比，國內(nèi)外對(duì)邵氏A型硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)要求的差異不大，但部分標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化了壓針表面粗糙度及壓針硬度。分析認(rèn)為：如果壓針最大伸出量變化值為0.025 mm，這對(duì)應(yīng)1個(gè)邵爾A型硬度單位值，因此壓針最大伸出量允差為±0.02 mm更為合理[13-14]；壓針頂端平面直徑為（0.79±0.01）mm時(shí)，邵爾A型硬度計(jì)示值變化不超過±0.4度，符合各標(biāo)準(zhǔn)的要求[15]。

6 結(jié)語

GB/T 39693.9—2021參照ISO 48-9標(biāo)準(zhǔn)起草發(fā)布，有代替除GB/T 2411—2008和GB/T 38119—2018外的其他各類邵氏硬度計(jì)使用、校準(zhǔn)和檢定標(biāo)準(zhǔn)的可能性，將邵氏硬度和IRHD硬度等的測試標(biāo)準(zhǔn)及硬度計(jì)校準(zhǔn)和檢定標(biāo)準(zhǔn)整合，這將提升橡膠材料硬度測試標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性和易用性，并方便硬度計(jì)的校準(zhǔn)和檢定，對(duì)硬度計(jì)生產(chǎn)和使用企業(yè)、校準(zhǔn)和檢定機(jī)構(gòu)有較大幫助。