Comprensione del test di durezza Shore: metodo, formula e diagramma

La prova di durezza Shore viene in genere utilizzata per misurare diversi materiali, in particolare quelli più morbidi come gomme, elastomeri e alcune plastiche più morbide, come vinili, poliolefine e fluoropolimeri. Questo metodo valuta la resistenza di un materiale all'indentazione, fornendo informazioni preziose sulla sua flessibilità, sulla durabilità superficiale e sulle potenziali prestazioni sotto carico.

Questo test aiuta a determinare se un materiale è sufficientemente resistente per resistere a una determinata esposizione. La sezione successiva descrive il metodo di prova Shore, il suo processo di misurazione e come interpretare i risultati.

Qui, Qualitest Vi guiderò nella comprensione dei test di Shore attraverso il loro metodo, la loro formula e il loro diagramma. Approfondiamo la spiegazione qui sotto.

Che cosa sono i test di durezza Shore?

Prendiamo come esempio la produzione delle suole delle scarpe. Per garantire comfort, flessibilità e durata, i materiali (spesso gomma o elastomeri termoplastici) devono trovare il giusto equilibrio tra morbidezza e resistenza.

Se la suola è troppo morbida, potrebbe usurarsi rapidamente. Mentre, se è troppo dura, potrebbe risultare scomoda o addirittura rompersi sotto sforzo. È qui che il test di durezza Shore diventa importante, poiché aiuta a quantificare la rigidità o la flessibilità di questi materiali.

La prova di durezza Shore è un metodo standardizzato utilizzato per misurare la resistenza di elastomeri, plastiche morbide e polimeri all'indentazione. Indica come un materiale reagisce all'applicazione di una pressione, se cede leggermente o rimane rigido. Il risultato è espresso da un numero da 0 a 100, dove valori più alti indicano un materiale più duro.

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Metodo di prova della durezza Shore

La prova di durezza Shore misura la resistenza di un materiale all'indentazione utilizzando un durometro calibrato. La misurazione può essere effettuata immediatamente al contatto (indentazione iniziale) o dopo un tempo di permanenza specificato, a seconda del comportamento del materiale e dell'obiettivo della prova.

Alcuni durometri includono un indicatore di lettura massima per catturare i valori di picco, ma è importante notare che questi indicatori possono dare come risultato letture leggermente inferiori rispetto alle misurazioni dell'indentazione in tempo reale.

I durometri Shore standard vengono utilizzati per prove generiche su campioni piatti, in genere con uno spessore di almeno 6 mm. Per campioni più sottili o più piccoli, in particolare quelli con un diametro della sezione trasversale fino a 1.25 mm, vengono impiegati i durometri di tipo M (micro). 

Sono specificamente progettati per testare campioni piccoli o di forma stretta che i durometri convenzionali non sono in grado di valutare con precisione.

Ecco come funziona la procedura:

1. Preparazione del campione: Per le prove standard, i campioni devono avere uno spessore di almeno 6 mm. Il tipo M consente di testare materiali più sottili, fino a 1.25 mm.
    
2. Esecuzione del test: Il penetratore viene applicato perpendicolarmente al campione utilizzando una forza a molla. Il tipo di penetratore e il livello di forza dipendono dalla scala Shore utilizzata (A, D o M).
    
3. Leggendo il risultato: La durezza viene visualizzata sul durometro come un valore da 0 a 100. La lettura può riflettere la profondità di penetrazione istantanea o il valore dopo un tempo di permanenza definito, offrendo flessibilità nella valutazione dei materiali viscoelastici.

Tutti i test devono essere condotti in un ambiente controllato, poiché variabili come l'orientamento del campione, la consistenza della superficie e la temperatura può influenzare significativamente i risultati.

Formula per la prova di durezza Shore

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A differenza delle prove di durezza convenzionali che si basano su formule matematiche che coinvolgono carico e area, la prova di durezza Shore non utilizza una formula algebrica diretta. Si basa invece su una relazione meccanica tra la profondità di penetrazione effettuata da un penetratore calibrato e la forza elastica applicata al materiale.

Il valore di durezza Shore, che va da 0 (penetrazione profonda) a 100 (nessuna penetrazione), è un indice che riflette la resistenza di un materiale all'indentazione sotto l'azione di una forza specifica.

Ogni scala di durezza Shore (A, D, M, OO, ecc.) corrisponde a una diversa geometria del penetratore e a una diversa taratura della molla, il che significa che la stessa lettura numerica su due scale diverse non riflette la stessa forza o lo stesso comportamento del materiale.

Secondo il Norma ASTM D2240, questa relazione è regolata da precise tolleranze di calibrazione. La forza elastica esercitata dal durometro deve essere allineata alla resistenza all'indentazione prevista per ciascuna scala. Ad esempio:

• Sulla scala di tipo A (utilizzata per misurare la durezza della gomma, elastomeri e plastiche morbide), un valore di durezza di 50 corrisponde a una forza applicata di 4.3 N.
• Sulla scala di tipo D (per plastiche dure e polimeri densi), lo stesso valore (50) rappresenta una forza di 22.225 N, dovuta alla molla più rigida e al penetratore più affilato.
• Per le prove di microdurezza con il tipo M, progettato per campioni molto piccoli o sottili, le forze sono molto più basse, con un valore di 50 pari a 0.544 N.
• I materiali più morbidi, come gel e schiume, richiedono strumenti di misurazione ancora più delicati, come il tipo OO, OOO o OOO-S, con forze corrispondenti calibrate tra 0.167 N e 1.932 N a seconda della scala e della lettura.

Ecco una ripartizione basata sulla tabella di calibrazione dei durometri:

Sebbene non esista una "formula" per calcolare il valore di durezza Shore dopo il test, il sistema meccanico calibrato all'interno del durometro garantisce che la lettura del quadrante corrisponda a una specifica resistenza all'indentazione.

Ciò lo rende un metodo affidabile e ripetibile per confrontare la durezza dei materiali (dai cuscinetti di gomma spessi ai piccoli componenti polimerici) senza richiedere calcoli aggiuntivi.

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Specifiche della macchina per la durezza Shore

I durometri Shore sono comunemente chiamati durometri. A seconda delle esigenze applicative, questi strumenti spaziano dai durometri analogici portatili per l'ispezione sul campo ai modelli digitali da banco più avanzati per i laboratori di controllo qualità.

Sebbene i design possano variare leggermente a seconda della marca e del modello, la maggior parte delle macchine per la prova di durezza Shore segue queste specifiche fondamentali:

1. Supporto della scala di misurazione

I durometri Shore sono classificati in base al tipo di scala, ciascuno ottimizzato per specifici gruppi di materiali:

• Riva A: Per gomme flessibili, elastomeri e plastiche morbide (ad esempio pneumatici, suole delle scarpe).
• Riva D: Per plastiche più dure (ad esempio ABS, policarbonato).
• Riva M: Test su microscala per campioni sottili o piccoli.
• Riva OO, OOO, OOO-S: Per materiali estremamente morbidi come gel e schiume spugnose.

Alcuni sistemi da banco sono compatibili con più scale. Ciò consente di utilizzare penetratori e moduli a molla intercambiabili per testare diversi tipi di Shore.

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2. Calibrazione della forza dell'indentatore e della molla

Il principio fondamentale della prova Shore è misurare la resistenza del materiale all'indentazione sotto l'azione di una forza elastica calibrata. Ogni tipo di Shore ha una forma di penetratore e un intervallo di forza elastica distinti, calibrati secondo la norma ASTM D2240:

• Ad esempio, Shore A applica fino a 8.05 N a una durezza di 100, mentre Shore D applica fino a 44.45 N.
• Shore M utilizza forze notevolmente inferiori, ideali per testare campioni con spessore fino a 1.25 mm.

I durometri devono mantenere la calibrazione entro tolleranze rigorose, ad esempio ±0.075 N per il tipo A o ±0.0176 N per il tipo M, per garantire ripetibilità e precisione.

3. Risoluzione della misurazione

La maggior parte dei moderni misuratori di durezza Shore fornisce letture digitali o analogiche da 0 a 100. I modelli digitali spesso presentano una risoluzione di 0.1 unità, funzioni di auto-hold e indicatori di lettura massima per catturare i valori di picco, particolarmente utili per i materiali viscoelastici che cambiano sotto carico prolungato.

4. Display e interfaccia

I durometri digitali sono dotati di schermi LCD o OLED e molti includono connettività USB/Bluetooth per l'esportazione dei dati e la generazione di report. I modelli da laboratorio di fascia alta possono essere integrati con software di controllo qualità per la tracciabilità e il monitoraggio della conformità.

5. Compatibilità dei campioni

I durometri Shore standard sono progettati per testare materiali con uno spessore minimo di 6 mm. Per parti più sottili o complesse, i micro durometri (tipo M) vengono utilizzati con incudini o morsetti di precisione per fissare piccoli campioni senza distorsioni.

Gli accessori opzionali includono:

• Banchi di prova personalizzati per applicazioni verticali coerenti
• Moduli di controllo del tempo di permanenza
• Apparecchi per superfici curve o irregolari

6. Portabilità e integrazione del banco di prova

I durometri portatili sono ideali per prove sul campo o su linee di produzione, offrendo letture rapide con una configurazione minima. Per una maggiore precisione, i durometri possono essere montati su un banco di prova meccanico o motorizzato, che garantisce un'applicazione uniforme della forza, un allineamento perpendicolare e il controllo opzionale del tempo di permanenza.

7. Conformità e standard

I durometri Shore sono affidabili e conformi agli standard ASTM D2240 e ISO 868, garantendo coerenza e compatibilità tra diversi laboratori di prova e settori. La calibrazione deve essere verificata regolarmente utilizzando blocchi di prova standardizzati con valori di durezza noti.

Diagramma di prova della durezza Shore

La configurazione tipica richiede un supporto per durometro standardizzato. La figura seguente presenta uno schema del supporto operativo per durometro Shore utilizzato per testare materiali morbidi.

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Questo diagramma mostra come viene applicata e controllata la forza durante la prova di durezza Shore utilizzando un supporto meccanico. Il supporto per durometro Shore riduce al minimo l'influenza dell'utente e migliora la ripetibilità delle misurazioni standardizzando l'orientamento della prova, l'applicazione del carico e il supporto del provino.

Procedura di prova del durometro (con supporto)

La prova di durezza Shore inizia con il posizionamento del provino sul tavolo di supporto, posizionato centralmente sulla base del supporto. La manopola di regolazione dell'altezza del tavolo consente all'operatore di allineare con precisione il provino con la punta del penetratore del durometro montato.

Una volta allineato, la leva di rilascio viene azionata, consentendo al durometro di scendere con un movimento controllato e perpendicolare, guidato dalla guida del gruppo di montaggio e dalla guida del tavolo. Il penetratore entra in contatto con la superficie del campione grazie all'effetto combinato della forza della molla interna del durometro e dell'allineamento assistito dalla gravità tramite il supporto.

Durante la prova, l'indentatore penetra nel materiale e la profondità dell'indentatura è contrastata dalla durezza superficiale del materiale. Il comparatore sul durometro registra il valore di durezza Shore, che corrisponde alla resistenza del materiale all'indentatore. Un valore più alto indica una superficie più dura con minore indentatura.

Applicazione della forza standardizzata

La forza applicata durante la prova è determinata dalla forza di taratura della molla all'interno del durometro stesso, che varia a seconda del tipo di Shore. Ad esempio:

• La durezza Shore A utilizza una forza calibrata di 0.075 N per unità, che raggiunge 8.05 N a 100 unità di durometro.
• Shore M, destinato a materiali molto sottili, utilizza solo 0.0044 N per unità, ottenendo 0.765 N sulla scala massima (vedere Tabella 1 da ASTM D2240).

Il supporto operativo garantisce che la forza venga applicata verticalmente e uniformemente, riducendo la potenziale variabilità dovuta alla pressione della mano o allo sbilanciamento dell'angolo, un fattore fondamentale quando si testano materiali sensibili alla deformazione superficiale o alla durata della pressione.

Lettura della misurazione

Il valore di durezza viene visualizzato sul quadrante del durometro, che viene azzerato tra ogni prova tramite il meccanismo di ritorno del durometro. Questo meccanismo di ritorno assicura che il penetratore si ritragga completamente, consentendo di ottenere condizioni di base precise prima delle misurazioni successive.

Applicazioni comuni e best practice

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1. Industria automobilistica

Nella produzione automobilistica, i materiali elastomerici come guarnizioni, boccole e pneumatici devono soddisfare rigorosi standard prestazionali. Il test Shore aiuta i produttori a valutare flessibilità, comprimibilità e resistenza all'usura, fondamentali per i componenti che devono resistere ad alte temperature e sollecitazioni dinamiche.

2. Produzione di dispositivi medici

Dispositivi come cateteri, siringhe e tubi flessibili si basano su specifiche proprietà tattili e meccaniche. Per questi materiali ultra morbidi vengono spesso utilizzate scale Shore 00 o Shore M. Ciò consente ai produttori di controllare con precisione la morbidezza del materiale, garantendo la sicurezza e il comfort del paziente.

I risultati dei test aiutano a verificare che i polimeri soddisfino gli standard di biocompatibilità e flessibilità, per ridurre al minimo i rischi durante l'uso clinico.

3. Elettronica di consumo e dispositivi indossabili

Pulsanti soft-touch, tastiere in silicone e cinturini per dispositivi indossabili devono offrire comfort e resistenza. A seconda del tipo di materiale, si utilizzano test Shore A o Shore D.

In questo settore, il test di durezza Shore valuta la sensazione tattile dei materiali, garantendone al contempo la resistenza alla compressione o all'abrasione. I dati raccolti dal test supportano le decisioni di progettazione per un'esperienza utente ottimale, riducendo al contempo i resi dei prodotti dovuti a usura prematura.

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La scelta degli strumenti per la misurazione della durezza Shore è fondamentale per mantenere la qualità del prodotto, soddisfare gli standard normativi e migliorare l'efficienza produttiva. Qualitest, leader mondiale nelle soluzioni per le prove sui materiali, offre una gamma completa di durometri Shore e sistemi automatizzati per prove di durezza progettati per diverse esigenze industriali.

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