Metody pomiaru twardości tworzyw sztucznych

Adobe Stock – ArtEvent ET
Reklama
Reklama

Różnorodność tworzyw sztucznych wymaga dostosowywania do nich narzędzi lub sposobów działania, bez względu na przeprowadzany proces. Nie inaczej jest w przypadku przeprowadzania pomiarów twardości tworzyw sztucznych. Powszechnie stosuje się kilka popularnych metod badania twardości tworzyw sztucznych. Poniżej przedstawiamy kilka, które są najczęściej wykorzystywane w przedsiębiorstwach produkcyjnych.

Twardość w przypadku tworzyw sztucznych jest własnością materiału, którą określa się jako jego odporność na trwałe odkształcenia powstające na skutek pionowego wciskania w jego powierzchnię z odpowiednią siłą wgłębnika. Najczęściej do przeprowadzania pomiarów używa się wgłębników o znormalizowanych rozmiarach i kształtach (np. kulki, stożka lub ostrosłupa).

Reklama

Stosowane powszechnie metody pomiarów tworzyw sztucznych można podzielić na dwie podstawowe grupy. Pierwsza z nich obejmuje pomiary twardości tworzyw w stanie szklistym. Druga dotyczy pomiarów tworzyw wysokoelastycznych, bardzo miękkich, w tym gum czy silikonów. W ich przypadku często nie mówi się jednak o pomiarze twardości, a o pomiarze elastyczności, a nawet miękkości.

Do pierwszej z powyższych grup można zaliczyć m.in. metodę wciskania kulki, metodę Brinella i Rockwella. Z kolei do drugiej grupy metod pomiarowych należą m.in. metoda Shore’a, metoda IRH i metoda Richardsona.

Pomiar twardości metodą Shore’a

To jedna z najpopularniejszych metod, w której do pomiaru wykorzystuje się durometr (twardościomierz) Shore’a. Urządzenie to (obsługiwane ręczne lub przy pomocy statywu) dociska się do powierzchni mierzonego tworzywa. Wypychany z niego wgłębnik wgniata się w materiał i w momencie ustalenia równowagi między naciskiem a reakcją tworzywa ustala się poziom twardości.

Durometr Shore’a można wykorzystywać do pomiarów zarówno tworzyw miękkich (np. guma), jak i sztywnych. Stosuje się jednak wówczas różne rodzaje tego twardościomierza. Do miękkich powierzchni stosuje się durometr typu A z tępym wgłębnikiem i mniejszą siłą nacisku, a do twardych – typu C i D z zaostrzoną końcówką wgłębnika i większym obciążeniem.

Pomiar twardości za każdym razem wyraża się wartością w zakresie 0–100. Nie można jednak porównywać ze sobą poziomów twardości, które zmierzono innym typem durometrów lub przy użyciu innej siły nacisku.

Pomiar twardości metodą Rockwella

Ta dość prosta i szybka w zastosowaniu metoda (którą można w pełni zautomatyzować) polega na wciskaniu w powierzchnię tworzywa stalowej kulki w dwóch etapach. Najpierw z obciążeniem wstępnym, przy którym zeruje się urządzenie pomiarowe. Następnie obciążenie stopniowo się zwiększa – aż do obciążenia właściwego. 
Po zakończeniu tego ruchu i odczycie pomiaru zwalnia się obciążenie dodatkowe i powraca do wstępnego. Na podstawie różnicy wskazań twardościomierza można wyliczyć poziom twardości danego materiału.

W tej dość popularnej metodzie obliczania twardości tworzyw sztucznych występuje kilka skal twardości. Nie powinny być one jednak ze sobą porównywane. Wybór odpowiedniej skali zależy od zastosowanej kulki pomiarowej i siły nacisku.

Reklama

W powszechnym użyciu można znaleźć twardościomierze Rockwella zarówno stacjonarne, jak i o charakterze ręczno-przenośnym. Niewielka masa tego urządzenia sprawia, że nadaje się ono do pomiarów wykonywanych poza przedsiębiorstwem czy laboratorium.

Pomiar twardości metodą Brinella (metoda wciskania kulki)

To jedna z najprostszych metod pomiaru twardości materiałów, w tym tworzyw sztucznych. Polega na powolnym wciskaniu stalowej kulki i pomiarze powierzchni odcisku lub jego głębokości.

Tworzywa sztuczne odznaczają się stosunkowo szybkim powrotem poodkształceniowym wgnieconej powierzchni (następuje zmiana wymiarów średnicy odkształcenia i często trudno o dokładny odczyt średnicy odcisku). Do obliczenia twardości zdecydowanie częściej wykorzystuje się więc głębokość odcisku przy obciążeniu.

Do obliczania poziomu twardości w tej metodzie wykorzystuje się najczęściej twardomierze Brinella (stacjonarne lub przenośne) albo urządzenia nietypowe, specjalnie zaprojektowane do danych pomiarów. W metodzie tej niepożądane są zarówno za duże, jak i za małe siły nacisku, które mogą zniekształcić końcowy wynik.

Metody wciskania kulki nie powinno się stosować w przypadku materiałów o niewielkiej grubości. Podczas badania może bowiem dojść do ich trwałego odkształcenia. Metoda nie należy do szybkich sposobów badań twardości, dlatego nie jest wskazana do pomiarów seryjnych. Często stosuje się więc metodę mieszaną, w której wykorzystuje się elementy metody Rockwella i Brinella.

Pomiar twardości metodą Vickersa

Z założenia to metoda dość podobna do metody Brinella. Rolę wgłębnika pełni tu ostrosłup foremny, który jest wciskany w powierzchnię materiału z odpowiednim obciążeniem. Następnie mierzy się przekątne powstałego odcisku w kształcie kwadratu. Znajomość siły nacisku i długości przekątnych odcisku pozwala obliczyć twardość materiału.

Z użyciem tej metody można mierzyć twardość cienkich materiałów. Jest ona jednak stosunkowo czasochłonna, ponieważ wymaga pomiaru przekątnych. Zaletą jest jedna skala, która jest uniwersalna dla różnych klas materiałów, a także niewielka niepewność pomiarowa. 
Ponadto jest to metoda mało inwazyjna. Sprawia to, że może być stosowana także do badania już gotowych produktów.

Podsumowanie

Warto mieć świadomość, że różne metody pomiarowe mogą dawać różne wyniki, które nie powinny być ze sobą porównywane. W większości przypadków nie można porównywać także wyników uzyskanych w ramach tego samego badania, ale przy zastosowaniu różnych rodzajów wgłębników czy siły obciążenia.

Wybór odpowiedniej metody pomiaru twardości tworzyw sztucznych, a zatem i twardościomierza, powinien zależeć od co najmniej kilku czynników. Ważny jest przede wszystkim rodzaj materiału, którego twardość się bada. Istotne jest także, jak dużej dokładności pomiaru się oczekuje (dużo dokładniejsze będą np. pomiary przeprowadzane statycznie niż dynamicznie). To szczególnie ważne w przypadku takich materiałów, w których zastosowane obciążenie pomiarowe jest niewielkie.

Kolejnymi cechami, które mogą wpływać na wiarygodność pomiaru, jest wielkość i kształt mierzonego przedmiotu. Od nich zależy wybór urządzenia stacjonarnego lub przenośnego. Warto też wziąć pod uwagę czas i stopień skomplikowania pomiaru, a także to, czy pomiary będą wykonywane sporadycznie, czy też będą stałym elementem procesu produkcyjnego.

Literatura:
1. Garbacz T., Tor-Świątek A., Samujło B., Właściwości mechaniczne i cieplne tworzyw polimerowych, Politechnika Lubelska 2017
2. Śmierzchalski D., 2019, Jak badać twardość tworzyw sztucznych?, www.ita-polska.com.pl
3. Laboratorium: Twardość i elastyczność przy odbiciu materiałów polimerowych, Politechnika Gdańska 2013

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama