OZNACZANIE TWARDOÅšCI GUMY
Celem ćwiczenia jest poznanie metody oznaczania twardości gumy według skali
międzynarodowej  International Rubber Hardness (IRH).
3.1. WPROWADZENIE
Z uwagi na specyficzne właściwości (duża podatność na odkształcenia, nieściśliwość,
właściwości izolacyjne, tłumiące itp.) guma znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle. A
atwość
kształtowania wyrobów gumowych sprawiła, że mamy do czynienia z dużą różnorodnością elementów
konstrukcyjnych zawierających gumę (ogumienie, uszczelki, węże, pasy klinowe, łączniki sprężyste
itp.); w pojazdach samochodowych można np. wyróżnić kilkaset elementów gumowych. Gumowe
łączniki sprężyste o różnorodnych kształtach stanowią też bardzo często elementy składowe sprzęgieł
podatnych, wibroizolatorów, tłumików drgań skrętnych, zderzaków itp.
W przeciwieństwie do innych materiałów konstrukcyjnych, cechy gumy zmieniają się w
bardzo szerokim zakresie. Przez zmianę składu mieszanki gumowej (kauczuk naturalny, syntetyczny,
napełniacze) oraz warunki przerobu (wulkanizacji) można uzyskać gumę o różnych właściwościach
fizycznych  od bardzo miękkiej aż do bardzo twardej o wysokiej wytrzymałości mechanicznej,
sztywności itp. Można zmieniać odporność gumy na ścieranie, na niską i wysoką temperaturę,
starzenie, odporność na działanie olejów i smarów i wiele innych właściwości.
Wśród wielu właściwości fizycznych gumy jedną z najważniejszych jest twardość. Mimo że
nie ma ścisłej z punktu widzenia fizyki jej definicji, twardość stanowi wygodne kryterium
szacunkowej oceny gumy, stopnia jej zwulkanizowania, doboru dopuszczalnych wartości
odkształcenia itp.
Twardość gumy zwiększa się w niskiej temperaturze. Po osiągnięciu tzw. temperatury
kruchości guma traci elastyczność, staje się krucha i łamliwa. Temperatura ta dla gumy z kauczuku
naturalnego wynosi okoÅ‚o -60°C. Twardość zwiÄ™ksza siÄ™ też w miarÄ™ starzenia gumy. Badania
doświadczalne wykazują, że ze wzrostem twardości gumy wzrastają jej właściwości
wytrzymałościowe.
3.2. OZNACZANIE TWARDOÅšCI GUMY
W normie PN-80/C-01604.02 twardość gumy H zdefiniowana jest jako opór, jaki stawia
badany materiał podczas wciskania w niego określonego wgłębnika działającego na bardzo małej
powierzchni.
Twardość jest oznaczana zwykle przez pomiary oporu przy wciskaniu w badany materiał z
oznaczoną siłą kulki. Do symbolu H dodaje się indeks określający metodę pomiaru. Praktycznie,
wskaz
nikiem twardości jest głębokość zagłębienia wgłębnika pod działaniem stałego obciążenia dla
określonego czasu zagłębiania, przy czym większemu zagłębieniu odpowiada mniejsza twardość i na
odwrót. Stosowane twardościomierze pozwalają na ogół odczytywać bezpośrednio wartość twardości
w danej skali.
Wśród różnych metod oznaczania twardości gumy, jeszcze kilka lat temu najpopularniejszą
była metoda Shore'a, w której miarą było zagłębienie iglicy obciążonej sprężyną o określonej
charakterystyce. Twardościomierze były tak wyskalowane, że zagłębieniu iglicy 2,5 mm odpowiadała
twardość H = 0, a zagÅ‚Ä™bieniu 0  twardość H = 100° Sh. Szczegóły dotyczÄ…ce tej metody można
znalez
ć w normie PN-80/C-04238.
Obecnie powszechnie stosowaną metodą jest metoda oznaczania twardości gumy według skali
IRH, zgodnie z normÄ…:
PN-81/C-04203 - w zakresie 30 do 85 IRHD (stopni wg IRH) i
PN-77/C-04204 - w zakresach 10 do 35 oraz 85 do 100 IRHD.
Omówione w tych normach metody dotyczą oznaczania twardości wszystkich rodzajów gumy, z
wyjÄ…tkiem gumy porowatej.
Miarą twardości w skali IRH jest wielkość różnicy zagłębienia w badany materiał kulki o
określonej średnicy pod wpływem statycznego obciążenia wstępnego i pomiarowego. Twardość H =
100 IRHD odpowiada zerowemu wgłębieniu kulki, inne wartości twardości odpowiadają wgłębieniom
podanym w tablicach z-1 i z-2, odpowiednio dla metody normalnej i metody mikro. Zależności te nie
zmieniają się liniowo. Skala IRH została bowiem utworzona na podstawie zależności empirycznej
między różnicą zagłębienia kulki o określonych wymiarach pod wpływem obciążenia wstępnego i
pomiarowego a modułem Younga badanego materiału
gdzie: F - obciążenie pomiarowe [N],
E - moduł Younga [MPa],
R - promień kulki [mm],
h - różnica zagłębienia kulki [mm].
Zależność między twardością w skali IRH a logarytmem modułu E pokaza-no na rys. 3.1.
Rys. 3.1. Zależność między twardością w skali IRH a logarytmem modułu Younga
Dzięki takiemu doborowi skali wartość twardości gumy odczytana w skal IRH w przybliżeniu
odpowiada wartości twardości w skali Shore'a A.
3.3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
3.3.1. Warunki oznaczania twardości
W normie PN-81/C-04200 określone są ogólne warunki oznaczania twardości. Przykładowo,
badania należy przeprowadzać nie wcześniej niż po 16 h od czasu wulkanizacji, chyba że normy
przedmiotowe traktują inaczej. W przypadku badania próbek laboratoryjnych najdłuższy czas
przechowywania próbek przed badaniem nie powinien przekraczać 4 tygodni, a w przypadku badania
wyrobów gotowych i przygotowanych z nich próbek  3 miesięcy. W badaniach, w których wyniki
porównuje się między sobą, okres przechowywania próbek powinien być jednakowy.
3.3.2. Obsługa twardościomierza stosowanego w ćwiczeniu
Do oznaczania twardości gumy w skali IRH stosujemy w ćwiczeniu twardościomierz KP
15012, wyprodukowany w Zakładzie Produkcji Aparatury Badawczej KABID-PRESS w Warszawie.
Uwaga: Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapoznać się z instrukcją obsługi przyrządu.
Najistotniejsze punkty tej instrukcji:
1. Twardościomierz podłączyć do sieci; pomiary można przeprowadzać po15 minutach.
2. W zespole wskaz
ników  No pomiaru" powinien się świecić wskaz
nik  0". W przypadku
świecenia innego wskaz
nika nacisnąć przycisk  ZERO" (próbka nie powinna wtedy dotykać
końcówki wgłębnika, a dz
wignia powinna być podniesiona do góry).
3. Nastawić czas pomiaru zgodnie z wymogami normy na 30 s.
4. Za pomocą nakrętki podnosić stolik z położoną nań próbką do zetknięcia się ze stopką
urządzenia dociskowego, a następnie podnosić dalej aż do uzyskania obciążenia wstępnego
(pierwszy zapłon wskaz
nika  KALIBRACJA"). W przypadku zgaśnięcia lampki wskaz
nika
należy opuścić nieco stolik do ponownego jej zapalenia.
5. Dz
wignię obrócić w dół (do siebie), aby przyłożyć obciążenie robocze, a następnie po
nastawionym czasie pomiaru odczytać wynik pomiaru i podnieść dz
wignię do góry.
6. Opuścić stolik do utraty styku próbki ze stopką urządzenia pomiarowego.
7. Nie zerujÄ…c tym razem wskaz
nika  No pomiaru", wykonać w ten sam sposób drugi i trzeci
pomiar w innych punktach próbki, zanotować wyniki poszczególnych pomiarów oraz wynik
średni z trzech pomiarów. Dopuszczalna różnica między wynikami nie powinna przekraczać 3
IRHD. W przypadku większej - w protokole należy podać wyniki poszczególnych pomiarów.
8. Po wykonaniu pomiarów odłączyć przyrząd od sieci.
Twardościomierz KP 15012 służy do oznaczania twardości gumy w zakresie 35 do 85 IRHD.Użycie
dodatkowych wgłębników i stopek urządzenia dociskowego rozszerza zakres pomiarów od 10 do 100
IRHD. Należy wówczas trans-ponować wyniki odczytane na wyświetlaczu, korzystając z
nomogramów zamieszczonych w instrukcji obsługi przyrządu.
3.4. ZAWARTOŚĆ SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Dane dotyczące badanych elementów.
2. Wyniki pomiarów twardości.
3. Wnioski dotyczące ewentualnych niezgodności z normą.
Dokładniejsze omówienie tematyki dotyczącej zastosowania elementów gumowych oraz badań
właściwości gumy można znalez
ć w zalecanej literaturze.