《Mechanics of Solid Polymers》2.2.7硬度及压痕测试
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了Rockwell、Shore、Barcol硬度测试和纳米压痕测试等几种测量聚合物硬度的方法。Rockwell和Shore测试分别适用于硬性和软性塑料，简便快速但结果不预示其他性能。Barcol测试用于热固性聚合物硬度测量。纳米压痕测试则适用于难以获取大型样品的材料，评估非线性粘塑性响应。这些方法各有优势，但只能提供硬度的相对排名，不可作为唯一产品设计规范。
2.2.7 硬度和压痕测试
聚合物的硬度是与其固有的抗压能力相关的经验量。测量聚合物硬度的两种最常用方法是Rockwell硬度试验[18]和Shore（夏尔）硬度试验[19]。这些测试提供了一种快速简便的方法来表征聚合物的硬度。它们适用于对不同聚合物的硬度进行排名，但不一定能提供与其他基本材料性能相关的结果。
Rockwell洛氏硬度测试
洛氏硬度测试通常适用于硬性热塑性塑料，如聚碳酸酯和聚苯乙烯。对于这些材料，玻璃化转变温度以下的粘弹性流动阻力几乎与时间无关，因此提取的硬度值也几乎与时间无关。洛氏硬度试验通常遵循ASTM D785 [18]。在这个测试规范中，一个厚度至少为6毫米的试样被钢球压入。在钢球上施加小负载，记录位移，然后施加较大的负载并记录位移。在很短的时间内，在预载的情况下，测量压痕深度并用来计算硬度值。不同的洛氏硬度标度使用不同尺寸的钢球（3毫米到13毫米之间）和不同的负载（60千克到150千克之间）。用于塑料的三个最常用标度是Rockwell E、Rockwell M和Rockwell R。洛氏标度之间的相关性较弱，尝试在不同标度之间进行转换是不推荐的。这个测试得到的结果可以有效地衡量不同类型塑料的抵抗压痕的相对能力。然而，Rockwell硬度测试并不适用于预测其他性能，如强度、抗划伤、磨损或磨损性能，并且不应该单独用于产品设计规范。
Shore（Durometer）硬度测试
Shore（Durometer）硬度测试是弹性体的首选硬度测试方法，也常用于聚烯烃、氟聚合物和乙烯基聚合物等软性塑料。夏尔硬度测试通常遵循ASTM [19]标准。最常用的两种测试程序是ShoreA和ShoreD标度。ShoreA标度用于“软”橡胶，而ShoreD标度用于“硬”的橡胶。其他Shore标度，如Shore0和Shore1-1硬度，使用较少。Shore硬度是用一种称为夏尔硬度计的仪器测量的，确定的硬度值因此被称为Shore硬度。硬度值是通过压痕深度来确定的。压头的类型和施加的负载由Shore硬度标度决定。由于橡胶和塑料的粘弹性行为，压痕读数可能会随着时间的变化而改变，因此压痕时间有时会与硬度数一起记录。从这些测试中得到的结果可以有效地衡量不同等级聚合物的抵抗压痕的相对能力。
图2.24 硬度计的照片
就像洛氏硬度一样，Shore硬度值也不能直接提供其他性能的信息，如强度、抗划伤或磨损性能，并且不应该单独用于产品设计规范。不同Shore硬度标度之间的相关性较弱，尝试在标度之间进行转换是不鼓励的。同样，Shore硬度和洛氏硬度之间的转换也是不鼓励的。尽管存在这些局限性，但是展示不同硬度标度相关性的粗略指示仍然是有用的。
图2.25 用于不同聚合物类别的硬度标度，ShoreA和D主要用于橡胶弹性体和软热塑性塑料，Rockwell硬度测试常用于硬热塑性塑料
Barcol硬度测试
Barcol硬度测试是第三种用于测定增强和非增强热固性聚合物的硬度的测试方法，使用Barcol测试仪。测试程序的描述见ASTM D2583 [20]。测试程序是可移动的，因此适用于现场测试和质量控制测试。压头是一个截断的钢锥，装载到测试样品上。与其他硬度测试一样，Barcol硬度测试不能提供其他机械性能的直接信息，只能作为硬度的相对排名。
纳米压痕测试
仪器化的显微压痕和纳米压痕对于评估许多不同聚合物的非线性粘塑性响应非常有用。尤其适用于那些难以提取足够大测试样品而不便采用传统测试技术的情况。通常，纳米压痕测试系统通过在压痕棒上施加已知的力，然后通过指定的压痕尖端加载测试样品来操作。位移是通过精确的电容计测量得出的，见图2.26。从纳米压痕测试中可以获得的结果的一个例子如图2.27所示。在这种情况下，一种水凝胶材料被测试，使用纳米压痕仪在负载控制模式下运行。样品通过多个负载-卸载段和插入的蠕变段加载。这次测试的结果表明，在测试条件下，水凝胶发生了显著的蠕变。可以通过反向校准，使用特定加载几何和历史的有限元模拟来校准适合的材料模型。
图2.26 纳米压痕测试的示意图
图2.27 水凝胶材料的纳米压痕测试示例，该材料表现出非线性粘弹性响应
