关于D型邵氏硬度计在检定中的问题探讨

JJG304-2003《A型邵氏硬度计》检定规程中没有包括D型邵氏硬度计，是鉴于当时对D型邵氏硬度计的检定在压针硬度等方面存在技术问题没能得到有效解决。

随着进一步研究，JJG1039－2008《D型邵氏硬度计》检定规程终于颁布实施。

作为JJG304-2003、JJG1039－2008和相关国家标准的起草人，笔者在此介绍D型邵氏硬度计
检定的一些问题。

一、邵氏硬度计分类
邵氏硬度计也称邵尔硬度计，英文名称分别为Durometer和Shore hardness tester。

邵氏硬度试验方法历史悠久、应用广泛。

邵氏硬度计携带方便、结构简单、操作方便，特别适合于现场的硬度测定，长期以来，一直用于橡胶、塑料成品和半成品硬度性能测定以及产品质量控制。

邵氏硬度属于压入硬度，即测量规定形状的压针在一定条件下压入橡胶的深度，并换算为一定的硬度单位表示出来。

压入硬度数值与材料的弹性模量以及塑性变形、黏弹性有关。

由于测量结果受压针的形状和所施加的试验力的影响，所以不同类型硬度计所测得的结果没有简单的对应关系。

邵氏硬度试验的试验弹簧力是随硬度值不同而变化的，当压针压入试样时，弹簧受到压缩，产生弹簧力，和试样表面的反作用于压针的力相平衡。

试样硬度越高，反作用于压针的力越大，压针压入试样表面的深度就越浅；相反，试样硬度越低，反作用于压针的力越小，压针压入试样表面的深度就越深。

压针压入试样表面的深度与硬度值的关系可用下式表示：
T=2.5-0.025h（1）式中：T——
—压针压入试样表面的深度，mm；2.5——
—压针长度，mm；h——
—硬度计的示值；0.025——
—示值为一个硬度单位时，压针压入试样表面的深度，mm。

从式（1）可看出，压针压入试样表面的深度越大，其硬度值h就越小，反之，h就越大。

根据邵氏硬度计的原理，改变硬度计的压针形状和试验力大小可得出品种繁多的系列硬度计，用于测量不同硬度范围的材料，国家标准GB/T531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》等同国际标准ISO7619-1：2004，该标准规定了A、D、AO、AM四种标尺，其中A标尺适合于中硬度范围，D标尺适合于高硬度范围，AO标尺适合于低硬度范围，AM标尺适合于薄小样品。

具体使用时，D标尺低于20，则选用A标尺；A标尺低于20，则选用AO标尺；A标尺高于90，则选用D标尺；厚度小于6mm薄样品，则选用AM 标尺。

综上所述，D型橡胶硬度计是适合于高硬度橡塑材料测量的便携式硬度计。

二、邵氏硬度计检定方法
测量仪器示值误差的评定方法分为比较法、组合法和分部法。

绝大部分仪器示值误差的检定采用比较法，即和高准确度等级的测量仪器所提供的约定真值进行比较。

邵氏硬度计是为数不多采用分部法进行检定的计量基准以外的测量仪器，是因为目前尚不存在邵氏橡胶硬度基准机和标准硬度块。

分部法是根据被评定测量仪器的测量原理、结构，通过分析和试验得出影响测量仪器示值误差的参量，对各个参量进行评定并加以综合，得出被评定测量仪器示值误差的控制范围。

通常在不具备上级计量标准的情况下采用分部测量法。

如静重式基准测力机，是通过对加荷的各个砝码和吊挂部分的质量的测量，分析当地的重力加速度和空气浮力等因素，得出基准测力机示值误差的范围。

硬度不是物理量，这决定了硬度试验的特殊性和复
D型邵氏硬度计检定方法
□陈明华何广霖
陈明华，广东省计量科学研究院总工程师，教授
级高工，国家质检总局优秀中青年专家，主持和参加
多项橡胶硬度方面的国家标准和国家计量技术规范
起草工作。

计量校准：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ
计量校准：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ
杂性。

邵氏硬度不能和静重式基准测力机一样，建立仪器示值和各个影响参数之间严格的数学函数关系，各个参数对硬度计示值的影响只能由实验和经验得出。

由于邵氏D型硬度试验通常对样品具有破坏性，相对A型邵氏硬度计，分析参数对硬度计示值的影响难度较大。

首次颁布和实施的涉及邵氏硬度计的国家计量检定规程是JJG304-1982《橡胶硬度计》，但其实际上只包含了邵氏A型硬度计的检定，因为当时还没有推广橡胶国际硬度计，就把邵氏A型硬度计称为橡胶硬度计。

后来其修订为JJG304-1989《邵氏硬度计》检定规程，包含了邵氏A型、D型两种硬度计。

标准方面，除了前面已经介绍的等同国际标准
ISO7619-1：2004的国家标准GB/T531.1-2008外，没有相应的国家标准。

国际标准ISO21509：2006《塑料和硬质橡胶-邵氏硬度计的识别》详细规定了A型和D型邵氏硬度计的检定和校准，ISO18898：2006《橡胶-硬度计的校准和检定》则全面介绍了A型、D型、AO型和AM型，以及便携式橡胶国际硬度计、定负荷橡胶国际硬度计等各种橡胶硬度计及其检定/校准方法，两项标准各有侧重。

必须说明的是，GB/T531.1（等同ISO7619part1）对邵氏硬度计计量特性的描述与ISO21509基本相同，而ISO18898硬度计试验力偏差的要求比GB/T531.1、ISO21509等要严格，允差是GB/T531.1规定的一半。

JJG1039-2008采用了GB/T531.1的计量特性要求，是因为考虑到目前国内产品还达不到ISO1889的要求。

三、D型邵氏硬度计检定规程修订要点
1．压针方面
压针的硬度直接影响对硬度计的使用寿命，JJG304-1989对邵氏A型、D型两种硬度计压针的硬度要求是相同的，都是不低于700HV，这显然是不合理的，因为A型硬度计的压阵端面直径为0.79mm，最大试验力为8.1N，700HV对于邵氏A型硬度计是足够的；对于邵氏D 型硬度计，由于压针顶端球面半径很小（见图1），仅为（0.1±0.012）mm，而最大试验力达44.5N，通过对已经磨损的压针进行硬度测量的结果表明，700HV的规定是远远不够的，压针顶端球面非常容易磨损而超差，这就造成了一个令人痛苦不堪的现象，即使存在一个按照JJG304-1989判定为合格的邵氏D型硬度计，且压针硬度也满足该规程700HV的要求，如果按照JJG304-1989检定一遍后，压针顶端球面也将变形报废。

另外，标准规定只有在使用邵氏A型硬度计得到指示值超出90度时，才使用邵氏D型硬度计进行测量，这时被测样品的硬度已经高过硬度橡胶或者塑料，使邵氏D型硬度计压针顶端容易磨损压头弯曲或变形而不合格，磨损不仅使压针顶端的球面变成平面，压针的伸出也变短，对硬度计的示值有很大的影响，从而使D型邵氏硬度计的使用寿命缩短。

所以，如果压针硬度不足，无论是使用硬度计还是检定硬度计，都存在一定程度的破坏，造成D型邵氏硬度计按JJG304-1989检定合格率非常低，且压针顶端球面磨损是不能修复的，硬度计只能报废。

在一段时间里，为了避免因检定D型硬度计而带来的麻烦，许多计量部门和校准单位都停止了D型硬度计的检定、校准工作，给使用部门造成了许多不便，而有的计量技术机构认为压针几何尺寸的检定结果反正都不合格，就只检定试验力而不检定压针几何尺寸，但这明显不行，因为压针的磨损对硬度计的准确度影响非常大。

在JJG304-2003修订的过程中，由于这些问题还没有彻底研究清楚，所以该版本只包含了A型邵氏硬度计而没有包含D型邵氏硬度计。

鉴于D型邵氏硬度计压针硬度问题，我们开展了深入的研究。

表1结果表明，如果压针硬度达到1500HV，将可有效提高硬度计的使用寿命。

表1D型邵氏硬度计压针硬度研究
图1D型邵氏硬度计压针几何形状
计量校准：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ
所以JJG1039－2008对压针耐用性作出规定，要求压针应有足够的硬度，硬度计的压针垂直与平面钢块相接触，在连续加压至硬度计的压足平面与钢块平面紧密贴合后，压针不得产生明显的塑性形变。

并建议压针的硬度不低于1500HV。

D型硬度计压针硬度的大幅度提高也在一定程度上提高了对硬度计的质量要求。

D型硬度计压针的硬度提高到不低于1500HV，对硬度计制造厂家而言，只要选择合适的材料和工艺，是完全可以达到的。

另外，为了避免检定过程可能对压针的损伤，JJG1039－2008规定试验力检定过程时，测力仪器上应附加约10mm×8mm的黄铜垫块，或具有一定凹形几何形状的垫块，以使压针顶端受到一定程度的保护。

2．试验力和其他方面
试验力检定用测力仪器，可采用力传感器或电子秤，也可采用传统的机械式专用检定仪器。

在这里，包括JJG1039－2008的D型邵氏硬度计和JJG304－2003的A 型邵氏硬度计，我们推荐采用力传感器或电子秤代替使用机械式测力仪器。

用传感器校准试验力时，可用硬度计出厂所配硬度试验支架或其他专用夹具的支架进行，这使硬度计在校准时的状态与一般使用时的状态基本上保持一致，且非常简便、快捷。

在JJG304-1989中，硬度计检定时的试验力状态与一般使用时的状态不一致，因为规程中要求邵氏硬度计试验力检定时，为了消除主轴系统的摩擦力，要“微震硬度计，然后在硬度计上读取读数”。

这是难以准确实施的。

而JJG1039-2008规定邵氏硬度计进行硬度测量时，要求“检定时缓慢地上升测力仪器或下降硬度计，使硬度计压针的试验力施加到测力仪器上，当硬度计指针指示在某点位置时读取测力仪器上的数值，该数值即为该测量点的试验力”，在这过程中不能有任何震动。

硬度计在使用时存在着向上的摩擦力，使硬度计试验力增大，硬度计示值偏低。

实验表明，邵氏硬度计，尤其是国产的硬度计，存在相当大的摩擦力。

微震硬度计将消除主轴的摩擦力，同时也在一定程度上消除了加力弹簧弹性滞后的效应。

加力弹簧弹性滞后的效应表现是在没有摩擦力的情况下，由于弹性滞后的存在试验力的进程与回程是前者大于后者。

微震硬度计使测量结果对应于两者的中间值，弹性滞后的效应在低硬度（试验力小）不明显，高硬度时（试验力大）将非常突出，而且不同厂家的产品差别极大。

摩擦力和弹性滞后效应混合在一起，对试验力的方向影响更大，可达到对应（4～5）HD 硬度示值的变化。

JJG304-1989的检定方法基本上不考虑这两个因素的影响，但不同的硬度计摩擦力和弹簧弹性滞后不一样，所以，即使是按JJG304-1989检定合格的邵氏硬度计，之间的实际试验力可能差别也很大。

本次修订比较有效地解决了试验力检定与使用状态不一致的突出问题。

数字式邵氏硬度计的出现，出现了试验力和压针压入深度偏离线性关系的情况，JJG1039－2008增加了对应压针伸出量为2.00mm、1.25mm测量指示装置的指示值的检定，采用尺寸为（2.00±0.004）mm、（1.25±0.004）mm 的中央有一直径为3mm的通孔专用量块。

另压针最大伸出长度采用（2.540
-0.004
）mm、（2.46+0.004
）mm和中央通孔的量块进行检定。

四、结束语
JJG1039－2008颁布实施后，由于压针硬度的大幅度提高，有效解决了D型邵氏硬度计的使用寿命问题，可望摆脱D型邵氏硬度计合格率极低的尴尬局面，检定周期也从半年延长到一年，与国家标准ISO21509相同。

作者单位【广东省计量科学研究院】
为了使我国广大计量工作者了解美国的计量理念，中国计量协会组织人员完成了对美国计量人员的基本教程——
—《美国计量教程》的文字翻译工作。

该教程中英文对照，定价100元/本（含版权费），现已开始征订。

《美国计量教程》由美国沃克布斯培训机构组织美国国家标准与技术研究院（NIST）、德国联邦物理技术研究院（PTB）、福禄克等14个计量方面的研究院、计量器具生产企业的计量专家编写而成；共有25门计量专业课程，分别是电学、温度、质量、力学、长度、声学、光学、ISO17025等课程。

《美国计量教程》开始征订
计量校准：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ。