Metodos Shore e IRHD para ensayos de dureza en gomas

Por Marcelo Valdéz
Adaptado del documento "Understanding the IRHD and Shore Methods" por Universidad de Greenwich, Escuela de Ingeniería, Campus Medway, Inglaterra.

La dureza es una de las propiedades más ampliamente utilizadas para caracterizar las gomas. Dos escalas, en general, son utilizadas a nivel mundial -la escala IRHD (Escala Internacional de Dureza en Gomas, "International Rubber Hardness Degree") y la escala Shore. Los dos métodos de ensayo usan geometrías totalmente diferentes para el indentador, asi como diferentes fuerzas aplicadas, tiempos de ensayo y procedimientos. Existen instrumentos para la mayoría de esas escalas -tanto como instrumentos de mesa como versiones manuales- con muy poco conocimiento sobre las diferencias que existen entre ellos. Para goma, las escalas IRHD-Micro y Shore-A son las más usadas. El ensayo IRHD es generalmente no-destructivo, y como tal, debe ser preferido para la inspección de los productos terminados. En contraste, el método Shore es a menudo destructivo (dejando una deformación permanente), pero tiene la ventaja de tardar solamente de 1 a 3 segundos.

El instrumento para ensayos IRHD-Micro fue introducido en los años 50 como una versión reducida del ensayo IRHD de Carga Muerta. Los resultados dados por ambos tipos de ensayo son generalmente similares.

En contraste, los resultados obtenidos con los métodos Shore-A y Shore-M no son similares entre sí.

La experiencia ha mostrado que existe un grado de confusión entre algunos usuarios de ambas escalas.

En 1993, Briscoe y Sebastian analizaron el desplazamiento de los indentadores, calculando una relación aproximada entre IRHD y Shore-A, según la siguiente fórmula:

IRHD ~ ShoreA + 4

Aunque esta aproximación es muy dependiente de la composición de la probeta.

Subtipos del método IRHD

Existen cuatro métodos IRHD en uso:

ensayo de dureza NORMAL (carga muerta): es utilizado para muestras de mas de 4mm de espesor, y preferiblemente usado para gomas en el rango de 35 y 85 grados IRHD (aunque, con reservas, puede ser ampliado al rango entre 30 y 95 grados) ensayo de ALTA dureza: se utiliza para usar probetas de las mismas dimensiones que en el ensayo Normal, pero en el rango de 85 a 100 grados IRHD. ensayo de BAJA dureza: debe realizarse con muestras de más de 6 milímetros de espesor, y durezas en el rango de los 10 a los 35 grados IRHD. MICRO ensayo: pueden utilizarse muestras de menos de 4mm de espesor para gomas en el rango de 35 a 85 grados IRHD.

Todos los métodos IRHD utilizan un indentador de geometría esférica. Sus diámetros varían según el tipo de método. las fuerzas aplicadas son las mismas para Normal, Alta dureza y Baja dureza, pero el ensayo MICRO requiere fuerzas menores.

Es importante destacar que la escala IRHD es no-lineal.

Subtipos del método SHORE

Existen ocho tipos de escala Shore: A, B, C, D, DO, O, OO y M, que son utilizadas para medir un amplio rango de materiales.

El subtipo M es usado para ensayar gomas delgadas en el rango de los 20 a los 90 grados Shore y utiliza un indentador muy pequeño y redondeado. Para las muestras demasiado delgadas, la dureza del plato soporte comienza a influir en la medición.

Fuerzas aplicadas

El médodo IRHD se basa en el uso de cargas muertas (pesas). Un "pie" es utilizado para mantener la probeta en su lugar con una fuerza de 8.3N (846 gramos) o 235mN (24 gramos) para el ensayo MICRO.

Luego una carga muerta primaria de 0.3N (30.6 gramos) o de 8.3mN (846 miligramos) es aplicada por 5 segundos para establecer una posición base.

Enseguida una carga secundaria de 5.4N (550.65 gramos) o de 145mN (14.79 gramos) es aplicada por 30 segundos.

El desplazamiento incremental producido desde la posición base es medido, y convertido a un valor IRHD (se trata de una escala no-linal definida en el standard correspondiente).

El desplazamiento a fondo de escala del ensayo NORMAL es de 1.8mm, mientras que el ensayo MICRO usa unos 0.3 milímetros.

En contraste, los instrumentos Shore utilizan resortes calibrados. Por ejemplo, el Shore-A utiliza un resorte que varía desde 0.5N hasta 8.1N (para el máximo desplazamiento) mientras que el Shore-M usa un resorte de 0.3 hasta 0.8N. El pie de base aplica una fuerza suficiente para superar la fuerza del resorte. Una vez que el pie hace contacto con la muestra, se anota la profundidad del indentador luego de un tiempo que varía de 1 a 3 segundos. El standard DIN utiliza 3 segundos, ya que la lectura generalmente está cambiando en forma apreciable al cabo de sólo 1 segundo.

Las fuerzas se incrementan linealmente con el desplazamiento del indentador (el desplazamiento a fondo de escala es de 2.5mm para la escala A, y de 1.25mm para la escala M)

La escala IRHD fue hecha corresponder a la escala Shore en el año 1948 en cuanto a que un número grande indica una dureza alta, y un número pequeño indicaba una dureza baja. El test MICRO fue diseñado para ser una versión a pequeña escala del test NORMAL (la razón de reducción de los desplazamientos fue de 6 a 1). Las fuerzas aplicadas se redujeron en una proporción de 36 a 1.

La nueva escala MICRO fue diseñada para obtener el mismo resultado de ambos instrumentos. De la misma forma, los resultados de los ensayos NORMAL, ALTO y BAJO muestran correlación.

Por otra parte, el ensayo Shore-M no fue diseñado como una versión a pequeña escala del Shore-A, sino simplemente como un instrumento que sea capaz de medir pequeñas muestras. Utiliza un indentador y un resorte sin relación con el Shore-A, por lo tanto no existe una relación sencilla entre ambos instrumentos.

La mayoría de las gomas y elastómeros utilizan las escalas Shore-A y Shore-M.

Sus equivalentes corresponden a los instrumentos IHRD-NORMAL e IRHD-MICRO.

PRUEBAS EXPERIMENTALES

Las probetas standard dieron resultados repetibles usando instrumentos MICRO y NORMAL. Para los métodos Shore-A y Shore-M se obtuvieron resultados equivalentes y repetibles.

Las lecturas tomadas en el ensayo NORMAL resultaron consistentemente mayores que las lecturas del Shore-A en unas pocas unidades en el rango de 40 a 90 IRHD.

En cambio, los resultados del Shore-M tendieron a diverger de los resultados del test MICRO al aumentar la dureza.

Relación entre los instrumentos MICRO (Shore-A e IRHD-Normal) y MACRO (Shore-M e IRHD-Micro)

Se utilizaron instrumentos IRHD-NORMAL y SHORE-A para ensayar probetas Wallace (de 2mm de espesor). Como se esperaba, los resultados fueron distintos de aquellos obtenidos usando el instrumento especifico para este tipo de muestras (el MICRO y el SHORE-M). Las gomas más blandas mostraron grandes diferencias entre los resultados obtenidos con los instrumentos MICRO y MACRO (les llamo "MICRO" a los instrumentos IRHD-MICRO y SHORE-M, y "MACRO" a los IRHD-NORMAL y SHORE-A) Para la probeta más dura (76-79 IRHD) el instrumento NORMAL dio un valor muy parecido al MICRO. El instrumento SHORE-A dio resultados apenas por debajo del SHORE-M pero las lecturas estuvieron muy cercanas.

Efectos del Espesor

Una vez que las muestras de 2mm fueron plegadas hasta alcanzar los 8mm de espesor (el espesor standard requerido por el instrumento NORMAL) los resultados quedaron dentro de las tolerancias especificadas para las probetas Wallace utilizadas. Incrementando aún más el espesor de las probetas, los resultados cambiaron muy poco. Para el instrumento Shore-A, se plegaron las piezas hasta alcanzar los 6mm de espesor (el standard requerido por Shore-A) y los resultados no fueron equivalentes al valor obtenido al utilizar el instrumento Shore-M.

Efecto del espesor entre Shore-M e IRHD-Micro

Hasta 5 piezas de neopreno de 0.6mm de espesor fueron plegadas, llevando el espesor de las muestras hacia la región de tolerancia standard y un poco más allá. Ambos métodos IRHD-Micro y Shore-M mostraron un continuo decrecimiento de la dureza al incrementar el espesor. Como antes, los valores obtenidos del test IRHD fueron consistentemente mayores a los obtenidos por el método Shore-M.

Efecto de la temperatura

Aumentando la temperatura por 10º se notaron pequeñas diferencias en los resultados obtenidos usando instrumentos IRHD-Normal.

Utilizando instrumentos Shore-A se obtuvieron diferencias apenas menores.

Efecto de las superficies curvas

Pequeños anillos "O" fueron desplazados lateralmente en incrementos de 0.25mm. Superficies curvas mayores fueron desplazadas en incrementos de 0.5mm. Al graficar las curvas, se aprecia el cambio en la dureza aparente a medida que la probeta es desplazada con respecto al indentador. En general, las curvas resultantes resultaron más planas al utilizar el instrumento IRHD-Micro que las mostradas por el instrumento Shore-M, el cual produjo curvas con mayores picos, y la dureza aparente disminuyó rápidamente a cada lado del punto más alto de la sección del anillo (centro).

CONCLUSION

Los diferentes instrumentos exhiben ventajas y desventajas con determinados tipos de muestras. Los instrumentos IRHD son preferibles para ensayos no-destructivos, y el IRHD-MICRO es generalmente una mejor opción para probar superficies curvas.

El instrumento Shore-A es preferible para espesores no-standard y cuando se necesita evitar los 30 segundos que demora el IRHD-M.

Una temporización precisa y repetible es crítica para permitir a los instrumentos IRHD y Shore generar resultados consistentes y comparables.

Traducción y adaptación
iee Marcelo Valdéz

Adaptado del documento "Understanding the IRHD and Shore Methods" por Universidad de Greenwich, Escuela de Ingeniería, Campus Medway, Inglaterra.

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