Разрывная сила при растяжении материалов

Лекция 10

РАСТЯЖЕНИЕ

1. Полуцикловые разрывные характеристики.

2. Полуцикловые неразрывные характеристики.

Текстильные изделия чаще всего испытывают деформацию растяжения. Этот вид деформации наиболее изучен.

Классификация характеристик, получаемых при растяжении материала, представлена на схеме.

Рис. Классификация характеристик, получаемых при растяжении материала

ПОЛУЦИКЛОВЫЕ РАЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Полуцикловые разрывные характеристики используются главным образом для оценки предельных механических возможностей текстильных изделий. По показателям механических свойств, получаемым при растяжении материала до разрыва, судят о степени сопротивления материала постоянно действующим внешним силам; показатели разрывной нагрузки и разрывного удлинения являются важными признаками доброкачественности материала.

Одноосное растяжение. Рассмотрим основные полуцикловые разрывные характеристики, получаемые при простом одноосном растяжении.

Показатели полуцикловых характеристик устанавливают при растяжении материала на разрывных машинах. Основные формы образцов, используемых для испытания на простое одноосное растяжение, и способы закрепления их в зажимах разрывной машины показаны на рис. 1.

Рис. 1 Формы образцов материалов и способы их закрепления в зажимах разрывной машины

Образец прямоугольной формы (рис. 1, а) принят в качестве стандартного для испытания тканей, трикотажных и нетканых полотен. Метод испытания, основанный на применении такого образца, часто называют стрип-методом. Для тканей установлены следующие размеры пробного образца: ширина — 25 мм, зажимная длина — 50 мм (в спорных случаях ширина 50 мм и зажимная длина 200 мм, а для шерстяных—100 мм). Для трикотажных и нетканых полотен ширина образца 50 мм и зажимная длина 100 мм.

Образцы, форма которых показана на рис. 1, б и в, применяются главным образом в исследовательской работе. Для испытания сильнорастяжимых материалов (трикотажные полотна, пленочные и другие материалы) иногда используют образцы в виде двойной лопаточки или в виде кольца, сшитого из полоски материала (рис. 1, г и д). При испытании текстильных материалов на простое одноосное растяжение получают следующие основные характеристики механических свойств.

Разрывная нагрузка (р.н.) Рр — усилие, выдерживаемое пробными образцами материала при растяжении их до разрыва, выраженное в ньютонах или деканьютонах (килограмм-силах). Она определяется на приборах, называемых разрывными машинами. Р.н. часто называют абсолютной прочностью.

l даH=10H = l,02 кгc (кГ).

Удлинение при разрыве (абсолютное разрывное удлинение) lр— приращение длины растягиваемого пробного образца изделия к моменту его разрыва. Получают абсолютную величину удлинения lр, мм, как разность конечной LK и первоначальной L0длины образца.

lр= LK — L0

Относительную величину удлинения изделия к моменту разрыва εропределяют как отношение lр к L0и выражают либо в долях единицы

εp =lp·/L0

либо в процентах

ε’p =lp·100/L0

Кроме того, принято определять удлинение при стандартной разрывной нагрузке — приращение длины растягиваемого пробного образца в момент достижения разрывной нагрузки, предусмотренной стандартами или техническими условиями на изделие.

При простом одноосном растяжении пробного образца наблюдается уменьшение его поперечных размеров (рис. 2). Это характерно для многих текстильных изделий. Наиболее значительно уменьшаются размеры в середине образца. Оценивают это свойство изделий коэффициентом поперечного сокращения К, который определяют как отношение относительного сокращения образца εс к относительному его удлинению εр.

где в и в1 —ширина образца до и после растяжения в мм;

L и L1 — длина образца до и после растяжения в мм.

Значение К для текстильных изделий колеблется в пределах 0,5 — 1,3.

Рис. 2. Изменение формы и размеров образца изделия при растяжении

Для всех текстильных изделий показатели разрывной нагрузки и разрывного удлинения являются важными стандартными (нормативными) показателями. Несоответствие фактических показателей разрывной нагрузки и разрывного удлинения нормативам государственного стандарта или технических условий — один из признаков недоброкачественности изделия.

При оценке механических свойств текстильных материалов важно знать не только разрывную нагрузку и удлинение к моменту разрыва, но и характер деформации материала. Графическое представление о зависимости между нагрузкой и удлинением при растяжении материалов дают диаграммы растяжения (рис. 3). Запись таких диаграмм производится с помощью самопишущего прибора на разрывной машине.

Рис. 3. Диаграммы нагрузка — удлинение (нечетными цифрами обозначены кривые удлинения материалов по основе (длине), четными — по утку (ширине):

1—2—Хлопчатобумажная ткань; 3—4— льняное полотно; 5—6 — хлопчатобумажная и шерстяная ткань; 7—8 — трикотажное хлопчатобумажное (гладь) полотно; 9—10 — нетканое хлопчатобумажное — холстопрошивное полотно

Как видно из рисунка, для текстильных материалов основных видов характерно значительное нарастание удлинения при незначительном увеличении действующей нагрузки. Особенно резко это проявляется у трикотажных и нетканых полотен, в меньшей степени у тканей, что объясняется главным образом особенностями структуры.

Для оценки прочностных свойств текстильных изделий применяют также относительные характеристики.

Относительная разрывная нагрузка Р0,даН·км/кг (кгс·км/кг), определяется отношением разрывной нагрузки, приходящейся на 1 мм ширины пробного образца материала, к массе 1 м2 этого материала.

где т — масса 1 м2 материала, кг;

b — ширина рабочей части пробного образца, мм.

Показатель относительной разрывной нагрузки, учитывающий массу материала, позволяет оценивать разные по массе материалы.

Важная характеристика прочностных свойств текстильных материалов — удельная (расчетная) разрывная нагрузка Ру — разрывная нагрузка, приходящаяся на элемент структуры материала (на одну нить основы или утка в ткани, на один петельный ряд или столбик в трикотаже, на одну строчку прошива нетканых полотен).

где Рр — разрывная нагрузка, даН (кгс);

Т – линейная плотность материала — число нитей в ткани, рядов или столбиков в трикотаже, строчек прошива в нетканом полотне, вдоль которых производится разрыв образца испытываемого материала.

Используя показатели разрывной нагрузки и плотности вещества (нитей), можно рассчитывать значение разрывного напряжения σр, Па (Н/м2) (механическое напряжение) по формуле:

где ρ — плотность (объемная масса) вещества (нитей), кг/м3.

При растяжении образцов затрачивается определенная работа, которая расходуется на преодоление энергии связей, действующих в материале (между волокнами и нитями, между макромолекулами в структуре волокна).

Работа разрыва показывает, какое количество энергии затрачивается на то, чтобы преодолеть энергию связи между частицами материала и довести его до полного разрушения. Характеризуется работа разрыва Rp геометрической площадью, ограниченной кривой разрыва и максимальными координатами Pр и lр.Абсолютную работу, затраченную на разрыв образца, можно рассчитать по формуле Rр, (кгс·см; Дж):

где η — коэффициент полноты диаграммы растяжения, определяемый отношением площади, ограниченной кривой растяжения, ко всей прямоугольной площади диаграммы, ограниченной сторонами Рр и lр, откуда:

Чем больше значение η, тем выше величина работы, совершаемой материалом при разрыве. Величина коэффициента η для разных текстильных материалов различна и составляет: для тканей 0,25—0,75; для трикотажных полотен 0,15—0,4; для нетканых (клееных) полотен 0,5—0,8.

Для материалов различной массы принято рассчитывать удельную работу разрыва rм, Дж, по формуле:

где т — масса 1 м2 материала, г.

Одноосное раздирание. При эксплуатации одежды, туристических палаток, чехлов и других изделий, изготовленных из тканей, ткани на участках карманов, клапанов и т. п. испытывают механическое напряжение. Это напряжение концентрируется на незначительном участке ткани, на группе или даже одной нити, вызывая разрушение ткани. Прочность при раздирании характеризуется раздирающей нагрузкой Рразд — усилием (кгс, даН), необходимым для разрыва специально надрезанной пробной полоски ткани. Эта нагрузка характеризует способность тканей выдерживать усилие, которое концентрируется на сравнительно небольшом ее участке, например при надрывах, при жестком закреплении края ткани и т. д. Существуют различные методы испытания тканей на раздирание. Г. Н. Кукин и Е. Ф. Федорова классифицируют методы испытаний на раздирание на две группы.

Методы первой группыхарактеризуются тем, что при испытании пробных образцов (полосок) происходит разрыв нитей, расположенных перпендикулярно направлению прикладываемой нагрузки.

Методы второй группы отличаются тем, что при испытании пробных образцов разрываются нити, расположенные вдоль направления действующей нагрузки.

Структура материала оказывает существенное влияние на показатели раздирающей нагрузки. Показатели раздирающей нагрузки во многом зависят от коэффициента уплотненности ткани: чем меньше коэффициент, тем выше раздирающая нагрузка. Коэффициент наполнения ткани также существенно влияет на раздирающую нагрузку. Для тканей из полиэфирных и вискозных нитей оптимальное значение раздирающей нагрузки отмечается при коэффициенте наполнения, равном 0,7—0,8.

Абсолютное значение раздирающей нагрузки Рразд определяют по формуле

где Рн. т — разрушающая нагрузка для нити в ткани.

Двухосное и многоосное растяжение. При изготовлении швейных изделий (особенно при формовании деталей), а также при эксплуатации одежды, парашютов, зонтов, парусов и других изделий материал, из которых они выполнены, в результате действующих нагрузок подвергается растяжению одновременно в различных направлениях. При этом развивающиеся в материале напряжения и деформации, как правило, не одинаковы в различных направлениях и зависят главным образом от строения и свойств материала, а также от вида и размеров изделия, характера выполняемой работы и других факторов. Изучение поведения текстильных материалов при двухосном и многоосном растяжении вызывает все больший интерес, а результаты этих исследований используются при разработке новых материалов, проектировании швейных изделий, оценке их качества.

Применяемые в настоящее время методы испытания подразделяют на две группы: первая — методы двухосного растяжения и вторая — методы многоосного растяжения.

Двухосное растяжение — одновременное деформирование материала в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Многоосное растяжение материал получает в основном при действии нагрузки, прикладываемой перпендикулярно плоскости образца. Такого вида нагрузки материал испытывает при продавливании его шариком или мембраной.