Свойства материалов при одноосном растяжении

Лекция 12

Волокна и элементарные нити. Для характеристики прочностных свойств волокон и элементарных нитей применяют показатель относительной разрывной нагрузки – Р_о, которая определяется как

Р_о = Р_р / Т, (1)

где Р_р – нагрузка при разрыве, сН;

Т – линейная плотность, текс.

Применение этого показателя неслучайно. Использование предела прочности сложно, т.к. точно рассчитать площадь поперечного сечения волокна невозможно.

Относительная разрывная нагрузка и относительное удлинение при разрыве волокон зависят от химического состава, способности макромолекул полимера агрегироваться, создавая разные надмолекулярные образования, строения волокна (трубчатое, трубчатое веретенообразное, монолитное и т.д.).

Наибольшую прочность имеют льняное элементарное волокно (54÷72 сН/текс), а наименьшую - элементарная нить из полиуретана (спандекс) (5÷10 сН/текс). Деформация при разрушении элементарного волокна льна – наименьшая (2,5%), а у полиуретановой элементарной нити – наибольшая – 600-800 %.

Пряжа и комплексные нити. Они являются производным материалом от волокон и элементарных нитей и имеют более сложное строение. Для них также определяют относительную разрывную нагрузку.

Прочность и деформация при разрыве пряжи зависит от вида волокна, длины волокна, технологии получения, числа кручений на 1 м длины.

Как для пряжи, так и для комплексных нитей наблюдается повышение прочности от числа кручений до некоторого максимального значения, после чего прочность падает. С повышением числа кручений пряжи увеличивается сила давления волокон друг на друга, а, следовательно, и сила трения между волокнами, которая и определяет прочность пряжи. Для комплексных нитей увеличение числа кручения влияет в меньшей степени, чем для пряжи. Т.к. прочность комплексной нити, в основном, определяется прочностью элементарных нитей, входящих в комплексную нить. Падение прочности при некотором значения числа кручений объясняется тем, что при значительных величинах числа кручений возникают внутренние напряжения, что и приводит к снижению прочности нитей. Как правило, данные изменения прочности наступают при К_ф>2000 кручений на 1 м.

Свойства тканей. Деформационно-прочностные свойства ткани оценивают разрывной нагрузкой и относительным удлинением при разрыве, которые нормируются нормативными документами по двум направлениям: по основе и утку. Прочность тканей меняется в широких пределах: от 100 до 1500 Н и зависит от ряда факторов: прочности нитей, образующих ткань, неоднородности нитей по прочности, вида переплетения, плотности ткани, направления раскроя ткани.

Неоднородность нитей по прочности и удлинению снижает прочность ткани. Первыми воспринимают нагрузку и разрываются нити, обладающие меньшим удлинением, после его усилие перераспределяется на оставшиеся нити и действующее на каждую из них усилие возрастает, а разрыв ткани происходит раньше, чем при условии одновременного разрыва всех нитей.

Полотняное переплетение при прочих равных условиях обеспечивает наибольшую прочность ткани, так как оно имеет частые связи между нитями. С увеличением длины перекрытий уменьшается число связей, и, соответственно, прочность.

С увеличением плотности ткани до некоторого предела увеличивается ее прочность, так как при повышении числа нитей на единицу длины ткани увеличиваются углы охвата нитей и, следовательно, площадь поверхности трения, возрастает связанность элементов ткани, становятся больше сила взаимного давления нитей основы и утка и степень сцепления волокон в пряже. За пределами оптимальной плотности не только прекращается рост прочности, но и вследствие излишней напряженности нитей происходит ослабление ткани.

Ткани обладают анизотропной структурой, поэтому их прочность в различных направлениях неодинакова. При приложении усилий растяжения под углом к нитям основы и утка прочность ткани меньше, чем при приложении усилий в продольном или поперечном направлении (рисунок 1).

Объясняется это, прежде всего, тем, что при растяжении образцов, вырезанных под углом к нитям основы и утка, обоими зажимами разрывной машины зажимается лишь часть нитей образца. Кроме того, прочность даже этой, зажатой обоими концами части нитей используется не полностью, т.к. нити располагаются под некоторым углом к действующей силе. При растяжении ткани в направлении под углом 45º к нитям основы наблюдается заметное увеличение прочности, которое объясняется тем, что растягивающее усилие начинает восприниматься нитями обеих систем.

1 – кривая разрывного усилия; 2 – кривая разрывного удлинения

Рисунок 1 – Зависимость прочности и деформируемости ткани от направления раскроя (значения разрывной нагрузки и удлинения по основе приняты за 100 %)

При растяжении ткани в направлении нитей основы или утка удлинение нитей происходит в результате распрямления и удлинения нитей, расположенных вдоль действующей силы. Распрямление нитей требует меньших усилий, чес их растяжение, которое связано с изменением наклона спиральных витков крутки, распрямлением и смещением волокон. Вследствие этого удлинение ткани на начальном этапе растяжения зависит от глубины и числа изгибов нити, приходящихся на единицу ее длины. Число изгибов нити, в свою очередь, зависит от вида переплетения и числа нитей на единицу длины ткани, а глубина изгиба – от толщины нитей перпендикулярной системы и фазы строения ткани. Поэтому, ткани полотняного переплетения имеют при прочих равных условиях наибольшее удлинение в сравнении с другими простыми переплетениями. С увеличением плотности удлинение ткани растет до определенного предела, после чего связанность элементов ткани делается настолько большой, что способность к растяжению падает. Ткани нулевой фазы строения могут иметь близкие показатели удлинения по основе и утку, т.к. изогнутость их нитей одинакова. Ткани же остальных фаз строения имеют большое удлинение в направлении изогнутой системы. Тягучесть тканей в различном направлении раскроя различна. Так как уточные нити обычно изогнуты сильнее основных, удлинение ткани по утку больше, чем по основе (рисунок 1). Наибольшая деформируемость ткани наблюдается при раскрое образцов под углом 45º.

Растяжимость тканей невелика. Относительное удлинение при разрыве составляет в среднем 5-20 %. Кривая нагрузка – деформация для ткани подчиняется степенной зависимости (рисунок 2). Причем для большинства тканей n<1, т.е. кривая имеет выпуклую форму.

Характер кривых существенно зависит от волокнистого состава, структуры ткани. Так, из натуральных волокон более растяжимы хлопковые, наименее – льняные. Следовательно, и деформируемость хлопчатобумажных тканей выше, чем льняных.

1, 2 – хлопчатобумажная ткань; 3, 4- льняное полотно; 5, 6 – хлопчатобумажная или шерстяная ткань; 7, 8 – трикотажное хлопчатобумажное (гладь) полотно; 9, 10 – нетканое хлопчатобумажное холстопрошивное полотно

Рисунок 2 – Диаграмма нагрузка-удлинение (нечетными цифрами обозначены кривые удлинения материалов по основе или длине, четными – по утку или ширине)

В сравнении с натуральной кожей удлинение ткани меньше. Поэтому они обладают худшими формовочными свойствами. Для нормального формования коэффициент поперечного сокращения тканей должен быть не менее 0,8.

Трикотаж. Так же как и для тканей для оценки деформационно- прочностных свойств трикотажа используют разрывную нагрузку и относительное удлинение по двум направлениям (по вертикали и по горизонтали). Прочность трикотажа зависит от прочности нитей, образующих его, структуры полотна, направления раскроя. Прочность трикотажа по вертикали, т.е. в направлении петельных столбиков, определяется величиной сопротивления нитей, образующих столбики. Максимальное значение прочности трикотажа - по вертикали.

Удлинение трикотажа значительно больше, чем у тканей (рисунок 2), в результате чего они хорошо формуются. Удлинение трикотажа, в основном, обуславливается его петельной структурой (удлинением самой петли), а сами нити удлиняются незначительно. Максимальное значений удлинения трикотаж имеет в направлении петельных рядов (по горизонтали) – в 2-5 раз больше, чем по длине.

Нетканые материалы. Аналогично тканям и трикотажу для оценки деформационно- прочностных свойств нетканых полотен используют разрывную нагрузку и относительное удлинение по двум направлениям (в продольном и поперечном). Прочность нетканых материалов зависит от свойств элементов структуры, способа крепления элементов структуры.

Так, для холстопрошивного нетканого материала разрывная нагрузка может быть определена суммой разрывных нагрузок волокнистого холста и прошивных нитей. Причем, большую роль играет прочность прошивных нитей. Прочность холстопрошивных нетканых полотен по длине в 4-4,5 раза больше, чем по ширине. Удлинение этих материалов по ширине больше в 2-2,5 раза, чем по длине.

Прочность клееных нетканых материалов зависит от вида волокнистого материала, ориентации волокон, типа, количества и характера распределения связующего. Свойства нетканых полотен, изготовленных аутогезионным способом, зависят от числа связей между волокнами и усадки термоплавких волокон. Изменяя доли термоплавких и термоусадочных полотен, удается регулировать свойства материала при растяжении. Если ориентация волокон в волокнистом холсте изотропна, то свойства полотна при растяжении по разным направлениям равномерны.

Прочностные и деформационные свойства иглопробивных полотен зависят от вида волокнистого материала, числа проколов на единицу площади, формы иглы и т.д. Чем больше частота проколов на 1 см², тем больше контактов между волокнами (связанность) и выше прочность материала. Деформационные свойства при этом снижаются. Повышение прочности наблюдается до определенного числа проколов на 1 см² , после чего она падает. Это связано с ростом числа повреждений волокон в полотне.

Искусственные кожи. Механические свойства искусственных кож во многом определяется свойствами основы. Тканевая основа придает высокую прочность и низкую растяжимость. Трикотажная – низкую прочность и высокую растяжимость. Материалы на нетканой основе занимают промежуточное положение между материалами на тканевой и трикотажной основе.

Прочность искусственных кож, характеризуемая разрывной нагрузкой, может изменяться от 70 до 1500 Н и зависит от назначения материала. Так, обувная кирза имеет нагрузку при разрыве 1200 Н, галантерейная винилискожа – Т - 200 Н. Прочность искусственных кож в машинном направлении (вдоль рулона), как правило, несколько больше, чем поперек, из-за ориентации структурных элементов при вытягивании основы и нанесении покрытия.

Относительное удлинение при разрыве изменяется в широких пределах: от 6 до 400 % в зависимости от типа основы. Наименьшее – у искусственных кож на тканой основе, наибольшее – у искусственных кож на трикотажной основе.

Степень анизотропии искусственных кож различна. Так, коэффициент анизотропии относительных удлинений составляет от 0,1 до 0,9. Наиболее равномерны (изотропны) синтетические кожи без основы или искусственные кожи на нетканой основе, полученной иглопробивным способом. Наиболее анизотропны (неравномерны) искусственные кожи на тканевой или трикотажной основе.

Картоны. Связь между напряжением и удлинением для картонов в воздушно-сухом состоянии выражается прямой линией до начала течения материала, после чего следует его быстрое разрушение, т.е. картоны практически до разрыва подчиняются закону Гука. Для оценки прочности картонов используют предел прочности. Особенность строения картона (склеивание волокон), определяет такую его особенность: при намокании прочность картонов существенно падает. Поэтому для этого материала определяют и нормируют предел прочности после его намокания в воде. Кроме того, определяют коэффициент мокростойкости, который равен

К_м = σ_м / σ_с , (2)

где К_м – коэффициент мокростойкости;

σ_м – предел прочности после намокания в воде;

σ_с – предел прочности в сухом состоянии.

Коэффициент мокростойкости зависит от состава, метода производства. Картоны на основе кожевенных волокон с латексной пропиткой имеют более высокий коэффициент мокростойкости (0,7-0,8). Для картонов из кожевенных волокон многослойного отлива - 0,5. Для картонов из целлюлозного волокна - 0,3. Картоны, обладающие высокой мокростойкостью (не менее 0,5÷0,7), как правило, обладают хорошими эксплуатационными свойствами.

Предел прочности картонов изменяется в интервале 12÷30 МПа и зависит от волокнистого состава, проклеивающей композиции, способа отлива, направления раскроя. Для картонов многослойного отлива предел прочности при растяжении в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном. Для картонов однослойного отлива эта разница малозаметна. То есть анизотропия картона зависит от способа его отлива.

Удлинение для картонов различно в двух направлениях: в продольном направлении оно меньше, чем в поперечном. Относительно удлинение при разрыве для картонов нормируется в сухом состоянии, причем указывается интервал. Нижний значение удлинения обеспечивает формование картонов. Верхний предел ограничивается, т.к. прочность картонов снижается с повышением удлинения.

Сопротивление расслаиванию выше у картонов однослойного отлива, чем у многослойного отлива.

Кожа. Кожа имеет волокнисто-сетчатую структуру. Поэтому ее поведение при растяжении существенно отличается от поведения кристаллических материалов (например, стали). Если для металлов наблюдается прямая пропорциональная зависимость деформации от приложенной нагрузки (закон Гука), то для кожи эта связь имеет более сложный характер и выражается обычно степенным уравнением. Для большинства кож показатель степени - n < 1, следовательно, графически эта зависимость выражается кривой с выпуклостью в сторону оси абсцисс. Исключение составляют кожи II и III класса, сильно вытянутые в направлении, в котором будет проводиться растяжение (n = 1). И кожи, у которых волокна сильно прижаты друг к другу и склеены. В этом случае n>1. Для кож III класса такая кривая характеризует их плохое качество.

Для характеристики механических свойств кожи при растяжении служат показатели предела прочности при растяжении, напряжения при появлении трещин лицевого слоя, относительного удлинения при напряжении 10 МПа и при разрыве, жесткости и модуля упругости.

Предел прочности при растяжении нормируется стандартами на все виды кожи и служит важнейшим показателем ее механических свойств. Резкое снижение прочности кожи на разрыв свидетельствует об ослаблении или даже разрушении ее волокнистой структуры, причиной чего может быть недоброкачественное сырье либо нарушение технологических режимов выработки кожи. Поэтому предел прочности при растяжении является важным контрольным показателем правильности выработки кожи. Недостаточная прочность кож на разрыв приводит к возникновению брака в процессе производства изделий, снижает износостойкость обуви.

Прочность кожи (предел прочности) при растяжении зависит от вида кожевенного сырья и метода переработки. Важнейшее значение имеет вид сырья. Предел прочности кожи при растяжении колеблется от 8 до 50 МПа. В ГОСТ на кожу этот показатель нормируется «не менее», т.е. нижний предел, в зависимости от вида кожи. Наиболее высокий предел прочности при растяжении имеют кожи, выработанные из шкур КРС.

Прочность кожи зависит от содержания в ней влаги. Например, увлажнение кож для низа обуви с плохо разделенной структурой повышает предел прочности при растяжении на 40-50 %. Аналогично влияет на кожу наличие жирующих веществ.

Предел прочности неодинаков в разных направлениях кожи и на различных участках. Наибольшую прочность в большинстве случаев кожа имеет вдоль хребтовой линии. Наибольшей прочностью обладает чепрачная часть кожи.

Анизотропия кожи проявляется и в неравномерном распределении прочности по толщине кожи. Так, прочность сетчатого слоя больше, чем сосочкового. Поэтому, ГОСТ нормирует напряжение при появлении трещин, которое для мягких кож обычно составляет 70-80 % от предела прочности. Соотношение толщин сосочкового и сетчатого слоев определяет прочность кожи в целом.

Способность кожи к удлинению под действием растягивающей нагрузки играет большую роль в технологии изготовления и при эксплуатации обуви. Верх обуви из малорастяжимых кож плохо формуется, трудно приформовывается к стопе носчика. Верх обуви из сильно тягучих кож быстро теряет форму. В качестве характеристики тягучести ГОСТ на кожи для верха обуви и подкладки нормирует относительное удлинение при напряжении 10 МПа, например, для выростка хромового дубления – 15-28 %.

В общем удлинение при σ=10 МПа кож для верха обуви обычно колеблется от 15 до 40 %, у кож для низа – от 8 до 12 %. Удлинение кож при разрыве доходит до 80 %.

На удлинение кожи влияют вид кожевенного сырья, метод его переработки (особенно механические операции) и содержание влаги. Удлинение кожи неодинаково в разных направлениях и на различных участках. Участки кожи, имеющие высокий предел прочности, характеризуются меньшими удлинениями. Увлажнение кож повышает их тягучесть, что и используется при производстве.

Анизотропия структуры и свойств кожи проявляется в распределении удлинений по ее площади. По данным М.П. Куприянова распределение линий наименьших удлинений может быть представлено следующим образом.

Чепрак имеет более или менее равномерное удлинение во всех направлениях. А в полах и воротке, кожа тянется в разных направлениях весьма неравномерно. А именно, линии наименьшей тягучести на воротке расположены вдоль хребта и под углом 135° к хребтовой линии, в полах – вдоль хребта и под углом 45° к хребтовой линии, в лапах – вдоль лап. Это распределение удлинений по коже принимается во внимание при раскрое. В чепрачной части коэффициент равномерности, определенный по относительному удлинению при напряжении 10 МПа, равен 0,8-1,0, то свидетельствует о высокой изотропности деформационных свойств кожи. В других топографических участках кожи коэффициент равномерности равен 0,2-07.

Условный модуль упругости и жесткость особенно важны для жестких кож, т.к. от них зависит гибкость обуви – один из основных показателей ее качества. Кожи для верха обуви имеют условный модуль упругости, равный 15-50 МПа, кожи для низа – 70-100 МПа. Жесткость этих кож соответственно составляет 200-600 и 2000-40000 Н. Величина условного модуля упругости подошвенных кож нормируется стандартом.

При одноосном растяжении кожи, как и для других материалов, наблюдается поперечное сокращение образцов, которое для мягких кож изменяется от 0,5 до 1,4.

Резина. Кривые растяжения резин, как и кож, могут быть выражены степенным уравнением, но показатель n для резин > 1. При деформации до 10 % резина подчиняется закону Гука.

Прочность резины зависит от состава и строения. Решающую роль играет природа каучука – его линейность, регулярность и т.д. Резины на основе кристаллизующихся каучуков (натуральный, полихлоропреновый и др.) имеют повышенное сопротивление растяжению. Резины на основе натурального каучука имеют предел прочности 30-35 МПа, а на основе некристаллизующегося бутадиенстирольного каучука СКС-30 - 20÷23 МПа.

Резины на основе некристаллизующихся ориентированных каучуков ведут себя при растяжении подобно резинам на основе кристаллизующихся каучуков.

Резины на основе полярных каучуков (полихлоропреновый, бутадиен-нитрильный и др.) имеют большую прочность при растяжении, чем резины на основе неполярных каучуков (бутадиен-стирольный, бутадиеновый).

Кроме каучука, на свойства резин влияют и другие компоненты резиновых смесей. Так, активные наполнители повышают прочность резин. Мягчители отрицательно влияют на прочность резины. Увеличение содержания вулканизующих веществ приводит к повышению прочности и снижению удлинения.

Снижение плотности резин приводит к значительному снижению прочности. Так, пористые резины марки В плотностью 0,35-0,5 г /см³ имеют предел прочности при растяжении 2,1-2,5 МПа, а непористые марки В плотностью 1,3-1,5 г/см³ - 4÷4,5 МПа.

По сравнению с натуральной кожей резины обладают меньшим пределам прочности при растяжении (примерно в 2 раза).

Резина обладает небольшой степенью анизотропности (коэффициент равномерности k≥0,8), которая вызвана, в основном, двумя причинами:

- ориентацией структуры вдоль направления каландрования резиновой смеси, которая сопровождается повышением прочности и снижением удлинения в этом направлении;

- неравномерностью распределения теплового поля вулканизационных прессов по площади и толщине пластины или детали.

Резины обладают высокой растяжимостью. Общее относительное удлинение при разрыве резин составляет 150-300 %. Установлено, что резины с пониженным относительным удлинением менее долговечны при эксплуатации. Деформационные свойства резин определяются ее составом, прежде всего видом и количеством мягчителей и наполнителей. Каландровый эффект приводит к повышению относительного удлинения при разрыве в поперечном направлении, по сравнению с продольным.

Важное значение для резин имеет остаточная деформация после разрушения:

Ɛ_о = 100∆l_о / l, (3)

где Ɛ_о – остаточная деформация после разрушения;

∆l – приращение длины рабочей части образца после разрушения и пролежки образца в течение 1 мин;

l _о – первоначальная длина рабочей части образца.

Обычно для подошвенных резин регламентируется верхний предел остаточного удлинения – не более. Для разных видов резин верхний предел составляет 20÷35 %. Введение ограничения верхнего предела остаточного удлинения обусловлено следующим:

- излишне упругая резина, т.е. с небольшой величиной остаточной деформации, при прессовании подошвы может вызывать ее отклейку (при повышении давления подошва увеличивает размеры, а при снятии давления стремится принять исходные размеры. Это приводит к возникновению напряжений в клеевом шве);

- большая величина остаточного удлинения может привести к растаптыванию подошвы при эксплуатации обуви.

Долговечность подошвенных резин характеризуют показателем запас прочности З, определяемый по формуле

З = Р_р / Р_25%, (4)

где Р_р - нагрузка при разрыве;

Р_25% - нагрузка при деформировании пробы на 25%.

Запас прочности у резин должен быть не менее 3. При меньшем запасе прочности износостойкость резин резко падает.

Дата добавления: 2014-01-04