Механический износ материалов

Вопрос 1. Основные понятия

Лекция 14

Бенчмаркинг

Тема «Износ материалов»

Изделия легкой промышленности в процессе эксплуатации и хранения подвергаются различным воздействиям со стороны окружающей среды и постепенно утрачивают свои свойства, ухудшается их внешний вид. Изменение исходных свойств материалов протекает во времени. Процесс постепенного ухудшения свойств материала и его разрушение при эксплуатации называют изнашиванием. Результат изнашивания обычно называют износом, а сопротивление материала действию разрушающих факторов – износостойкостью.

Износ материалов наступает в результате одновременного комплексного действия следующих факторов:

1. Механических – истирание и потеря прочности от многократных воздействий растягивающих, сжимающих, изгибающих усилий и т.д.

2. Физико-химических – действие температуры, солнечной радиации, кислорода, атмосферных осадков, пыли, грязи, пота, стирки, химчистки, агрессивных сред.

3. Биологических – воздействие микроорганизмов, вызывающих процесс гниения материалов, бактерий, плесневых грибков, насекомых, грызунов.

Например, подошва в процессе носки обуви испытывает трение о грунт, изгиб и растяжение при изгибе стопы, сжатие, ударные нагрузки, действие светопогоды, агрессивной среды и т.д. Материалы одежды в процессе носки испытывают истирание, многократные растяжения и изгибы, действие светопогоды, стирки или химчистки.

Износ материалов как в обуви, так и в одежде происходит неравномерно. Например, в обуви наиболее быстро изнашиваются: набойка, подошва, каблук, союзка, пяточная часть подкладки; в к/г изделиях – углы портфелей и чемоданов, в швейных изделиях, например, в мужских сорочках - верхняя часть спинки; в мужских брюках – низ, участки сидения, коленей, карманы; на пиджаке – низ и локтевой участок рукава, края борта, обтачка карманов, верхний воротник. Поэтому важно создавать изделия так, чтобы материалы выходили из строя под влиянием факторов износа приблизительно через одинаковый интервал времени.

Для всех изделий легкой промышленности основным фактором износа является механический – утомление и истирание. Процессы утомления и истирания были рассмотрены ранее.

Утомление - п роцесс постепенного изменения структуры и свойств материала вследствие его многократной деформации. В результате утомления материала появляется усталость — нарушение или ухудшение свойств материала, не сопровождающееся существенной потерей массы.

Истирание – изнашивание поверхностного слоя взаимодействующих материалов в результате трения, сопровождается существенной потерей массы материала. Износ материала при истирании происходит чаще всего в результате усталостного или абразивного изнашивания.

При эксплуатации изделий из кожи контакт их с опорной поверхностью, другими предметами и телом человека носит постоянных характер. В результате поверхность трущихся деталей разрушается. Износ происходит по-разному в разных деталях в зависимости от того, с чем они соприкасаются, какая сила при этом воздействует и в каких условиях это происходит. Но общее явление разрушения при трении, вероятно, одно и то же.

Во-первых, происходит истирание поверхности, подобное абразивной обработке, состоящей в резании поверхности материала острыми ребрами абразива (абразивное истирание).

Во-вторых, при трении в местах соприкосновения материала и опоры происходит местная крайне незначительная деформация материала. Вначале она идет обратимо, затем в силу многократного циклического воздействия появляется необратимая деформация. Ее наращивание приводит к местному разрушению материала, вызывающему отрыв отдельных частиц (усталостное изнашивание).

Наибольшему истиранию подвергаются детали низа обуви, входящие в соприкосновение с опорой (подошва, каблук, набойка). Изучение механизма истирания подошв проводилось различными исследователями (Платунов К.М., Закатова Н.Д., Черников Н.Н.). Установлено, что, с одной стороны, истирание подошвы происходит в результате скольжения подошвы по опоре при движении человека. При этом твердые зерна опоры при значительном давлении стопы на опору несколько углубляются в более мягкий материал подошвы, деформируют его и разрушают при скольжении одного материала по другому, оставляя на поверхности царапины. Многократное воздействие массы зерен опоры (абразива) на материал приводит к большому количеству царапин и к отделению от его поверхности мелких частиц материала.

С другой стороны, скольжение является только небольшой частью трения подошвы об опору. Кроме трения скольжения имеется другое трение, вызывающее износ поверхностного слоя. Таким трением является трение качения. Оно возникает потому, что в момент соприкосновения подошвы с опорой происходит ее изгибание и подошва как бы перекатывается по опоре. При этом твердые зерна опоры вдавливаются в материал и производят местную поверхностную деформацию и нарушают некоторые связи. Повторные воздействия зерен в областях, близких к первой, приводит к более значительному нарушению связей. В результате массовых повторных воздействий все связи, окружающие малую частицу, оказываются нарушенными, и частица отделяется от поверхности материала. Происходит его износ.

Установлено, что при истирании подошвы происходит повышение температуры поверхности. Этому способствует большое давление, возникающее в момент опоры. Удельное давление в точках соприкосновения составляет 200-500 кгс/см². При движении человека при таком давлении на поверхности подошв возникает в очень короткие промежутки времени температура 80-90 °С. В зависимости от устойчивости материала к тепловым воздействиям это повышение температуры может сильно влиять на его истираемость. Для гидрофильных материалов повышение температуры значительно увеличивает износ.

Для материалов швейных изделий наиболее характерен усталостный вид механического истирания, а для материалов обувных и кожгалантерейных изделий возможно как усталостное, так и абразивное истирание и их сочетание.

При истирании текстильных материалов на их поверхности образуются небольшие шарики (пилли) из закатанных кончиков и отдельных участков волокон. Такая способность тканей называется пиллингуемостью. Процесс образования пиллинга на тканях можно разделить на несколько стадий. Сначала (рисунок 1, а) вследствие легкого трения происходит образование мшистости ткани (вытаскивание на поверхность и поднятие отдельных участков волокон, слабо закрепленных в структуре нитей и ткани). Затем происходит запутывание торчащих верхних участков волокон в плотные комочки различной формы, которые удерживаются на поверхности ткани на «ножке», состоящей из нескольких волокон (рисунок 1, б, в, г). И наконец, вследствие многократного деформирования происходит разрушение волокон, удерживающих пилли, и удаление пиллей с поверхности ткани.

а — появление мшистости поверхности; б — группировка и перепутывание волокон; в — образование рыхлых комочков; г — уплотнение пиллей; д — отрыв

Рисунок 1 - Этапы образования пиллей

Пилли появляются прежде всего на материалах, изготовленных из пряжи (особенно аппаратной), и на поверхности которых в достаточном количестве располагаются концы волокон. На поверхности материалов из текстурированных нитей выступают петельки элементарных нитей, которые при истирании могут вытягиваться и перепутываться, образуя пилли. На материалах из комплексных нитей пилли могут не образовываться или появляются значительно позднее, когда при истирании разрушается достаточное количество нитей, чтобы образовать ворсистость поверхности. Четкая корреляционная зависимость существует между степенью электризации материала и пиллингуемостью.

Ухудшение внешнего вида изделия связано не столько с процессом образования пиллей, сколько с их продолжительным присутствием на поверхности материала. При этом комочки уплотняются, загрязняются и становятся более заметными. Появляющиеся на поверхности материалов из шерстяных, шелковых, хлопковых и вискозных волокон пилли быстро удаляются и в связи с этим менее заметны. Наибольшей склонностью к пиллингуемости обладают материалы из синтетических волокон и нитей и смешанной пряжи, в которой присутствуют синтетические волокна. Это связано с высокой прочностью синтетических волокон по сравнению с натуральными и искусственными волокнами. Поэтому якорные волокна могут дольше удерживать пилли на их поверхности. Наиболее устойчиво пилли удерживаются полиамидными волокнами, в меньшей степени — полиэфирными и полиакрилонитрильными.

Для уменьшения пиллингуемости материала используют специальные виды обработки его поверхности: нанесение специальных пленкообразующих веществ, препятствующих миграции волокон; облучение материала ультрафиолетовыми лучами для снижения прочности волокон, расположенных на поверхности, что обеспечивает быстрый отрыв пиллей.

Пиллингуемость оценивают числом пиллей, приходящихся на единицу площади пробы после ее истирания заданным числом циклов.

Методы определения пиллингуемости основаны на имитации легких истирающих воздействий поверхности ткани, приводящих к образованию мшистости и формированию пиллей, а затем на подсчете максимального количества пиллей на определенной площади испытуемого образца. Для испытания тканей на пиллингуемость применяют различные приборы, в зависимости от волокнистого состава ткани.

Дата добавления: 2014-01-04