Тема 3 Механические свойства материалов Материаловедение в производстве
advertisement
Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности Тема 3 Механические свойства материалов Общая структура рассмотрения темы • • • • • • • • • Тема включает в себя следующие подтемы: 3.1. Механические свойства и прочность материалов. 3.2. Растяжение материалов. Полуцикловые характеристики механических свойств при деформации растяжения. 3.3. Одноцикловые характеристики механических свойств при деформации растяжения. 3.4. Многоцикловые характеристики механических свойств при деформации растяжения. 3.5. Растяжение материалов в одежде. 3.6. Изгиб. Полуцикловые характеристики механических свойств при деформации изгиба. 3.7. Одноцикловые характеристики механических свойств при деформации изгиба. 3.8. Многоцикловые характеристики механических свойств при деформации изгиба. 3.9. Тангенциальное сопротивление материалов. Осыпаемость и раздвигаемость тканей. Распускаемость трикотажа. Прорубаемость материалов. 3.1. Механические свойства и прочность материалов Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 3.1: 3.1.1. Механические свойства материалов как одна из важнейших групп свойств 3.1.2. Прочность. 3.1.1. Механические свойства материалов как одна из важнейши групп свойств Механические свойства материалов проявляются при действии на них внешних механических сил. Механические свойства – важная группа свойств. Результаты изучения характеристик механических свойств материалов могут использоваться при оценке их качества, а также прогнозировании срока службы изделия. Именно характеристики механических свойств, прежде всего, определяют устойчивость сохранения размеров и формы изделий в процессе эксплуатации. Классификация характеристик механических свойств Механические свойства текстильных полотен в зависимости от полноты цикла нагружения делят на 3 класса: 1. Полуцикловые, определяемые в процесе нагружения образцов материала; 2. Одноцикловые, определяемые при приложении полного цикла нагружения: нагрузка-разгрузкаотдых; 3. Многоцикловые, определяемые при многократном приложении полного цикла нагружения. Характеристики всех 3-х групп свойств могут быть разрывными и неразрывными. Особенности определения механических свойств текстильных материалов Характеристики механических свойств текстильных полотен определяются главным образом при 2-х видах деформации – растяжении и изгибе. Значительные деформации кручения и сжатия испытываются полотнами редко. Особенностью определения механических свойств текстильных полотен является то, что необходимо проводить испытания в продольном и поперечном направлениях, а именно: • для тканей – по основе и утку; • для трикотажа – по горизонтали (вдоль петельных рядов) и по вертикали (вдоль петельных столбиков). • для нетканых материалов – по длине и ширине. 3.1.2. Прочностные свойства материалов Сопротивление тканей, трикотажных и прошивных нетканых полотен разрывным усилиям, т.е. их прочность, определяется структурой материала: переплетением, плотностью, видом отделки, структурой и свойствами формирующих их волокон и нитей. Для клеёных нетканых полотен механические свойства зависят от вида и количества связующего вещества. Прочность и удлинение волокон определяются молекулярной и надмолекулярной структурой полимеров. Прочность и удлинение комплексных нитей определяются непосредственно механическими свойствами элементарных нитей. Прочность пряжи определяется характером и особенностями ее строения, прочностью волокон, составляющих пряжу. При испытании на прочность текстильных материалов происходит не только нарушение их структуры, но и разрушение основных структурных элементов (волокон, нитей). Основные вопросы проблемы прочности • Раскрытие механизма разрушения материалов, • выяснение причин несоответствия фактической прочности материалов теоретическому ее значению. Решение этих вопросов является основной задачей теории прочности. Известные теории прочности • Теория критического напряжения – автор А. Гриффит • Статическая теория прочности – авторы академики Александров А.П. и Журков С. Н. • Современная кинетическая теория прочности – авторы академик Журков С.Н. и его сотрудники Сущность теории критического напряжения Любое реальное тело в отличие от идеального не обладает совершенной структурой и содержит значительное количество дефектов (микротрещин), ослабляющих его. Разрушение материала происходит под действием нагрузки при достижении перенапряжения у вершины хотя бы одной из микротрещин величины, равной теоретической прочности, определяемой силами межатомных связей. Трещина начинает расти со скоростью распространения упругих волн (скорость звука) и вызывает разрушение материала. Основной недостаток: не объясняет сущности явлений, происходящих в нагруженных телах при их разрушении во времени. Существование микротрещин подтверждено академиком А. Иоффе Сущность статической теории прочности Разрыв начинается с самого опасного дефектного участка, где перенапряжение достигает величины, близкой к теоретической прочности. Затем разрыв происходит на новом опасном участке микротрещины и т.д. В результате роста трещин разрушается материал, т.е. процесс разрушения рассматривается во времени. Основной недостаток: не учитывает зависимости прочности от температуры испытаний, структуры материала. Сущность кинетической теории прочности Механическая прочность определяется не чисто механической, а кинетической природой, обусловленной тепловым движением атомов. Главными факторами, влияющими на прочность материалов, является абсолютная температура Т, действующее напряжение σ и длительность воздействия напряжения τ . Основные положения кинетической теории прочности получили экспериментальное подтверждение при испытании материалов с различной структурой и свойствами: металлов, полимерных пленок, волокон и т.п. Исследования Б.А. Бузова и Т.М. Резниковой (МТИЛП) показали, что температурно-временная зависимость прочности действует и в случае таких сложных сетчатых структур, как ткани. 3.2. Растяжение материалов. Полуцикловые характеристики механических свойств при деформации растяжения 3.2.1. Классификация характеристик механических свойств при растяжении 3.2.2. Полуцикловые разрывные характеристики при растяжении. Полуцикловые разрывные характеристики при одноосном растяжении Полуцикловые разрывные характеристики при одноосном раздирании Полуцикловые разрывные характеристики при двухосном и многоосном растяжении. 3.2.3. Полуцикловые неразрывные характеристики 3.2.4. Типы разрывных машин Классификация характеристик механических свойств при деформации растяжения Полуцикловые 3.2.2. Полуцикловые характеристики механических свойств при растяжении Наиболее широко применяемыми при оценке качества полуцикловыми характеристиками являются: разрывная нагрузка, разрывное удлинение (абсолютное и относительное), раздирающая нагрузка. Все перечисленные характеристики являются разрывными. Они используются для оценки предельных возможностей материалов. По их величине судят о степени сопротивления материала постоянно действующим внешним силам. Это важные признаки добротности материала. • Полуцикловые разрывные характеристики при одноосном растяжении Разрывная нагрузка, Рр, [ga. H]; [H], [кгс] максимальное усилие, выдерживаемое образцом материала до разрушения. 1gaH = 10H = 1.02 кгс • Абсолютное разрывное удлинение, lp, [мм] – это абсолютное приращение длины образца к моменту разрыва, т.е. разность конечной Lк и первоначальной Lо длины образца lp = Lк - Lо • Относительное разрывное удлинение, ε р , [%] – отношение абсолютного разрывного удлинения к первоначальной длине образца. ε р = 100 · lp / Lо = 100(Lк – Lо) / Lо , [%] Характеристики, используемые при сравнительной оценке прочности материалов • Относительная разрывная нагрузка, Ро, • Удельная разрывная нагрузка, Руд. • Разрывное напряжение, σр Относительная разрывная нагрузка Для материалов, значительно отличающихся по массе, пользуются характеристикой относительная разрывная нагрузка, Ро, [ga H · м / г]; – это отношение Рр, приходящейся по 1 мм ширины образца, к массе 1 м2 материала. Ро = Рр / m 1 м2 · В В-ширина образца, м; m 1м2 – поверхностная плотность, г/ м2 Удельная разрывная нагрузка При оценке прочности структурных элементов определяют удельную разрывную нагрузку или удельную прочность, Руд. – это разрывная нагрузка, приходящаяся на элемент структуры материала. Руд. = Рр / П , где П – число структурных элементов на ширине образца (например, для тканей – число нитей О или У на ширине 50 мм). Разрывное напряжение Разрывная нагрузка, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения образца, называется разрывным напряжением σр , [Па] σр = Рр / F = Ро · γ , где γ - плотность вещества (кг/ м3 ). Работа разрыва Для оценки количества энергии, затрачиваемой на преодоление энергии связей, действующих в материале определяют абсолютную работу разрыва, Rp, [Дж] или [кгс · см] элементарная работа dR = Pdl => dR = Pdl => Rp = Pdl => Rp = Rp · lр · η, где η - коэффициент полноты диаграммы Р=f(l) η = Sф / Sобщ = mф / mобщ Sф - площадь, ограниченная кривой, осью абсцисс (х) и перпендикуляром, опущенным из точки разрыва на ось Х. Рисунок 1 – Диаграмма растяжения Р=f(l) Методы определения разрывной нагрузки и разрывного удлинения Разрывная нагрузка и разрывное удлинение определяются одновременное на разрывной машине путем разрыва полосок ткани прямоугольной формы при их растяжении. Стандартным методом испытаний является стрип-метод, использующий образцы шириной 50 мм, зажимная длина для шерстяных тканей 100 мм, для всех других тканей -200 мм. Допускается применение метода малых полос с меньшими размерами образцов, установленными ГОСТ. Факторы, влияющие на прочность материалов при разрыве и их удлинение • • • • Прочность тканей при разрыве и их удлинение зависят от следующих факторов: волокнистого состава; структуры и линейной плотности (толщины) нитей; строения самого материала (переплетения, плотности); отделки материала. При прочих равных условиях наибольшую прочность имеют ткани из синтетических нитей (особенно, полиэфирных – лавсан, затем – капрон (ПА)). Увеличение линейной плотности нитей, повышение плотности ткани, применение переплетений с короткими перекрытиями и многочисленных переплетений увеличивает прочность ткани. Такие виды отделки как валка, декатировка, мерсеризация, аппретирование и др. приводят к повышению прочности; и наоборот, отваривание, отбеливание, крашение, ворсование несколько снижают прочность тканей. Полуцикловые характеристики механических свойств при одноосном раздирании Прочность при раздирании характеризуется раздирающей нагрузкой – усилием, необходимым для разрыва специально надрезанного образца. Она является важной характеристикой надежности материалов, которые в процессе эксплуатации изделий подвергаются действию сосредоточенных на малом участке усилий. Подобные усилия материалы одежды испытывают в прорезных карманах, петлях (особенно обтачных), разрезных шлицах, в местах надсечек и т.п. При раздирании сосредоточенные усилия приходятся на одиночные нити или группы нитей, т.е. нити разрушаются последовательно. Методы определения прочности при раздирании Существуют две группы методов определения прочности при раздирании 1. Методы первой группы – разрушающие усилия прикладываются перпендикулярно исследуемым нитям 2. Методы второй группы - разрушающие усилия прикладываются параллельно исследуемым нитям Стандартными являются методы первой группы, в частности метод одиночного раздирания и крыловидный метод. При этом универсальным методом считается крыловидный. Методы первой группы • метод одиночного раздирания (стандартный) (1), метод двойного раздирания (2), крыловидный метод (3), метод «гвоздя» (4). Рисунок 2 – Методы определения раздирающей нагрузки первой группы Методы второй группы 1 - с поперечным разрезом (раневой метод), 2 - трапецевидный метод, 3 - метод Т. Ээг-Олофссона 1 2 3 Рисунок 3 – Методы определения раздирающей нагрузки второй группы Факторы, влияющие на прочность при раздирании Основными факторами являются: • Переплетение (с увеличение длины перекрытий прочность на раздирание увеличивается); • Коэффициент уплотненности ткани (чем он ниже, тем выше устойчивость ткани к раздиранию); • Коэффициент наполнения Полуцикловые разрывные характеристики при двухосном и многоосном растяжении Материалы швейных изделий при изготовлении, формовании и эксплуатации (зонты, парашюты и т. п.) часто подвергаются под действием нагрузок одновременному растяжению в нескольких направлениях. При этом возникающие деформации в различных направлениях не одинаковы. Их величина зависит от свойств материала, его строения, размеров и вида изделия, характера выполненных работ и других факторов. В связи с этим возникает необходимость исследовать поведение материалов при двухосном и многоосном растяжении. Результаты этих исследований могут быть использованы при разработке новых материалов, проектировании изделий из них, оценке их качества. Методы испытаний на двухосное и многоосное растяжение • 1 группа – методы двухосного растяжения. • 2 группа – методы многоосного растяжения Двухосное растяжение 2-х осное растяжение - это деформирование материала одновременно в 2-х взаимноперпендикулярных направлениях. Форма образцов может быть различной. Рисунок 4 – Форма образцов и схема приложения нагрузки при двухосном растяжении Способы испытаний при двухосном растяжении Возможны 2 способа испытания: • 1 способ - деформирование образца происходит с постоянной скоростью в 2-х взаимноперпендикулярных направлениях. • 2 способ - образец получает постоянную заранее заданную деформацию в одном направлении и постепенно возрастающую деформацию в другом. Характеристика первого способа испытаний Получаемые значения прочности значительно меньше значения суммарной прочности при одноосном растяжении по О и У и составляют 45-60% от него (Монахов И.А.). Образец обычно разрушается по системе, имеющей меньшее удлинение, т.е. по О (ткань) или вдоль петельных столбиков (трикотаж). Удлинение так же при 2-осном растяжении меньше, чем при одноосном, т.к. деформирование происходит одновременно в двух направлениях. Характеристика второго способа испытаний Деформация носит сложный характер: центр образца практически не имеет перемещений, др. структурные элементы ткани перемещаются относительно центра. В направлениях нитей О и У и под углом 45 градусов к ним перемещение структурных элементов имеет прямолинейный характер; в других направлениях – перемещения более сложные. Многоосное растяжение Многоосное растяжение материал получает при действии нагрузки, прикладываемой перпендикулярно плоскости образца. Методы испытаний: • продавливание шариком; • продавливание мембраной. Метод продавливания шариком Рисунок 5 – Схема продавливания шариком Испытания проводят на разрывной машине с помощью специального приспособления. Центральная часть образца получает наибольшее напряжение, здесь, в основном, и разрушается материал. В первую очередь разрушается та система нитей, которая характеризуется меньшим удлинением. Определяют: нагрузку при разрушении материала и стрелу прогиба материала f, мм (отмечают по шкале удлинений разрывной машины) Для трикотажных полотен при продавливании их шариком d = 20 мм по стреле прогиба f рассчитывают увеличение поверхности материала F, % F = 13.7f – 87.5 Для трикотажа – это метод стандартный. Между данными, получаемыми этим методом для трикотажа, и данными, получаемыми методами одноосного растяжения, имеется существенная связь (коэффициент корреляции существенно больше 0.5). Метод продавливания мембраной Рисунок 6 – Схема продавливания мембраной Испытывают специальными приборами с мембраной из резинового изотропного, гибкого и тонкого материала. Образец вместе с мембраной заправляется в зажим прибора . Воздух или жидкость под мембраной распределяется равномерно во всех направлениях и производят многоосное растяжение мембраны, а следовательно и образца. Определяют: величину давления и стрелу прогиба f, при котором произошло разрушение материала. Разрушение образцов происходит одновременно на значительной части поверхности. Форма образующейся поверхности образцов отличается от правильного шарового сегмента, следовательно характер деформации и разрушения – сложный. 3.2.3. Полуцикловые неразрывные характеристики К ним относятся (при одноосном растяжении): 1). Усилие Рε (t), развиваемое в материале при его растяжении на заданную величину ε за определенное время t; 2). Удлинение материала ε (t), при действии заданной нагрузки Р в течение определенного времени t. Используют данные характеристики главным образом в исследовательских работах. 3.2.4. Разрывные машины Рр и lр определяют на разрывных машинах. Разрывные машины бывают статические и динамические. В статических разрывных машинах к образцам прикладываются усилия посредством непрерывно возрастающей нагрузки, увеличивающейся до момента наступления разрыва. В динамических разрывных машинах усилие к образцу прикладывается со скоростью до 120 м/мин. В результате определяется работа разрыва. Статические разрывные машины могут быть 3 видов: 1. работающие с постоянной скоростью опускания нижнего зажима, в которых образец по мере удлинения получает все более замедленную нагрузку (РТ-250М) 2.растягивающие образец с равномерной по времени скоростью возрастания нагрузки. 3. растягивающие образец с равномерной по времени скоростью возрастания удлинения. 3.3. Одноцикловые характеристики механических свойств при деформации растяжения В данной подтеме рассматриваются следующие вопросы: 3.3.1. Влияние одноцикловых характеристик при деформации растяжения на процессы проектирования и изготовления одежды 3.3.2. Характер релаксации напряжения при заданной величине деформации 3.3.3. Характер релаксации деформации 3.3.1. Влияние одноцикловых характеристик при деформации растяжения на процессы проектирования и изготовления одежды. В производстве швейных изделий и при их эксплуатации на материал чаще всего действуют небольшие по величине нагрузки (значительно меньше разрывной). Следовательно, исследования механических свойств текстильных материалов при испытаниях по циклу нагрузка– разгрузка-отдых (полный цикл нагружения) представляет большой интерес. Их результаты могут быть использованы при конструировании деталей одежды, ее изготовлении, при разработке новых материалов. Понятие релаксационного процесса Релаксационный процесс – это процесс, протекающий во времени и приводящий к установлению равновесного состояния. Основные одноцикловые характеристики при деформации растяжения Из одноцикловых характеристик, получаемых при растяжении текстильных материалов, наибольший интерес представляют: • изучение характера релаксации напряжения; • изучение характера релаксации деформации; • определение полной деформации и ее составных частей (компонент). 3.3.2. Релаксация напряжения При деформировании образца текстильного материала на определенную величину в первый момент возникает значительное внутренне напряжение (усилие) в материале, которое с течением времени постепенно спадает, пока не установится равновесное состояние, т.е. напряжение более не изменяется. По степени падения напряжения за определенное время производят сравнительную оценку материалов. Рисунок 7 – Характер релаксации напряжения У тканей проявление релаксации напряжения имеет очень близкий характер, в связи с чем эта характеристика не получила широкого распространения. 3.3.3. Релаксация деформации Наиболее широко изучается релаксация деформации материала при действии на него постоянной нагрузки меньше разрывной. L1 нагрузка разгрузка отдых Рисунок 8 – Схема изменения длины образца при действии цикла нагружения Характер релаксации деформации τ Рисунок 9 – График зависимости длины образца L от времени τ при релаксации деформации Полная деформация и ее компоненты Разность между длиной образца в конечный момент растяжения L1 и начальной длиной Lо есть полная деформация. lпол = L1 - Lо Полная деформация слагается из 3-х компонентов: упругой, эластической и пластической, каждая из которых связана с определенными изменениями во внешних и внутренних связях материала. Выделить все эти части деформации можно только в период отдыха, т.к. при нагружении они развиваются одновременно, а скорость их Упругая деформация Упругая деформация lу - мгновенно развивающаяся и исчезающая часть полной деформации. Проявление упругой деформации связано с возникновением энергии во внутренних и внешних связях материала Эластическая деформация Эластическая деформация lэ– часть полной деформации, развивающаяся и исчезающая в течении определённого времени. Проявление эластической деформации связано с накоплением энергии в связях материала Пластическая деформация Пластическая деформация lп– неисчезающая часть полной деформации. Проявление пластической деформации связано с разрушением связей в материале. Компоненты полной деформации, выделяемые при экспериментальном определении При экспериментальном определении разделение полной деформации на части условно. Т.к. первый замер можно провести только через 2-5 с после снятия нагрузки, то в упругую часть попадает часть быстрообратимой эластической деформации (с малым периодом релаксации), т.е. lу несколько выше фактической. Эту часть полной деформации принято называть условно-упругой или быстрообратимой. Та часть эластической компоненты , которая исчезает в течение длительного времени, называется условноэластической или медленнообратимой. Часть эластической деформации, которая не успела проявиться за время эксперимента, попадает в пластическую часть и повышает ее фактическую величину. Эта часть деформации называется остаточной или условно-пластичской деформацией. Величина полной деформации так же носит условный характер. Расчет величин компонент полной деформации Полная абсолютная деформация растяжения l, развившаяся в материале к моменту разгрузки, слагается из 3-х компонент: l = ly + lэ + ln ly - быстрообратимая lэ - медленнообратимая ln - остаточная ly = L1 - L2 lэ = L2 - L3 ln = L3 - L0 L0 – начальная длина образца L1 - длина образца к моменту разгрузки; L2 – длина образца в момент первого измерения сразу же после снятия нагрузки. L3 - длина образца после отдыха в течение заданного времени. Выражение полной деформации и ее компонент в относительных величинах ε пол = 100 · lпол / Lо = 100 (L1 – Lо) / Lо ε у = 100 · lу / Lо = 100 (L1 – L2 )/ Lо ε э = 100 · lэ / Lо = 100 (L2 - L3) / Lо ε n = 100 · ln / Lо = 100 (L3 - L0) / Lо ε у + ε э + ε n = ε пол Выражение компонент в долях от полной деформации ∆ε у = ε у / ε пол ∆ε э = ε э / ε пол ∆ε n = ε n / ε пол ∆ε у + ∆ε э + ∆ε n = 1 Факторы, влияющие на величину полной деформации и ее частей • Волокнистый состав; • структура нитей, образующих материал; • строение материала (плотность, переплетение); • характер отделки материала; • параметры испытания: величина прикладываемой нагрузки, время ее действия, влажность и температура. Возможности учета величины полной деформации и ее компонент в процессах швейного производства • Выбор объемно-силуэтной формы изделия; • Выбор прибавок на свободное облегание; • Необходимость применения подклада; • Выбор способов стабилизации линейных размеров и формы швейного изделия. 3.4. Многоцикловые характеристики при деформации растяжения При изготовлении и эксплуатации одежды материал испытывает небольшие по величине нагрузки, которые, многократно повторяясь и растягивая материал, приводят к ухудшению его свойств (изменению размеров и формы на отдельных участках одежды) и даже разрушению материала. Поэтому изучение многоцикловых характеристик при деформации растяжения представляет большой интерес как теоретический, так и практический. Перечень вопросов, рассматриваемых в данной подтеме: 3.4.1. Утомление и усталость материалов 3.4.2. Характеристики механических свойств при многоцикловом растяжении Разрывные многоциклоые характеристики Неразрывные многоциклоые характеристики 3.4.3. Факторы, влияющие на величину многоцикловых характеристик при растяжении 3.4.4. Приборы для определения многоцикловых характеристик 3.4.1. Утомление и усталость материала При многократном воздействии на материал по циклу нагрузка-разгрузка-отдых ухудшаются свойства материала. Процесс постепенного изменения структуры и ухудшения свойств материала вследствие его многократной деформации называется утомлением. Следствием утомления является усталость материала, т.е. ухудшение свойств материала без существенной потери его массы или его разрушения. Стадии процесса утомления • Выделяют три стадии (этапа) 1 стадия - десятки или сотни циклов: характеризуется тем, что материал деформируется, но структура его стабилизируется. 2 стадия – тысячи циклов: характеризуется тем, что не происходит заметного изменения структуры и свойств материала, т.к. материал приспосабливается к новым условиям. 3 стадия: характеризуется тем, что вследствие утомления материала наступает его усталость. В этот период происходит интенсивный рост остаточной циклической деформации материала, и, в конечном счете , его разрушение 3.4.2. Характеристики механических свойств при многоцикловом растяжении Могут быть разрывными и неразрывными. Разрывные: Выносливость Долговечность Неразрывные: Остаточная циклическая деформация и ее компоненты Разрывные характеристики • Выносливость nр – число циклов растяжения, которые выдерживает материал до разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле. • Долговечность tp – время от начала многоциклового растяжения до момента разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле. Неразрывные характеристики Остаточная циклическая деформация εо.ц. деформация, накопившаяся за определенное заданное число циклов. Остаточная циклическая деформация состоит из пластической и эластической, период релаксации которой превышает время разгрузки и отдыха в каждом цикле. Определяют εо.ц. , % εо.ц. = 100 · lо.ц. / Lо = L1 - Lо где lо - абсолютное удлинение образца материала после заданного числа циклов; Lо - зажимная (рабочая) длина образца материала; L1 длина образца к моменту разгрузки. Механизм остаточной циклической деформации, особенно в первой фазе, является эластическим. Компоненты остаточной циклической деформации Выделяют следующие компоненты остаточной циклической деформации по (Коблякову А.И.): - быстрообратимая циклическая деформация εц1 - часть остаточной циклической деформации, исчезающая за малое время (до 5-10 с) после окончания многоциклового растяжения, % ε ц1 = 100 (L1 L2) / Lо - медленнообратимая циклическая диформация ε ц2 - часть остаточной цикловой деформации, исчезающая за время отдыха (до 2 ч), за вычетом быстрообратимой части остаточной циклическая деформации, % ε ц2 = 100 (L2 - L3) / Lо - заторможенная циклическая деформация ε ц3 - деформация, оставшаяся после длительного (от 2 ч и более) отдыха с момента окончания многоциклового растяжения, % ε ц3 = 100 ( L3 - L2) / Lо L1 - длина образца к моменту разгрузки L2 - длина образца после кратковременного отдыха (5-10 с) L3 - длина образца после длительного отдыха (2 ч и более) Доли компонент остаточной циклической деформации определяют по формулам: • доля быстрообратимой циклической деформации ∆ε ц1 = ε ц1 / ε о.ц. • доля медленнообратимой циклической деформации ∆ε ц2 = ε ц2 / ε о.ц. • доля заторможенной циклической деформации ∆ε ц3 = ε ц3 / ε о.ц. Предел выносливости Из практики известно, что при малой деформации, задаваемой в каждом цикле, материал выдерживает большое число циклов без разрушения и без заметного нарастания остаточной цикловой деформации. Исходя из этого, текстильные материалы характеризуют пределом выносливости, т.е. максимальным значением деформации (нагрузки), задаваемом в каждом цикле, при котором материал выдерживает очень большое число циклов. Для каждого материала эта характеристика устанавливается экспериментально. 3.4.3. Факторы, влияющие на величину многоцикловых характеристик при растяжении прочность связей между элементами структуры материала; волокнистый состав материала; число циклов нагрузка-разгрузка-отдых; величина нагрузки (деформации) в каждом цикле; направление действия нагрузки и другие факторы. 3.4.4. Приборы для определения многоцикловых характеристик Типы приборов, предназначенных для многократного одноосного растяжения текстильных материалов. 1. Приборы, сохраняющие в каждом цикле постоянство амплитуды абсолютной заданной цикловой деформации; 2. Приборы, сохраняющие в каждом цикле постоянство амплитуды относительно заданной цикловой деформации; 3. Приборы сохраняющие в каждом цикле постоянство амплитуды, заданной цикловой нагрузки (мех. давления). Приборы 1-го и 2-го типа достаточно просты по конструкции и обслуживанию, получили наибольшее распространение. Приборы 3-го типа удобны для исследований, однако имеют довольно сложную конструкцию, что затрудняет их изготовление и использование. В последнее время разработан ряд приборов, предназначенных для 2-х осного и многоосного многоциклового растяжения текстильных материалов. Пока эти приборы не получили широкого распространения. 3.5. Деформация растяжения материалов в одежде Исследование деформации растяжения материала в одежде, установление направления и величины максимального растяжения представляет большой интерес. Результаты подобных исследований могут быть использованы при проектировании одежды, разработке еще технологий, создании объективных методов оценки качества материалов и одежды, а так же при проектировании новых материалов. Факторы, влияющие на величину деформации материалов в одежде • Ассортимент одежды; • Характер движений человека; • Соответствие размеров одежды размерам тела человека; • Вид материала (ткань, трикотаж); • Конструктивные особенности одежды; • Условия окружающей среды и другие. Характер растяжения материала в одежде Материал в одежде растягивается одновременно в 2-х взаимноперпендикулярных направлениях, т.е. деформация материала на отдельных участках одежды, особенно прилегающего слоя, существенно отличается от деформации при растяжении стандартных полосок, когда материал, растягиваясь в направлении прикладываемой нагрузки, в перпендикулярном направлении только сужается. Методы определения величины деформации материалов в одежде • непосредственное измерение; • метод «нитки»; • тензометрирование. Наиболее точный метод – тензометрирование. Его недостаток – необходимость применения специального сложного оборудования 3.6. Механические свойства при деформации изгиба Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 3.6. 3.6.1. Изгиб 3.6.2. Жесткость материалов при изгибе 3.6.3. Драпируемость 3.6.4. Закручиваемость трикотажа. 3.6.1. Изгиб. Общая характеристика. Текстильные материалы в процессе изготовления из них швейных изделий и при носке одежды испытывают деформацию изгиба. Они легко изгибаются даже при незначительных нагрузках и под действием собственной массы. Гибкость текстильных материалов является характеристикой, определяющей целевое назначение материала. Например, прикладные материалы должны быть более устойчивы к действию изгиба и тем самым должны в большей степени способствовать сохранению формы деталей одежды, чем подкладочные ткани, которые не должны влиять на изменение формы материала верха. Т.О., изучение способности текстильных материалов изгибаться представляет особый интерес, т.к. дает возможность правильно подойти к выбору материалов на конкретное изделие. Классификация характеристик механических свойств при деформации изгиба Делятся на три класса: 1. Полуцикловые (жесткость при изгибе, драпируемость, закручиваемость трикотажа); 2. Одноцикловые (сминаемость, несминаемость); 3. Многоцикловые (сминаемость и несминаемость, выносливость и долговечность). Характеристики полуцикловые и одноцикловвые могут быть только неразрывными, многоцикловые характеристики – как неразывыными, так и разрывными. 3.6.2. Жесткость при изгибе Жесткость при изгибе характеризует способность материала сопротивляться изменению формы под действием внешних изгибающих сил. Ткани, легко поддающиеся изменению формы, считаются гибкими. Жесткие ткани плохо драпируются, гибкие обладают хорошей драпируемостью. Показатели жесткости при изгибе и методы их определения Жесткость текстильных материалов можно характеризовать: • условной жесткостью Ву, [мкН · см2], которая определяется методом консоли на приборе ПТ-2; • величиной усилия [сН], определяемой методом кольца на приборе ПЖУ-12М Сущность метода консоли l – длина свешивающейся части полоски h – величина абсолютного прогиба образца Рисунок 10 – Схема закрепления образца при методе консоли Метод консоли предполагает использование образцов прямоугольной формы с размерами 30х160 мм; количество образцов по О – 5, по У – 5. Определение жесткости указанным методом проводится для материалов, легко изгибающихся и имеющих абсолютный прогиб h ≥ 10 мм. Расчет условной жесткости Ву = m · l3 / А, где m – масса 1 пог. см пробной полоски шириной 3 см; l - длина свешивающейся части полоски, см; А – функция относительной стрелы прогиба ho (А = f ( ho)), где ho = h / l Испытания проводят при соблюдении условия ho ≤ 0,65 . Сущность метода кольца Жесткость материалов с h < 10 мм (искусственная кожа, дублированные и комплексные материалы, пакеты одежды) определяют методом кольца на приборе ПЖУ-12М. При методе кольца жесткость характеризуется величиной усилия, необходимого для уменьшения диаметра согнутой в кольцо пробной полоски на 1/3. Факторы, влияющие на жесткость при изгибе 1. природа, толщина, длина и гибкость образующих нити волокон; 2. толщина, структура и крутка нитей; 3. структура материала (переплетение, плотность, толщина); 4. отделка материала. Влияние жесткости на процессы швейного производства Гибкие и мягкие материалы легко перекашиваются, изменяя форму деталей кроя, что требует повышенного внимания к режимам их переработки. Жесткие материалы хорошо настилаются, не образуют заломов, не перекашиваются при стачивании, но трудно поддаются ВТО и оказывают значительное сопротивление резанию. Текстильные материалы, обладающие повышенной жесткостью, используются главным образом для изготовления одежды строгой формы. Одежда из подобных материалов может стеснять движения человека и плохо облегает фигуру. 3.6.3. Драпируемость Драпируемость характеризуется способностью текстильных материалов в подвешенном состоянии образовывать округлые, симметрично спадающие складки. Драпируемость непосредственно связана с массой и жесткостью. Требования, предъявляемые к драпируемости материалов одежды, зависят прежде всего, от их назначения, фасона изделия и вида одежды. Для платьев и блузок свободного силуэта с оборками, воланами и мягкими складками выбирают хорошо драпирующиеся материалы. Модели одежды более строго силуэта должны выполняться из материалов с меньшей драпируемостью. Факторы, влияющие на драпируемость Драпируемость непосредственно связана с массой и жесткостью (гибкостью). В общем случае, хорошо драпируются массивные ткани ворсовых переплетений, мягкие гибкие массивные ткани, малоплотные ткани из гибких тонких нитей и слабо скрученной пряжи, гибкие ткани с начесом, шерстяные ткани креповых переплетений и мягкие пальтовые шерстяные ткани. Плохо драпируются парча, тафта, плотные ткани из крученой пряжи, жесткие ткани из шерсти с лавсаном, плащевые и курточные ткани с водоотталкивающими пропитками, ткани из комплексных синтетических нитей, искусственная кожа и замша. Методы определения драпируемости Основных методов два: • Метод иглы, позволяющий оценивать драпируемость отдельно в продольном и поперечном направлении; • Дисковый метод, позволяющий оценивать драпируемость одновременно во всех направлениях Метод иглы Наиболее простой метод. Образец прямоугольной формы 200х400 мм (1 - по О и 1 - по У), подвешивают на игле, предварительно образовав 3 складки. Через 0.5 часа определяют расстояние А, мм, между свешивающимися концами образца. Драпируемость Д, %, определяют по формуле: Д = 100 (200 – А) / 200 Дисковый метод Образец испытуемого материала в форме круга накладывается на диск меньшего диаметра, измеряется площадь проекции образца, при его освещение сверху, и подсчитывается коэффициент драпируемости, %: Кд = 100 ( So – Sn ) / So, где So – площадь образца; Sn – площадь проекции. Рисунок 11 – Форма проекций образцов , получаемые дисковым методом при хорошей и плохой лрапируемости Классификация тканей по коэффициенту драпируемости, определяемому дисковым методом Драпируемость считается хорошей, если: • для х/б, шерстяных костюмных и пальтовых тканей – Кд не меньше 65%; • для шерстяных платьевых – Кд не меньше 80%, • для шелковых и платьевых – Кд не меньше 85%. 3.6.4. Закручиваемость трикотажа Закручиваемость трикотажа – способность трикотажного полотна закручиваться по краям: с изнаночной на лицевую сторону – вдоль петельных столбиков, с лицевой на изнаночную сторону – вдоль петельных рядов. Закручиваемость трикотажа объясняется тем, что нить, изогнутая в процессе вязания, стремится вследствие своей упругости снова распрямиться. Степень закручиваемости трикотажных полотен зависит от сырьевого состава, параметров строения нити, ее линейной плотности, вида переплетения трикотажа и плотности вязания. Наиболее сильно закручиваются одинарные трикотажные полотна, а двойные полотна практически не закручиваются. Закручиваемость трикотажа затрудняет процессы раскроя и изготовления швейных изделий, следовательно применяют специальные машины и швы. Для уменьшения закручиваемости трикотажа его каландрируют, что способствует закреплению петель в трикотаже путем вдавливания их друг в друга и расплющивания нитей. 3.7. Одноцикловые характеристики механических свойств при деформации изгиба К ним относятся сминаемость и нессминаемость. Сминаемостью называется свойство текстильных материалов под действием деформаций изгиба и сжатия образовывать неисчезающие складки и морщины. Сминаемость – следствие проявления пластических и эластических деформаций с большим периодом релаксации. Несминаемость – понятие обратное сминаемости, т.е. это свойство материала сопротивляться смятию и восстанавливать первоначальное состояние после снятия нагрузки. Несминаемость зависит от жесткости и упругих свойств материала. Сминаемость материала портит внешний вид изделий и приводит к потере их прочности от частых ВТО. Факторы, влияющие на смнаемость и несминаемость • Волокнистый состав (наибольшая смнаемость – материалы из целлюлозных волокон, малая сминаемость – материалы из волокон животного происхождения и большей части синтетических волокон: ПЭ, ПА, ПУ, ПО); • Строение и крутка нитей (увеличение крутки и толщины нитей, применение текстурированных и высокоэластичных нитей – повышение несминаемости); • Вид и строение материалов (у трикотажа сминаемость ниже, чем у тканей; повышение плотности и толщины материала – повышение несминаемости; увеличение длины перекрытия в ткацком переплетении – снижение сминаемости, минимальная смнаемость – ткани крепового переплетения, максимальная сминаемость – ткани полотняного переплетения); • Отделка материала (применение несминаемых отделок – снижение сминаемости); • Влажность материала (во влажном состоянии сминаемость выше) Методы снижения сминаемости • Рациональный подбор компонентов смеси при изготовлении смесовых тканей (добавляют упругие синтетические волокна, наиболее часто Лс); • Применение несминаемых отделок (чаще всего для материалов из целлюлозных волокон). Методы определения смнаемости (несминаемости) • Экспертные (метод сжатия рукой) • Инструментальные, использующие приборы, осуществляющие: – Ориентированное смятие; – Неориентированное смятие. Метод сжатия рукой Достоинства метода – простота и удобство; недостатки - субъективность оценки и необходимость определенного опыта. Приняты следующие оценки степени сминаемости: 1) сильносминаемый, 2) сминаемый, 3) слабосминаемый, 4) несминаемый. Методы и приборы, осуществляющие ориентированное смятие Ориентированное смятие - смятие в определенном направлении. Марки приборов: • СМТ; • Смятиемер; • Прибор ЦНИИ шерсти. Данные приборы и методы - стандартные Определение коэффициента несминаемости на приборах СМТ и смятиемер P Нагружение 15 мин ά Отдых 5 мин Рисунок 12 – Схема определения несминаемости на приборах СМТ и смятиемер Определяют коэффициент несминаемости Кн для хлопчатобумажных, шелковых, льняных тканей, трикотажных и нетканых полотен: Кн = 100 ∙ α ср / 180º, (%) α ср - среднее арифметическое углов восстановления пяти бразцов; 180º - градусов - угол полного восстановления. Несминаемость определяется отдельно по О и У. Определение коэффициента сминаемости на приборе ЦНИИшерсти На приборе ЦНИИ шерсти определяют коэффициент сминаемости Кс для шерстяных тканей. Кс оценивают высотой складок, сохраняющихся на материале после его смятия, разгрузки и отдыха. Р нагружение отдых Рисунок 13 – Схема определения смнаемости шерстяных тканей Неориентированное смятие Неориентированное смятие осуществляют на приборе СТП-4. Образец в виде цилиндра сжимается и образует большое количество направленных под разными углами складок. Несминаемость оценивается его способностью восстанавливать размеры после смятия и характеризуется коэффициентом несминаемости Кн или коэффициентом сминаемости Кс: Кн = hк / ho = L /30 Кс = 1 - Кн = ho - hк / ho ho – начальная высота образца (30 мм); hк – конечная высота восстановленного после смятия и отдыха образца, мм; 3.8 Многоцикловые характеристики механических свойств при деформации изгиба Могут быть неразрывными или разрывными. Из многоцикловых неразрывных характеристик при деформации изгиба определяют сминаемость при многократном изгибе (режим нагружения: 20 циклов: 1минута нагрузки + 1 минута отдыха; время окончательного отдыха 60 минут). Определяют коэффициент несминаемости, так же как при одноцикловом нагружении при ориентированном смятии (прибор СМТ). При неориентированном смятии используется прибор СТП-5. Кн = 3√ К1 Кн Ко; где К1 = h1 / hо; Кн = h20 / hо; Ко = hотд / hо, где hо – начальная высота пробы цилиндрической; h1 – высота цилиндрической пробы после 1-го цикла нагрузки; h20 – высота цилиндрической пробы после 20-го цикла нагрузки; hотд – высота цилиндрической пробы после 60 минут отдыха. К разрывным многоцикловым характеристикам при деформации ихзгиба относятся: выносливость, циклы; долговечность, час, определяемые с помощью прибора - изгибателя (АИТН-2) 3.9. Тангенциальное сопротивление Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 3.9: 3.9.1. Сила тангенциального сопротивления 3.9.2. Осыпаемость и раздвигаемость тканей. 3.9.3. Распускаемость трикотажа. В процессе производства текстильных и швейных изделий текстильные материалы соприкасаются с другими поверхностями и движутся по ним. В этом случае при относительном перемещении двух тел в плоскости их касания возникают силы тангенциального сопротивления То. Сила тангенциального сопротивления То являются равнодействующей 2-х сил: То = Тс + Т Тс – сила цепкости (механического сцепления); Т - сила трения. Сила тангенциального сопротивления является силой, препятствующей перемещению тела по поверхности и возникает только тогда, когда на тело начинает действовать движущая сила. 3.9.1. Сила тангенциального сопротивления В процессе производства текстильных и швейных изделий текстильные материалы соприкасаются с другими поверхностями и движутся по ним. В этом случае при относительном перемещении двух тел в плоскости их касания возникают силы тангенциального сопротивления То. Сила тангенциального сопротивления То являются равнодействующей 2-х сил: То = Тс + Т Тс – сила цепкости (механического сцепления); Т - сила трения. Сила тангенциального сопротивления является силой, препятствующей перемещению тела по поверхности и возникает только тогда, когда на тело начинает действовать движущая сила. Показатели тангенциального сопротивления Сила тангенциального сопротивления характеризуется коэффициентом тангенциального сопротивления ƒт.с. (к.т.с.), который равен: ƒт.с. = То / N Т0 – сила тангенциального сопротивления N - сила номального давления. Основные факторы, влияющие на величину к.т.с. 1. Состояние поверхности материала, зависящее от волокнистого состава переплетения, плотности, структуры применяемых нитей, характера отделки. 2. Скорость перемещения тел относительно друг друга. 3. Величина нормального давления. 4. Условия окружающей среды (влажность, температура). Методы определения к.т.с. Коэффициент тангенциального сопротивления определяется экспериментальным путем. Наиболее простым и распространенным методом является метод наклонной плоскости, при котором fт.с. определяется как tg угла наклона плоскости в момент начала движения колодки, обтянутой испытуемым материалом. Влияние к.т.с. на процессы швейного производства и свойства материалов Для материалов одежды fт.с. имеет большое значение. При низком значении fт.с. ткани при раскрое и стачивании могут смещаться (изменяются размеры и форма деталей, образуется некачественный шов.), следовательно необходимо при раскрое использовать зажимы, а при стачивании необходимо предварительное сметывание при строгом соблюдении параметров сметывания. Подкладочные ткани должны иметь небольшой fт.с. для того, чтобы обеспечить удобство эксплуатации изделия. От величины fт.с. в некоторой степени зависит стойкость материалов к истиранию (чем ниже fт.с., тем выше стойкость к истиранию). 3.9.2. Осыпаемость и раздвигаемость тканей Раздвигаемостью ткани называется смещение нитей одной системы относительно другой под действием внешних механических сил. Осыпаемостью называется выпадение нитей из открытых срезов ткани. Факторы, влияющие на раздвигаемость и осыпаемость • Волокнистый состав; • Вид, структура, толщина и крутка применяемых нитей; • Фаза строения ткани; • Переплетение ткани; • Плотность ткани; • Вид отделки; • Угол наклона членения (для осыпаемости) и т.п. Методы определения осыпаемости и классификация тканей по ее величине Стойкость ткани к осыпаемости с помощью приспособления к разрывной машине (гребенка) определяется величиной усилия, необходимого для снятия двухмиллиметрового слоя нитей с края образца шириной 30 мм. По величине этого усилия ткани делят на: - сильно осыпающиеся – Р ≤ 2.9 даН - средне осыпающиеся – Р = 3 - 6 даН - неосыпающиеся – Р > 6 даН Осыпаемость также может определяться на приборе ПООТ (стандартный метод) под действием центробежных сил и оценивается шириной образующейся бахромы открытого среза образца Методы определения раздвигаемости и классификация тканей по ее величине Стойкость к раздвигаемости оценивают величиной усилия, необходимого для смещения одной системы нитей относительно другой, определяемого с помощью приспособления к разрывной машине. В зависимости от величины данного показателя ткани делят на 3 группы: 1. сильно раздвигаемые - Р = 8 - 9 даН 2. средне раздвигаемые - Р = 9 - 11 даН 3. нераздвигаемые - Р > 11 даН Для шелковых тканей своя методика (прибор РТ-2), и минимальная величина раздвигаемости нормируется в зависимости от повышенной плотности и назначения ткани. На приборе РТ-2 стойкость к раздвигаемости шелковых тканей оценивается величиной сжимающего усилия, при котором в движущейся элементарной пробе происходит смещение нитей одной системы относительно другой. Методы борьбы с осыпаемостью и раздвигаемостью • Для предотвращения срезов от осыпаемости их обметывают на краеобметочных машинах. • В тканях, склонных к осыпанию, в 1.5-2 раза увеличивают ширину шва, а так же ширину и частоту обметочной строчки или меняют конструкцию шва (швы с закрытыми срезами). • Для снижения раздвигаемости увеличивают частоту стежка, используют более эластичные швейные нитки, увеличивают прибавку на свободное облегание, применяют подклад. 3.9.3 Распускаемость трикотажа В трикотажных полотнах при обрыве нить в силу упругости может выскальзывать из соседних петель. Основной силой, препятствующей выскальзыванию, является сила тангенциального сопротивления. Если То больше Fупр., то трикотаж не распускается. Если То меньше Fупр., то трикотаж распускается. Внешние силы увеличивают распускаемость. Факторы, влияющие на распускаемость: волокнистый состав, гладкость нитей и толщина нити, длина петли, плотность и вид переплетения трикотажа и др. Чем больше шероховатость нити (шерсть, текстурные нити, фасонная крутка и т.п.), тем меньше распускается трикотаж. Методы снижения распускаемости: обметывание открытых срезов (необходимо захватывать два соседних петельных столбика и, как минимум, два соседних петельных ряда).
