Практическое занятие № 3. Определение показателей при одноосном растяжении материалов до разрыва

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ МАТЕРИАЛОВ ДО РАЗРЫВА

План занятия:

1. Изучить устройство и принцип работы разрывной машины РТ-250М-2.

2. Изучить методику определения и расчета разрывных характеристик ткани,

трикотажных и нетканых полотен.

Основные сведения

При растяжении материала до разрыва определяют характери­стики прочности и деформации материала.

Прочностью при растяжении называют способность мате­риала противостоять растягивающим усилиям до разрыва. Проч­ность материала можно оценивать в абсолютных (например, раз­рывное усилие) и относительных (например, расчетное, удельное, относительное разрывное усилие) характеристиках.

Разрывное усилие Р_р, Н, — это усилие, выдерживаемое матери­алом к моменту разрыва. Показатель разрывного усилия определя­ют непосредственно по шкале разрывной машины в момент разрыва материала. Величина разрывного усилия является основные критерием при оценке механических свойств ткани и стандартным показателем ее качества.

Расчетное разрывное усилие Р_РАСЧ, Н, представляет собой разрывное усилие, приходящееся на структурный элемент материала; (в ткани — нить основы или утка, в трикотаже — петельный столбик или ряд):

Р_РАСЧ = Р_Р/n, (3. 1)

где n — число структурных элементов на ширине пробы.

Удельное разрывное усилие, Н • м/г, определяется по формуле

Р_уд = P_p/(M_sb), (3.2)

где M_s — поверхностная плотность материала, г/м²; b — ширина элементарной пробы, м.

Относительное разрывное усилие в тканях, имеющих разную долю массы нитей основы и утка, определяют с учетом доли массы разрываемой системы нитей:

Р_о = P_p/(M_sbc), (3.3)

где с — доля массы нитей той системы, по направлению которой идет разрушение пробы

Доли массы нитей основы и утка можно подсчитать исходя из показателей структуры ткани:

с_о = Т₀П₀/(Т₀П₀ + Т_УП_У); с_у = Т_УП_У/(Т₀П₀ + Т_УП_У), (3.4)

где Т₀ и Т_У — линейная плотность соответственно нитей основы и утка, текс;

П₀ и П_У — число нитей соответственно основы и утка на 100 мм.

Деформационные свойства текстильных материалов при одноосном растяжении оценивают разрывным удлинением в абсолютных и относительных единицах.

Абсолютное разрывное удлинение l_р, мм, — приращение длины испытываемой пробы к моменту разрыва. Значение абсолютного разрывного удлинения при испытании определяют непосредствен­но по шкале разрывной машины.

Относительное разрывное удлинение ε_р, %, определяют как от­ношение абсолютного разрывного удлинения к начальной (зажим­ной) длине пробы L_o:

ε_Р = 100l_p/L_o. (3.5)

В качестве комплексных разрывных характеристик используют абсолютную и относительную работу разрыва. Для их определения применяют диаграмму «усилие — удлинение», которую записы­вают при проведении испытания пробы материала.

Абсолютная работа разрыва R_p, Дж, характеризует количество энергии, которое затрачивается на преодоление энергии связей между элементами структуры материала и его разрушение.

Абсолютную работу раз­рыва рассчитывают по формуле

R_Р = Р_Рl_Р η, (3.6)

где η — коэффициент полноты диаграммы.

Коэффициент полноты диаграммы η показывает, какую часть от площади S прямоугольника с координатами Р_Р и l_Р занимает площадь S' под кривой растя­жения (рис. 3.1); его значение можно оп­ределить отношением этих площадей или отношением массы m' бумаги площадью S' к массе m бумаги площадью S:

η = S'/S или η = m'/ m. (3.7)

Рис. 3.1. Диаграмма «уси­лие—удлинение» текстильного материала

Относительную работу разрыва r_т находят отношением работы разрыва к массе m _п или объему V_n рабочей части пробы:

r_m = R_p/m_n; r_v = R_p/V_n. (3.8)

Изучение устройства разрывной машины. Для определения раз­рывных характеристик при одноосном растяжении используют разрывные машины различной конструкции: с постоянной ско­ростью опускания нижнего зажима, с постоянной скоростью де­формирования, с постоянной скоростью возрастания усилия. Наи­большее распространение получили разрывные машины с посто­янной скоростью опускания нижнего зажима, из них машины РТ-250 и РТ-250М-2 (рис. 3.2) рекомендуется использовать при стан­дартных испытаниях.

Элементарная проба материала, закрепленная в верхнем и ниж­нем зажимах машины, деформируется при равномерном опуска­нии нижнего зажима, который с помощью штоков 24 и 25 соеди­нен с винтом и получает движение от электродвигателя постоян­ного тока через муфту и червячный редуктор.

Скорость перемещения нижнего зажима регулируют в преде­лах 25—250 мм/мин путем изменения напряжения и, следователь­но, частоты вращения электродвигателя. Включением кнопок «Вниз» и «Вверх» меняют направление постоянного тока в цепи электродвигателя и тем самым направление вращения ротора элек­тродвигателя и винта. Соответственно перемещается шток 25 вниз или вверх по направляющей.

Усилие, испытываемое элементарной пробой при ее растяже­нии, измеряют с помощью маятникового силоизмерителя. Проба, деформируясь, перемещает вниз верхний зажим, который по­ворачивает грузовой рычаг, что, в свою очередь, вызывает откло­нение маятника с грузом. При этом своим упором маятник пере­мещает зубчатую рейку и поворачивает зубчатое колесо 7. На оси зубчатого колеса 7 закреплены ведущая и контрольная стрелки, с помощью которых на шкале нагрузки фиксируется усилие, воз­действующее на испытываемую пробу. При разрыве пробы маят­ник возвращается в исходное положение, а ведущая стрелка под действием груза шкалы — на нулевое деление шкалы нагрузки. Контрольная стрелка остается на отметке разрывного усилия. Для плавного возвращения маятника в исходное положение машина снабжена масляным амортизатором, шток которого соединен с грузовым рычагом.

 

 

Рис. 3.2. Схема разрывной маши­ны РТ-250М-2:

1 — электродвигатель; 2 — направля­ющая; 3 — груз маятника; 4 — маятник; 5 — груз шкалы; 6 — зубчатая рейка; 7, 19 — зубчатые колеса; 8 — шкала нагрузки;

9 — ведущая стрелка; 10 — контрольная стрелка;

11 — амортизатор; 12 — грузовой рычаг;

13, 14 — корректирующие устройства; 15 — рукоятка верхнего зажима; 16 — указатель; 17 — верхний зажим; 18 — икала удлинения; 20 — элементарная проба материала; 21 — нижний зажим; 22 — рамка нижнего зажима; 23 — рей­ка; 24 — верхний шток; 25 — нижний шток; 26 — винт; 27 — червячный ре­дуктор;

28 — муфта

 

 

Шкала усилия имеет три пояса:

А — от 0 до 50 кгс с ценой деления 0,1 кгс;

Б — от 0 до 100 кгс с ценой деления 0,2 кгс;

В — от 0 до 250 кгс с ценой деления 0,5 кгс.

При переходе на пояс Б или В шкалы на грузовой маятник навешивают соответствующие дополнительные грузы: для пояса Б — один груз, для пояса В — еще два груза.

Абсолютное удлинение элементарной пробы измеряют по шкале удлинения, имеющей градуировку в миллиметрах. Шкалу приво­дит в движение зубчатое колесо 19, соединенное рейкой со што­ком 25 нижнего зажима. Стрелка-указатель соединена с помощью корректирующего устройства с грузовым рычагом. При отклоне­нии маятника от вертикального положения корректирующее устройство поворачивает стрелку-указатель по направлению переме­щения шкалы на величину, равную перемещению верхнего зажима. Таким образом, на шкале удлинения фиксируется разница между движением нижнего и верхнего зажимов машины, т.е. удлинение образца. Машина снабжена механизмом автоматического останова при разрыве пробы.

 

 

Таблица 3.1.

Поверхностная плотность материала, г/м²	Предварительное натяжение, сН (гс), при ширине пробы
25 мм	50 мм
Все ткани, кроме шелковых
До 75 включительно	98 (100)	196 (200)
Свыше 75 до 500 включительно	245 (250)	490 (500)
Свыше 500 до 800 включительно	490 (500)	980 (1000)
Свыше 800 до 1000 включительно	980 (1000)	1960 (2000)
Свыше 1000 до 1500 включительно	1470 (1500)	2940 (3000)
Свыше 1500 до 2000 включительно	1960 (2000)	3920 (4000)
Свыше 2000	2450 (2500)	4900 (5000)
Шелковые ткани
До 300 включительно	98 (100)	196 (200)
Свыше 300 до 500 включительно	245 (250)	490 (500)
Нетканые полотна
До 200 включительно	—	49 (50)
Свыше 200 до 500 включительно	—	98 (100)
Свыше 500	—	490 (500)

Предварительное натяжение предназначено для распрямле­ния элементарной пробы при заправке ее в зажимы машины и обеспечения тем самым одинаковых условий испытания всех проб. Предварительное натяжение для тканей и нетканых поло­тен выбирают в зависимости от поверхностной плотности ма­териала в соответствии с

ГОСТ 3813 —72 и ГОСТ 15902.3 — 79 (табл. 3.1)

Предварительное натяжение для трикотажных полотен уста­навливают в зависимости от вида полотна, относительного раз­рывного удлинения и направления растяжения в соответствии с ГОСТ 8847-85 (табл. 3.2).

Расстояние между верхним и нижним зажимами устанавлива­ют с погрешностью до

1 мм в соответствии с рабочей длиной испытываемой элементарной пробы.

Выбор и подготовка элементарных проб. Форму и размеры эле­ментарных проб выбирают в зависимости от вида материала, его физико-механических свойств и метода испытания (рис. 3.4).

 

Рис. 3.4. Пробы для определения показателей характеристик при одно­осном растяжении:

а — по стрип-методу; б — по грэб-методу; в, г — профильные пробы;

д —кольцевые пробы

Полотно	Растяжение по длине	Растяжение по ширине
Относите-льное раз-рывное уд-линение, %	Предварительное натяжение, сН (гс), при ширине пробы	Относите-льное раз-рывное уд-линение, %	Предварительное натяжение, сН (гс), при ширине пробы
25 мм	50 мм	25 мм	50 мм
Из хлопчатобумаж-ной и смешанной пряжи, из сочетания пряжи и нитей всех переплетений, кроме футерованных	До 100 включи-тельно Свыше 100			До 200 включи-тельно Свыше 200	7,5     2,5
Из шерстяной и полушерстяной пряжи и нитей всех переплетений, кроме футерованных	До 100 включи-тельно Свыше 100	12,5		До 200 включи-тельно Свыше 200	12,5
Из шерстяной и полушерстяной пряжи и нитей всех переплетений, и футерованных	До 100 включи-тельно			До 200 включи-тельно
Из химических нитей: гладких   текстурированных	До 110 включи-тельно   До 100 включи-тельно Свыше 100			До 120 включи-тельно   До 200 включи-тельно Свыше 200	12,5     7,5

Таблица 3.2.

Согласно стрип-методу, который является стандартным (ГОСТ 3813 — 72 для тканей, ГОСТ 8847—85 для трикотажных и ГОСТ 15902.3 — 79 для нетканых полотен), испытанию на разрывной ма­шине подвергаются элементарные пробы в виде полоски, имею­щей ширину меньше ширины зажимов. Общие и рабочие размеры элементарных проб разных материалов приведены в табл. 3.3.

При возникновении разногласий рабочие размеры элементар­ной пробы ткани должны быть равными для шерстяных и полу­шерстяных тканей — 50 х 100 мм, для всех остальных — 50 х 200 мм. При сопоставлении показателей разрывной нагрузки и удлине­ния, полученных методом малых полосок, с показателями раз­рывной нагрузки и удлинения для широких полосок используют поправочные коэффициенты, на которые умножают полученные результаты:

 

Характеристика прочности Поправочный

коэффициент

Разрывная нагрузка:

для всех тканей, кроме шерстяных….……………….....1,8

для шерстяных тканей…………………………………..1,9

для трикотажных полотен……………………………...1,95

Разрывное удлинение:

для тканей……………………………………………….0,75

для трикотажных полотен………………………………0,9

Подготовка элементарных проб ткани для испытания заключа­ется в выравнивании ширины проб до их рабочей ширины. У тка­ней с легкоосыпающимися крайними нитями вырезают элемен­тарные пробы шириной 50 или 80 мм. На элементарной пробе карандашом намечают ее рабочую ширину и заправляют пробу в зажимы разрывной машины. В середине каждой пробы делают над­резы перпендикулярно направлению растяжения до обозначен­ных линий. Затем обрезанные с обеих сторон нити, кроме 2-4 ни­тей, граничащих с обозначенными линиями, отводят. Для тканей с малоосыпающимися крайними нитями используют элементар­ные пробы с начальной шириной 30 и 60 мм. С обеих сторон про­бы удаляют крайние продольные нити до рабочей ширины пробы (соответственно 25 и 50 мм), оставляя по 2-4 нити с каждой стороны. С того края, который заправляют в верхний зажим, остав­ленные нити отводят и обрезают на расстоянии, равном ширине губки зажима плюс 25-30 мм. У тканей, содержащих менее 30 нитей в ширине пробы, каждая элементарная проба должна иметь одинаковое число нитей.

Согласно грэб-методу для испытания используют пробу, ширина которой превышает ширину зажимов разрывной машины. Получаемые показатели разрывных характеристик оказываются несколько выше показателей, получаемых по стрип-методу, так как при грэб-методе не нарушаются связи нитей в зоне растяже­ния с соседними нитями материала. Условия испытания материа­ла в этом случае наиболее близки к условиям его деформирова­ния при носке одежды. Данный метод используется в основном при проведении исследовательских работ.

 

 

Таблица 3.3.

Материал	Общие размеры элементарной пробы, мм	Рабочие размеры, мм
Ширина	Длина	Ширина	Длина
Легкоосы-пающиеся материалы	Малоосы-пающиеся материалы
Все ткани, кроме шерстяных	(50)	(30)	(350)	(25)	(200)
Шерстяные ткани	(50)	(30)	(200)	(25)	(50)
Трикотажные полотна	-
Нетканые полотна	-

 

Примечание. Данные приведены для стандартных проб, в скобках указаны размеры малых проб.

 

 

Метод профильных проб может применяться при испытании сильно деформирующихся материалов, когда прямоугольная форма пробы значительно искажается, сужаясь посередине и оставаясь прежней около губок зажимов. В результате возникает значитель­ная неравномерность напряжений по площади пробы, которая в зонах, примыкающих к зажимам, испытывает не только продоль­ные усилия, но и существенные поперечные. Разрушение прямо­угольной пробы происходит часто возле зажимов. В пробе, имею­щей профильную форму двойной лопаточки (см. рис. 3.4, в), благодаря криволинейному контуру уменьшается напряжение зажа­той части пробы вблизи зажимов, выравнивается общее напряжение и уменьшается вероятность разрыва пробы у зажимов. Про­фильные пробы другого типа (см. рис. 3.4, г) рекомендуется использовать при растяжении ткани под углом к нитям основы и утка. Такая форма проб уменьшает площадь зон, примыкающих зажимам, и позволяет устойчиво закрепить в зажиме все нити ткани, проходящие через линию зажима пробы. Для более проч­ного и равномерного закрепления часть пробы, находящуюся в зажимах, рекомендуют предварительно проклеивать.

Метод кольцевых проб рекомендуется применять для испыта­ния высокорастяжимых трикотажных полотен и тканей, когда необходимо получить равномерно распределенную деформацию. Для испытания изготовляются полоски размером 50×220 мм. По­лоски стачивают на многоигольной плоскошовной машине (для трикотажа) или универсальной челночной машине (для ткани) накладным швом шириной 10 мм, образуя кольцо периметр 200 мм. Кольцо надевают на валики или крючки, концы которых вставляют в зажимы. Недостатком этого метода является налим шва, нередко вызывающего повреждения ткани и трикотажа; кроме того, разрушение пробы может происходить по шву. Поэтому коль­цевые пробы целесообразно использовать для исследования одноосного растяжения при усилиях меньше разрывных.

Порядок проведения испытания. Он состоит в следующем:

включают разрывную машину в электросеть с напряжение 220 В; включают тумблер «Сеть», при этом загорается сигналь­ная лампа;

с помощью рукоятки 15 (см. рис. 3.2) освобождают верхний зажим;

выбирают шкалу усилия и в соответствии с ней навешивают на маятник машины или снимают дополнительные грузы;

на соответствующей шкале устанавливают выбранную скорость перемещения нижнего зажима;

устанавливают в соответствии с зажимной длиной пробы рас­стояние между верхним и нижним зажимами, для чего, вынув шпильку, перемещают шток 24 относительно штока 25 и закреп­ляют его шпилькой;

устанавливают стрелки шкалы усилия и шкалы удлинения на нулевые отметки;

рукояткой 15 закрепляют верхний зажим;

один конец пробы пропускают между губками верхнего зажи­ма так, чтобы края касались однозначных делений, нанесенных на губках, и слегка зажимают; нижний конец пробы пропускают между губками нижнего зажима в рамку и подвешивают к нему ранее выбранный груз предварительного натяжения, верхний за­жим слегка ослабляют и позволяют полоске материала немного спуститься, затем крепко зажимают сначала верхний, а потом и нижний зажим; во избежание проскальзывания или перекусывания пробы в зажимах можно применять прокладки при условии, что их края будут находиться на уровне плоскости губок;

верхний зажим выводят из фиксированного положения с по­мощью рукоятки 15, включают кнопку «Вниз», приводя в движение нижний зажим; при разрыве пробы определяют по шкале усилия значение разрывного усилия Р_p, а по шкале удлинения — значение удлинения l_p; на разрывной машине, имеющей самописец записывают диаграмму «усилие — удлинение»;

при постепенном разрушении пробы машина может автомати­чески не отключиться, в этом случае следует нажать на кнопку «Стоп»;

после снятия показаний нажимают кнопку «Вверх» и возвра­щают нижний зажим в исходное положение; фиксируют положе­ние верхнего зажима рукояткой 75 и вынимают пробу из зажимов.

Используя полученные показатели разрывного усилия и разрывного удлинения и диаграмму «усилие—удлинение», рассчи­тывают по приведенным ранее формулам

(3.1)—(3.8) остальные показатели характеристик прочности и деформации испытываемого материала.­

Полученные в результате испытаний и расчетов показатели характеристик прочности испытываемого материала представляют в виде формы 3.1.

 

Форма 3.1

Вид испытываемого материала...

Форма и рабочие размеры элементарной пробы...

Тип разрывной машины...

Шкала усилия, цена деления...

Предварительное натяжение, сН (гс)...

Скорость перемещения нижнего зажима, мм/мин...

Температура воздуха, °С...

Относительная влажность воздуха, %...

 

 

Направ-ление растя-жения	Номер пробы	Разрывное усилие	Разрывное удлинение	Работа разрыва
Абсолют-ное Рр, Н	Удель-ное Руд, Н	Относи- тельное Ро, Н*м/г	Абсолют-ное lр,мм	Относи-тельное εР, %	Абсолют-ная Rр, Дж	Относи-тельная rm, Дж/г

 

 

Контрольные вопросы

1. Какой режим деформирования пробы применяется на разрывной
машине РТ-250М-2?

2. Какие типы силоизмерителей используют в конструкции разрывных машин для

текстильных материалов, каковы их достоинства и недо­статки?

3. Для чего необходим груз предварительного натяжения?

4. Как выбрать груз предварительного натяжения для трикотажного полотна?

5. Какие размеры проб используют при определении разрывных характеристик

шерстяных тканей?

6. Какие разрывные характеристики являются стандартными показателями

качества тканей?