3.2. Основные свойства материалов и изделий

В товароведении непродовольственных товаров имеют место существенные различия в структуре и характеристике свойств материалов и изделий.

Для материалов как правило определяют и оценивают показатели физических, химических и микробиологических свойств. В изделиях, кроме того, важными свойствами выступают комплектность, универсальность, трансформируемость, габаритность (ее изменяемость — складные изделия), равно-ресурсность материалов (в изделии) и их взаимозаменяемость. Равноресурсность деталей, частей, узлов, материалов в изделиях (холодильники, стиральные машины, изделия мебели и др.) определяет реальный срок службы предметов потребления и их безопасность. Взаимозаменяемость устанавливаются через сопоставление фактических свойств материалов для применения их при отсутствии требуемого материала.

Комплектность характеризуется наличием элементов, частей, деталей, узлов, обеспечивающих полноту выполнения

функции изделием или группой изделий (наборы или гарнитуры мебельных изделий, наборы резьбонарезные и др.).

Универсальность определяется, например, возможностью выполнения значительного количества операций одним изделием. Так, например, дрель — перфоратор — шуруповерт имеет режим регулировки скорости вращения сверла (насадки), устройство (струбцину) для закрепления в стационарном положении с целью выполнения функции резания материалов дисковой пилой и проведения других типов работ.

Универсальность кастрюли определяется, с одной стороны, наличием железосодержащего биметалла запрессованного в дно, что обеспечивает возможность приготовления пищи на газовой и тепловой электрической плите, а также на самой экономичной современной конфорке индукционного типа, с другой стороны, наличием герметизирующей крышки, создающей дополнительное сокращение времени на варку студней, тушение дичи и др. Наличие антипригарного покрытия обеспечивает высокую универсальность посуды, что в современном ее ассортименте встречаются весьма часто.

Трансформируемость определяет возможностью преобразования функции одного и того же изделия посредством специального механизма, механизма трансформации. Наличие такого механизма позволяет в одном изделии сочетать несколько функций (две, три и более). Например, диван-кровать в положении "диван" выполняет функцию опоры для человека, который сидит на диване, в положении "кровать" изделие выполняет функцию опоры для тела человека, который лежит. Такое мебельное изделие, как шкаф-стол-ди-ван-кровйГть, выполняет функции хранилища и опоры (стол, диван,' кр%вать).

Габаритность изделий определяется их размерными характеристиками (высотой, глубиной, шириной) и возможность уменьшать свои размеры в период между очередным этапом функционирования. Уменьшение размеров достигается через складывание, без разделения составных частей (стулья, кресла, кровати), с перемещением узлов (телескопические ан

тенны, удилища и др.) с разделением узлов (складные удилища, охотничьи ружья).

Трансформируемость и габаритность определяются формой изделий, а из их формы вытекает конструкция (разъемные, складные, изменяемые в части формы — трансформируемые).

Равноресурсность материалов в изделии определяется степенью совпадения реального ресурса подкладочно-прокладоч-ных материалов и верха одежды, подошвенного материала, стелечной части обуви и ее верха. Равноресурсность требует реализации эксплуатационных свойств материалов на этапе проектирования и изготовления изделий.

Размер, масса материалов и изделий. Размеры материалов и изделий в значительном количестве предметов потребления отвечают за полноту выполнения функции.

Размеры порошковых материалов отвечают за качество выполнения функции некоторыми косметическими товарами. Так, изделия декоративной косметики (пудра, губная помада, румяна и др.) благодаря высокой измельченности наполняющих и красящих компонентов (крахмала, талька) обладают высокой укрывистостью. Они способны "скрадывать", "маскировать", делать невидимыми участки тела человека с природными изъянами. Степень измельченности твердых наполняющих частиц определяет их дисперсность. Размер твердых частиц наполнителей, абразивов (наждак, карборунд, электрокарунд) можно измерить с помощью ситового метода или специального микроскопа.

Размеры твердых частиц в пастах, эмалях и красочных составах определяют с помощью гриндометров (см. прибор "клин", применяемый для определения степени перетира красок и эмалей).

Габаритные размеры мебели определяются функцией конкретного изделия. Оптимально фиксированными считаются размеры до уровня крышки стола, до уровня сиденья стула, а также размеры глубины изделий — хранилищ.

Жестко нормируются размеры дверных проемов в жилых помещениях по ширине (входные — 900 — 1000 мм, проходные — 800 мм, ванные — 600 мм) и высоте (1900 — 2100 мм).

Функциональные размеры рабочей части зубил, стамесок, сверл и долот, гаечных ключей и тисков, определяют возможность конкретного потребления указанных изделий.

Некоторые предметы потребления наряду с габаритными фактическими размерами, обязательно нормируются по функциональной массе, это молотки, топоры и специальные инструменты. Обработка материалов деформацией (кувалды), колка дров (колуны), требует значительных механических воздействий, что обеспечивается нормированием функциональной массы рассматриваемых изделий.

Показатели массы используются на всех этапах оценки качества товара либо входят составными элементами в общую оценку при установлении свойств материала. Согласно ГОСТам на ткани, показатель поверхностной плотности — массы 1м² — характеризует качество материала данного назначения, вследствие чего показатели массы нормируются в определенных пределах для каждой ткани. Масса многих принадлежностей для спорта строго ограничивается. При установлении влажности материала данные массы образца до сушки и после нее являются исходными при последующих расчетах. Показатели плотности и объемной массы материала используются для расчета пористости и т. д.

Широко применяются характеристики массы при оценке гигиенических свойств материалов и изделий одежды (масса материалов и изделий обуви и одежды). Характеристика массы применяется также для установления количества затраченного сырья (материала) на изготовление изделия, так как экономия сырья при выработке продукции имеет большое народнохозяйственное значение.

Ниже приведены важнейшие показатели массы, которые используются при описании материалов и изделий и их качественной оценки.

Плотность (р). Как известно из физики, плотностью называется масса безпористого вещества в единице объема.

Характеристика материалов по плотности весьма важна для суждения о массе готовых изделий, расчетов некоторых механических свойств материалов, пористости и т. д.

В товароведении плотность определяется пикнометрами (для жидкостей и твердых тел) и ареометрами (для жидкостей). Плотность вещества пористых материалов устанавливается после тонкого их измельчения, методом ртутной по-рометрии определяют их пористость.

При исследовании товаров плотность определяют лишь в отдельных случаях (например, при оценке горюче-смазочных материалов, новых пластических масс); обычно пользуются установленными величинами для отдельных материалов.

Объемная масса (m_v). Объемной массой называют массу единицы объема (1 см³, 1 м³) материала с порами и пустотами. Объемная масса меньше плотности; так как воздух, заполняющий поры материала, характеризуется меньшей массой, чем масса твердых тел.

Сравнивая плотность вещества с объемной массой пористого материала, можно получить числовую характеристику пористости материала.

Объемная масса для отдельных материалов колеблется в широких пределах, что зависит от плотности материала и от большей.или меньшей их пористости. Так, рыхлая ворсовая ткань из шерсти характеризуется объемной массой 0,2—0,25, плотное сукно — 0,35—0,4, плотная льняная ткань — 0,5—0,6.

Определением объемной массы широко пользуются при исследовании товаров для установления их плотности, теплозащитных свойств и пр. Чем меньше объемная масса микропористого материала с замкнутыми порами, тем большими теплозащитными свойствами он обладает.

При установлении объемной массы определяют линейные размеры целого образца или насыпают кусочки мелкого материала в тару определенного объема и затем устанавливают

массу образца. В последнем случае подобная объемная масса называется насыпной.

При определении массы гигроскопических материалов учитывается содержание влаги в материале и условия, при которых определяется масса образца (температура, относительная влажность воздуха).

При определениях объемной массы образец измеряют в его естественном положении, устраняя возможности деформации материала (например, при измерениях толщины); эти деформации при измерении пористых, мягких материалов (вата, мех, войлок и т. д.) могут быть очень значительны, что вызовет искажение результатов определения.

Масса квадратного метра. Масса единицы площади материала (обычно 1 м², реже 1 дм²) определяется при оценке тканей, кожи, трикотажного полотна, бумаги и других материалов. При определениях массы необходимо поддерживать нормальные условия внешней среды температуру и относительную влажность воздуха.

Масса изделий. Характеристика изделий по их массе необходима при решении вопросов об упаковке, транспортировании и хранении товаров, а также во многих случаях при оценке эксплуатационных свойств товаров (нормы массы для легкоатлетических и игровых видов инвентаря и др.) и при выполнении ремонтно-строительных работ (масса рулона толя, листа кровельного материала и др.).

Механические свойства. Наблюдаемые явления при действии на материалы внешних сил — деформации: сжимающих, растягивающих, изгибающих и других нагрузок, характеризуют механические свойства материалов.

Изучение механических свойств материалов важно потому, что прочностные свойства готовых изделий в значительной мере определяется механическими свойствами материалов. Кроме того, эти свойства материалов играют ведущую роль в технологических процессах производства, а их знание необходимо для правильного понимания технологических процессов и тех явлений, которые обусловливают формирование свойств готовой продукции (изделий).

В зависимости от способности материалов изменять исходную форму и размеры под действием внешних сил все материалы подразделяются на хрупкие — не проявляющие видимой невооруженным глазом деформации до момента фактического разрушения, и нехрупкие — деформирующиеся.

Деформация. Все тела состоят из молекул и атомов, между которыми существуют силы взаимодействия, находящиеся в равновесии и не проявляющие себя видимым образом.

В процессе действия на тело внешней силы, которую в дальнейшем будем называть нагрузкой, перемещаются элементарные частицы тела, в результате чего форма тела изменяется. Изменение формы тела или расстояний между какими-либо точками тела при действии на него нагрузки называется деформацией.

Деформация может быть обратимой, если после снятия нагрузки частицы тела под действием внутренних, так называемых упругих сил приобретают первоначальное положение, и тело полностью восстанавливает свою форму. Если тело после снятия нагрузки получает постоянное изменение формы, определяемое новым расположением элементарных частиц (атомов, молекул или их комплексов) и новым состоянием равновесия, то такое видоизменение формы называется необратимой, или пластической, деформацией.

Как обратимая, так и необратимая (пластическая) деформации могут проявляться не в полной мере; в этом случае полная деформация будет представлена суммой этих деформаций:

где D — полная деформация, учитываемая как изменение длины, радиуса кривизны при изгибе и т. д.

Восстановление первоначальной формы тела протекает под действием суммарных внутренних сил энергии материала (упругих). Упругая деформация протекает в течение некоторого отрезка времени, фактическая величина времени для данно

го случая определяется многими факторами — строением и свойствами материала, величиной и скоростью приложения нагрузки, продолжительностью ее действия, состоянием материала — его температурой, влажностью и др.

Изучение обратимой деформации в отношении времени ее проявления дает возможность выделить ту ее часть, которая проявляется мгновенно со скоростью, звука в данном теле; эта деформация называется упругой. Упругая деформация подчиняется закону Гука, т. е. величина ее прямо пропорциональна приложенной нагрузке. Обратимая деформация, протекающая в более или менее продолжительный отрезок времени, называется упругим последействием (в металловедении), или эластической деформацией (для высокомолекулярных органических соединений). Таким образом, полная деформация в общем случае представляет собой сумму упругой, эластической и пластической деформаций:

При определенной нагрузке тело может проявлять только упругую деформацию, тогда d₃ = 0 и о!_пл = 0; оно может также иметь только пластическую деформацию, и тогда d_y = 0 и d₃ = 0 и т. д.

Точные замеры истинных значений упругой, эластической и пластической деформаций затруднительны, так как за период замера упругой деформаций проявляется и часть эластической, последняя же может протекать в течение очень длительного времени. Поэтому в практике лабораторных исследований упругую, эластическую и пластическую деформации замеряют через установленные промежутки времени (например]'у^пРуту^ю — через 3 минуты после снятия нагрузки, пластическую — через сутки и т. д.), и называют эти деформации условно-упругими, условно-пластическими и условно-эластическими.

Для многих материалов (в частности, многих металлов) пластическая деформация в определенных пределах может быть столь ничтожной, что ею пренебрегают и рассматрива

ют материал как вполне упругое тело при нагрузках до определенного предела. Такие материалы называются упругими (углеродистые стали, чугуны и др.). Если при действии нагрузки упругие деформации незначительны или практически отсутствуют, материалы называются пластическими (глина, олово, свинец и др.).

В практике испытания различных материалов (ткани, кожи, резины и др.) полную деформацию иногда разделяют лишь на две ее составные части — упругую и пластическую деформации, причем за упругую (точнее, условно-упругую) принимают обратимую деформацию, протекавшую за определенный период времени, остальную часть деформации принимают за условно-пластическую.

Упругие свойства упруго-эластичных материалов оцениваются иногда показателем эластичности (Э), величина которой выражается отношением условно-упругой деформации к полной, т. е.:

Эластичность, определяемая при действии различных по своей величине нагрузок, будет получать переменные зна- , чения, поэтому показатель эластичности следует устанавли-'; вать при определенной нагрузке. Если эластичность устанавливается при нагрузке, равной Р — аР_разр, где а — доля единицы, Р разр — разрывная нагрузка, то эластичность при данной нагрузке обозначается через Э_а например, Э₀₂₅, Э₀₅,Э₀₇₅ И Т. Д.

Напряжение. При внешних воздействиях на твердое тело (действие нагрузки, температуры и пр.) силы упругости, возникающие в теле, стремятся вернуть его к исходному положению, вследствие чего в теле возникают внутренние напряжения.

Выделив малую площадку д/7 и определив равнодействующие силы АР, находим среднее напряжение на площадке. Переходя к пределу (ДБ—Ю),

получаем

п

олное напряжение в точке М по данному сечению. Составляющие полного напряжения по нормали к сечению и по касательной к. нему являются нормальными и касательными напряжениями. Нормальные напряжения соответствуют продольной деформации (растяжение, сжатие) ребер параллелепипеда; касательные напряжения — деформации взаимного сдвига его граней.

Нагрузка, уравновешивающая действие упругих сил, отнесенная к единице площади материала, характеризует величину напряжения (в кгс/см² или в кгс/мм²) и обозначается знаком ст:

где Р — величина нагрузки, обозначаемая в кг;

F — площадь поперечного сечения материала, см² или мм².

Когда внешние силы, приложенные к телу, будут столь велики, что частицы тела, перемещаясь, утратят взаимную связь, то наступает разделение тела на части, т. е. его разрушение. Нагрузка, при которой разрушается тело, называется разрушающей (разрывной), или прочностью материала; она обозначается Р_разр- Напряжение, при котором тело разрушается, называется разрушающим напряжением и обозначается ст_в.

При изучении механической прочности материалов основной задачей является установление связи между нагрузками (внешними силами, моментами), действующими на тело, и происходящими при этом деформациями. При оценке качества материалов и готовых изделий наибольшее значение придается?'величинам нагрузки (напряжений) и деформаций, при которых происходит разрушение материала.

Типы деформаций. Главнейшими типами деформаций являются изменения форм, наблюдаемые при растяжении, сжатии, сдвиге, кручении и изгибе.

Если приложить к брусу длиной I и поперечным сечением F растягивающее усилие Р, направленное вдоль бруса, то

он под действием усилия Р получит деформацию в виде приращения длины д] при одновременном уменьшении поперечных размеров. Это приращение, называемое абсолютным удлинением, является главной характеристикой деформации при растяжении.

Для получения безразмерной характеристики, не зависящей от длины образца, пользуются отношением абсолютного удлинения к первоначальной длине образца, называемым относительным удлинением е:

Деформации сжатия можно рассматривать как деформации растяжения с обратным знаком. При действии сжимающей нагрузки образец укорачивается (минус удлинение) при одновременном увеличении поперечных размеров.

Деформации при сдвиге получаются, когда равнодействующие силы лежат в двух близких поперечных сечениях и действуют противоположно. Мерой деформации при сдвиге считают изменение прямого угла XOZ, что характеризуется величиной угла р. Если сдвиг частиц тела происходит в одной плоскости — АВ, то такая деформация называется срезом. Примером работы на срез могут служить заклепочные соединения в деталях изделий.

Деформации кручения, возникают при повороте стержня, конец которого закреплен. Пусть к стержню Т приложена пара сил Р с моментом М, действующим в плоскости, перпендикулярной оси стержня. После поворота стержня прямая АВ займет новое положение АВ\ причем отдельные точки в сечении стержня 1, 2, 3, В займут новые положения Г, 2", 3', В\ располагаясь по винтовой линии; радиус ОВ сместится в положение ОВ\ образуя угол ф, называемый углом закручивания.

Перемещение частиц в поперечном сечении стержня происходит не в одинаковой мере, путь, проходимый частицей, увеличивается от центра к поверхности.

п

на некоторый угол

Отношение

редставляет собой взаимный угол пово-

рота двух сечении, отнесенный к единице длины стержня, и называется относительным углом закручивания.

Суммируя элементарные сдвиги на длине стержня I, получаем выражение для полного угла закручивания, т. е. взаимного поворота концевых сечений:

Явления деформации будут носить более сложный характер, если представим себе тело, которое состоит из пучка отдельных волокон (нитей, проволок) небольшого диаметра.

При закручивании волокна будут располагаться по спиралям, испытывая деформации растяжения, сжатия, изгиба и сдвига, причем поперечник пучка будет уменьшаться.

Как и при кручении однородного тела, наибольшие напряжения будут развиваться в верхних слоях, а наимень

шие — в центральной части. Расчет напряжений в отдельных элементах при наличии в волокнах пластических деформаций представляет весьма большие трудности. Примерами деформаций кручения могут служить деформации валов машин, винта при его ввинчивании, а также сложные деформации при закручивании текстильных волокон в процессах выработки крученых изделий (пряжи, нитей, канатов и пр.).

Деформации изгиба. Пусть на брус, лежащий на двух опорах, действует сила Р, приложенная в точке а. Под действием приложенной нагрузки брус займет новое положение, причем точка а сместится в точку а_г Перемещение точки а будет характеризовать деформацию при изгибе. Как показывает опыт, в выпуклой части бруса наблюдаются деформации (напряжения) растяжения, а в вогнутой — сжатия.

Поверхность, разделяющая части бруса, где происходит растяжение и сжатие, называется нейтральным слоем, а линия пересечения нейтрального слоя с каким-либо поперечным сечением — нейтральной линией (линия NN). Отрезок нейтральной линии пп после изгиба не получает деформации, и его длина остается без изменения. Отрезок аа, лежащий на выпуклой поверхности, получает наибольшее удлинение, равное аа — пп, а отрезок сс получает укорочение, равное пп — сс.

Деформация в любом слое, отстоящем от нейтрального на расстоянии (Z), прямо пропорциональна этому расстоянию и обратно пропорциональна радиусу кривизны нейтрального слоя, т. е.:

где е характеризует растяжение в выпуклой части и сжатие в вогнутой; р — радиус кривизны.

Принимая, согласно закону Гука, удлинение (сжатие) пропорциональным напряжению, можем написать:

"где Е — коэффициент пропорциональности.

Из формулы вытекает, что напряжения в слоях материала возрастают пропорционально удалению от нейтрального слоя и наибольшие напряжения отмечаются у поверхности изогнутого тела.

При достаточно большом значении толщины слоя (Z) или малом радиусе кривизны (р) напряжения могут превышать предел прочности материала, вследствие чего произойдет его разрушение (разрыв по выпуклой поверхности или разрушение по вогнутой в зависимости от свойств материала). Примером работы на изгиб может служить изгиб низа обуви при ходьбе.

В производственных процессах выработки изделий и их эксплуатации описанные простые деформации в большинстве случаев встречаются в различных сочетаниях (растяжение с одновременным кручением, сжатие и изгиб и т. д.); такие деформации называются сложными.

Типы нагрузок. В зависимости от площади приложения к телу различают распределенные и сосредоточенные нагрузки.

При распределенной нагрузке действие ее равномерно распределяется по поверхности материала. При одной и той же величине нагрузки действие сосредоточенной нагрузки, очевидно, будет более эффективным и вызовет в участке сосредоточения большие деформации материала. Как примеры сосредоточенной нагрузки можно привести действие иглы при проколе материала, действие шаровой поверхности при вдавливанй-и твердого шарика в металл.

По времени действия нагрузки бывают постоянные и временные. Например, шнур с подвешенной на нем лампой испытывает постоянную нагрузку, перо при письме — временную (в момент нажатия). Временная нагрузка при ее повторении называется многократной. Обувь, платье при носке испытывают многократные нагрузки.

Если нагрузка повторяется, не меняя направления своего действия, она называется нагрузкой асимметричного цикла. При переменных нагрузках направление действия нагрузки может изменяться, например за растяжением следует сжатие, образуя законченный симметричный цикл из различных по знаку деформаций. Нагрузки, прилагаемая к педали, может служить примером асимметричного цикла, нагрузка на площадь поршня автомобильного двигателя — симметричного цикла.

По характеру действия внешних сил, приложенных к телу, различают статическое и динамическое их действие. Если внешние силы прилагаются очень медленно, создаваемые ими ускорения частиц тела настолько малы, что ими можно пренебречь, то в этом случае нагрузка приложена статически и дальнейшее ее действие будет статическим. Если нагрузка приложена к телу столь быстро, что частицы тела получат заметные ускорения и тело будет выведено из равновесия, то считают, что нагрузка приложена динамически и действие ее будет динамическим.

После затухания упругих колебаний действие нагрузки станет статическим. Примером статической нагрузки может служить работа обуви при медленной ходьбе, а динамической — работа ее при беге и прыжках; обработка металла прессованием" происходит при действии статических нагрузок, ковка — при нагрузках динамических.

Динамические нагрузки более эффективно воздействуют на материал, чем нагрузки статические. Разрушительной силой характеризуются многократные переменные динамические нагрузки. Следует в то же время отметить, что разделение прилагаемых нагрузок на статические и динамические условно, так как действие тех и других нагрузок происходит в течение большего или меньшего промежутка времени, величина которого сказывается на деформациях в большей или меньшей мере.

Модуль упругости. Пока нагрузка при растяжении (сжатии) не достигла определенного предела (различного для каждого материала), материал остается упругим и возвращается к первоначальной длине после удаления приложенной нагрузки. Согласно закону Гука, получаемое удлинение (сжатие) пропорционально напряжению, т. е.:

г

де Е — коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости (при растяжении или сжатии).

При относительном удлинении, равном единице, а = Е, т. е. модуль упругости выражает собой расчетное напряжение, при котором упругое абсолютное удлинение тела равно длине первоначального образца.

Из формулы видно, что абсолютная деформация (удлинение, сжатие), получаемая телом при растяжении (сжатии), пропорциональна растягивающей (сжимающей) силе и длине тела и обратно пропорциональна модулю упругости и площади поперечного сечения тела.

Не все материалы строго подчиняются закону Гука; в наибольшей мере он применим для характеристики механических свойств металлов в пределах линейной зависимости между напряжением и удлинением. При исследовании механических свойств таких материалов, как дерево, ткани, кожа

и др., отмечаются значительные отклонения от этого закона, причем наличие остаточных изменений исходного размера отмечается уже при действии малых нагрузок.

Прочность при растяжении. Показатель прочности при растяжении наиболее широко используется для оценки механических свойств металлов, кожи, тканей и других мате-' риалов. В общем, виде зависимость между нагрузкой и удли-; нением при растяжении может быть выражена в виде:

табе) от соотношения

т. е. от величины модуля

упругости. Выше точки А материал не подчиняется закону Гука, и в нагруженном образце появляются пластические деформации.

Напряжение, вычисленное по нагрузке, соответствующей точке А, называется пределом пропорциональности (апц). Заметим, что для некоторых материалов предел пропорциональности выражается нагрузкой, прилагаемой к образцу стандартных размеров. Величина предела пропорциональности характеризует упругие свойства материала. Нагрузка, при которой происходит разрушение материала, определяется положением точки В на диаграмме и называется прочностью при растяжении, разрывной нагрузкой, или разрушающим напряжением.

К ривые растяжения пр своей форме могут быть различны, они могут идти полого или круто подниматься, выпуклости их могут быть обращены вниз или вверх (рис. 3.2).

и повышенную растяжимость в заключительном периоде, когда нагрузка приближается к разрушающей; тот же характер имеет более пологая кривая III; кривая IV характеризует материал, который имеет повышенную растяжимость в средней части, когда величина нагрузки равна примерно половине разрушающей.

Для материалов, которые не подчиняются закону Гука даже при малых нагрузках, предел пропорциональности не может быть установлен, и зависимость между Р и Д1 выражается некоторой функцией Д1 =f(P),- установление которой представляет значительные трудности. Вследствие этого при исследовании таких материалов, как кожа, ткани, крученые изделия, пластические массы, ограничиваются значениями нагрузки и удлинения, наблюдаемых в момент разрушения образца или построением диаграммы растяжения по данным промежуточных значений нагрузок и соответствующих им удлинений.

Помимо показателя прочности, сопротивление материала разрушению может дополнительно характеризоваться работой разрыва.

Работа разрыва определяется количеством энергии, поглощаемой материалом при механических воздействиях. Последнее характеризуется работой, затрачиваемой на деформацию и разрыв образца.

В практике лабораторных исследований ограничиваются приближенным определением площади диаграммы разрыва и вычисляют работу разрыва, вводя коэффициент полноты ц:

Работа разрыва характеризуется площадью OABDO, ограничиваемой на диаграмме кривой разрыва и осью абсцисс; величина этой площади в общем виде может быть получена интегрированием:

У

дельной работой разрыва называется отношение найденной работы к единице объема испытуемого материала:

Д еформации пластических материалов обусловливаются перемещением частиц материала. На рис. 3.3 представлена диаграмма растяжения алюминия после отжига при 350°С. Из диаграммы видно, что упругие деформации до предела пропорциональности (а = 5 кгс/мм²) ничтожны по сравнению с полным удлинением образца. За пределом пропорциональности наблюдаются значительные пластические деформации, причем при напряжении 10 кгс/мм² деформация возрастает без увеличения нагрузки, материал "течет".

Свойство материала медленно и непрерывно деформиро-' ваться под действием постоянной нагрузки называется ползучестью (текучестью). Так как пластические деформаций! обусловливаются перемещением частиц материала, испытывающих внутреннее трение, то они происходят при выделении тепловой энергии, а внутренние напряжения при деформации зависят от скорости возрастания нагрузки. При большой скорости возрастания нагрузки перемещение частиц "отстает" от роста нагрузок и материал разрушается при большем напряжении. Например, в опыте при разрыве цинковой проволоки предел прочности при длительности испытания в течение минуты составлял 24 кгс/мм², 60 минут — 11,5 кгс/мм², а 48 часов — 5 кгс/мм².

Наоборот, если при растяжении пластичного материала прекратить дальнейшее нагружение образца, то частицы вещества еще в течение некоторого времени будут стремиться перейти в состояние равновесия, вследствие чего внутреннее напряжение в материале будет падать. Падение напряжения при наличии данной деформации называется релаксацией (расслаблением).

Релаксация напряжения играет большую роль при технологических процессах' обработки материалов и для определения внутренних напряжений в готовых изделиях. Например, при закручивании волокон в пряже возникают значительные напряжения вследствие деформации волокон, поэтому пряжа стремится раскручиваться. Однако вызванные круткой напряжения с течением времени падают и "уравновешенность" пряжи возрастает.

В непосредственной связи с релаксацией находятся явления так называемого гистерезиса (запаздывания).

На рис. 3.4 представлена диаграмма растяжения и разгрузки упругого материала, из которой видно, что одним и тем же значениям нагрузки соответствуют различные деформации материала. Во время растяжения образец при последовательных значениях нагрузки Р_р Р₂, Р₃ и Р₄ получил соответственно деформации Д1₁₍ Д1₂, Д1₃, Д1₄. При разгружении

образца при нагрузках Р₃, Р₂ и Р_: наблюдались иные — большие значения Д1, а именно Д1 ', Д1₂', Д1 { вследствие чего кривая разгрузки не совпала с кривой растяжения и прошла ниже ее. Это явление называется гистерезисом.

Р,кг

Рис. 3.4. Диаграмма растяжения и разгрузки материалов

Диаграмма растяжения в этом случае принимает вид замкнутой петли гистерезиса, площадь которой графически изображает затраты внутренней энергии на преодоление сил трения частиц тела на пути их к первоначальному положению.

При⁴* гистерезисе наблюдается выделение телом некоторого количества тепловой энергии. В этом случае потеря энергии происходит в необратимой форме, и при повторном на-гружении начало кривой растяжения перемещается из точки 0 в точку А, при последующем — в точку В и т. д. Из диаграммы следует, что механические свойства материала при повторных нагрузках изменяются, что выражается в потере пластичности и в повышении жесткости материала.

Температура значительно влияет на пластические свойства материалов. В частности, для металлов с повышением температуры модули упругости понижаются, уменьшается также сопротивление пластической деформации, влияние времени (скорости) деформации сильно возрастает, релаксационные процессы проявляются в более резкой форме.

Для гигроскопических материалов (кожа, ткани, дерево и др.) существенным фактором является также влажность материала, при увеличении которой растет полное удлинение материала.

Деформации высокомолекулярных веществ — полимерных материалов (резины, волокон из полиамидов, поли-эфтров и др.) характеризуются наличием, наряду с упругой и пластической, эластической деформацией, которая существенно превышает упругую деформацию.

Механизм упругой деформации состоит в увеличении средних расстояний между атомами при растяжении, в связи с чем происходит увеличение объема деформируемого тела.

Эластическая деформация растяжения обусловливается распрямлением длинных молекул, и, таким образом, величина растяжения определяется, с одной стороны, длиной молекул вещества, расположением в образце (величиной их изгиба, размерами в свернутом виде) и величиной их распрямления при растяжении.

Распрямление молекул при растяжении сопровождается выделением тепла; после снятия внешнего напряжения тепловое движение стремится снова нарушить ориентацию распрямленных цепей молекул, они вновь принимают изогнутую форму, поглощая тепло. При нагревании скорость эластической деформации значительно возрастает, и время релаксации в зависимости от внешних условий может изменяться в широких пределах (от долей секунд до нескольких лет). При достаточно больших удлинениях наблюдается также более плотная "упаковка" ориентированных молекул, что сопровождается некоторым уменьшением объема образца.

Разрывной длиной называется минимальная длина образца, при которой происходит его разрушение под действием собственной массы, или длина образца, при которой напряжение под действием собственной массы становится равным разрушающему напряжению.

Если известны предел прочности образца при растяжении (Р_раэр) площадь поперечного сечения образца (F) и плотность материала (d), то можно вычислить разрывную длину (L_paap). Представим, что образец длиной L жестко закреплен верхним своим концом, вследствие чего напряжения в материале создаются под действием собственной массы. Очевидно, что наибольшие напряжения будут иметь место по сечению у границы закрепления, так как на это сечение действует полная масса образца. Определим эту массу:

но

и, следбвательно,

Как видим из этой формулы, разрывная длина равна отношению разрушаемого напряжения материала к его плот

ности и не зависит от площади поперечного сечения образца. Таким образом, ценность такого показателя, как разрывная длина, состоит в том, что им выражаются как свойства прочности, так и масса единицы объема материала; чем прочнее и легче материал, тем выше значение разрывной длины.

Если плотность материала неизвестна, то при вычислении разрывной длины можно воспользоваться "весовой" характеристикой единицы длины материала (для нити, проволоки, канатов).

где Р_разр — разрушающее напряжение образца (нити, проволоки и т. д.) при растяжении в г; G — масса 1 погонного м образца в г.

Методы испытания прочности материалов при растяжении можно разделить на две группы: для статических испытаний при определении прочности и удлинения и для динамических испытаний при определении работы, затрачиваемой на разрыв. В конструктивном отношении приборы первой и второй групп отличаются большим разнообразием.

Испытание статической нагрузкой наиболее широко применяется при определении прочности материалов.

Приборы для определения прочности и удлинения статической нагрузкой называются разрывными машинами.

Для момента равновесия рычага можно написать:

откуда

Поскольку Q, 1 и а величины постоянные, усилие будет возрастать пропорционально синусу угла а, в соответствии с чем производится калибровка шкалы.

Испытание динамической нагрузкой применяется в агрегатах машин и механизмов, а также для отдельных материалов. Внезапно приложенные динамические нагрузки оказывают на материал иное действие, чем нагрузки статические.

Напряжения, которые возникают в материале в месте приложения нагрузки, передаются по материалу с известной скоростью. Упругие деформации распространяются в материале со скоростью звука, пластические — весьма медленно. Таким образом, при медленном (статическом) приложении нагрузки упругие и статические деформации распространяются по всему материалу, при ударном приложении нагрузки пластические деформации будут отставать от упругих; вследствие этого полная деформация тела будет иной, изменится также соотношение между упругой и пластической деформациями. Из этого следует, что при статическом и динамическом испытаниях результаты будут различны. Таким образом, если материал при технологической обработке или эксплуатации подвергается динамическим нагрузкам, то судить о его свойствах только по данным статических испытаний неправильно.

Академик И. В. Крагельский подчеркивал особую важность динамических испытаний для "податливых" текстильных материалов, испытывающих во время обработки и эксплуатации многократные нагрузки ударного характера. Многие динамические испытания проводят с помощью комбинированных устройств, которые называют стендами.

Для металлов наряду со статической нагрузкой более широко применяются испытания динамической нагрузкой на сжатие и изгиб.

Простейшие приборы для испытания динамической нагрузкой называются копрами. Наиболее распространены три типа копров: вертикальные с падающим копром, маятниковые и с вращающимся диском.

При динамическом испытании мягких материалов (пряжи, тканей), с помощью "маятникового динамометра" опре-

г де W — работа в Дж;

G — вес маятника в кгс;

г — радиус центра тяжести маятника в см;

Ф₁—угол взлета маятника вхолостую;

Ф₂ —угол взлета маятника при рабочем ходе.

Усталость материалов. Материалы, подвергающиеся многократным нагрузкам, постепенно ухудшают свои механические свойства, а при достаточно большом количестве нагрузок наблюдаются явления полного их разрушения. Имеет место проявление свойства усталости материалами.

Если нагрузка прилагается к испытуемому телу от 0 до некоторого установленного максимума, то повторные нагрузки характеризуются асимметрическим циклом при меняю-' щейся нагрузке, когда материал испытывает, попеременно одинаковые по величине и противоположные по знаку напряжения (например, растяжение—сжатие) нагрузки характеризуются симметрическим циклом.

На рис. 3.5 представлено схематическое изображение кривой усталости материала; на рисунке по оси ординат отмечены величины напряжений при многократных нагрузках, а по оси абсцисс число циклов нагрузки, необходимых для разрушения материала. Как видно из диаграммы, по мере уменьшения напряжения при повторных нагрузках число циклов, необходимых для разрушения образца, увеличивается, и при падении напряжения ниже определенной величины ф_ш материал не разрушается при любом числе циклов (теоретически).

Величина ф_w называется пределом выносливости, или усталости, материала. Для материалов, кривая усталости которых идет наклонно и не заканчивается горизонтальным участком, предел выносливости может быть выбран условно в

в иде величины напряжения (нагрузки), не разрушающей материал при установленном числе циклов (п).

Испытание на усталость имеет наибольшее значение для тех материалов, ответственные детали или изделия которых подвергаются многократным нагрузкам (коленчатые валы, пружины и др.). В частности, при испытании металлов применяют растягивающие и изгибающие нагрузки, меняющие свои направления.

Для проведения испытаний применяются приборы различных конструкций, причем "в результате такого испытания стремятся найти ту нагрузку, которая при достаточно большом количестве перемен не вызывает "поломку" материала".

Повторные растягивающие нагрузки применяют для оценки пряжц, тканей, резины и других материалов, используемых для "изделий бытового назначения. Методики таких испытаний'текстильных материалов разработаны под руководством проф. В.П. Склянникова для оценки потребительных свойств тканей.

Твердость. Твердость представляет собой свойство тела противодействовать проникновению в него другого (более твердого) тела. Если сжимающая сила передается на относительно небольшой участок какого-нибудь тела, то она вызо

вет местную деформацию сжатия, не распространяющуюся! на большую глубину, вследствие чего возникает смятие. При| надавливании одного тела На поверхность другого может ос-; таться отпечаток, представляющий собой остаточную деформацию смятия.

Показатель твердости является основной характеристи-; кой механических свойств многих материалов (металлов, пластических масс и др.). Существует несколько методов опре-; деления твердости материалов.

Для хрупких материалов твердость определяют царапа-2 ньем поверхности образца другими материалами различной; твердости.

При определении твердости указанным выше методом! испытуемый материал царапают одним из материалов до тех! пор, пока не останется на нем заметной царапины. Если, на-'] пример, таким минералом оказался топаз, то испытуемый-материал относится к 7-й степени твердости. Определять твер-= дость можно также царапанием поверхности тела алмазом при определенном давлении; оценку твердости устанавливают по ширине произведенной царапины (под микроскопом).

Испытание твердости методом вдавливания стального закаленного твердого шарика основывается на измерении величины местной деформации в испытуемом материале.

В этом случае твердость (статическая) определяется вдавливанием твердого шарика определенного диаметра D =.-2,5; 5; 10 мм) соответствующим грузом (Р = 187,5; 750; 3000 кг) при статическом приложении нагрузки (в течение 15 секунд при последующей выдержке 30 с). В зависимости от твердости материала размеры вмятины, получающейся при вдавливании стального шарика (данного диаметра при соответствующей нагрузке), будут различны, что устанавливается измерением диаметра отпечатка d и глубин лунки h.

За показатель твердости принимается отношение приложенной нагрузки к сферической площади отпечатка (вмятины, лунки). Вдавливанием индентора определяют твердость на приборе Роквелла и Бринелля.

Твердость определяется также при падении стального бойка с алмазным наконечником с определенной высоты. По высоте отскока бойка судят о твердости материала.

При испытании относительно мягких материалов (кожа, войлок и др.) твердость определяется по затраченному усилию для прокола материала стандартной иглой.

Применяются и другие методы определения твердости, которые изучаются в соответствующих разделах курса товароведения.

Термические свойства. К термическим относятся свойства, которые проявляются при действии на материалы или готовые изделия тепловой энергии. Важнейшими из них при товароведных оценках приняты: теплоемкость, коэффициент термического расширения, теплопроводность, теплоизлучение и теплопоглощение, теплоизолирующие свойства, термическая стойкость, показатели изменения агрегатного состояния.

Теплоемкость. Количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1 "С, характеризует теплоемкость данного тела:

Теплоемкость, отнесенная к грамму или килограмму вещества, называется удельной теплоемкостью и обозначается в кал/(г • °С) или в ккал/(кг • °С). Теплоемкость при постоянном давлении обозначается буквой С_р, а при постоянном объеме — C_v. Показатели теплоемкости используются при характеристике металлов, теплоизоляционных материалов и" дрР*

Коэффициент термического расширения. Этот показатель является весьма важным при оценке в особенности тех изделий, для которых показатель коэффициента термического расширения связан с суждением о прочности изделия, правильности его конструкции (для металлов, стекла, стеклянной посуды).

Показатель коэффициента термического расширения имеет особо важное значение для таких изделий, размеры деталей которых оказывают влияние на основную функцию вещи (детали особо точных механизмов, измерительные инструменты, глазури керамических изделий).

Различают линейный коэффициент расширения а, характе-

ризуемый отношением

Т еплопроводность. Способность материала проводить тепло| при наличии температурной разности между отдельными: участками тела называется теплопроводностью.

Количество тепла, проходящее через слой материала прямо пропорционально его площади, разности температур; у обеих поверхностей слоя, времени и обратно пропорцио нально толщине слоя материала. Кроме того, теплопровод! ность зависит от свойств материала. Таким образом:

Л

учшими проводниками тепла являются металлы, поэтому они не применяются в качестве теплоизоляторов. Тела с малой теплопроводностью (до 0,2 ккал/(м • °С • ч) называют теплоизоляторами (асбест, войлок, дерево, кожа и др.). Наименьшей теплопроводностью обладает воздух; поэтому наличие воздуха в пористых телах резко снижает теплопроводность последних.

Т еплопроводность гигроскопических материалов резко возрастает с увеличением влажности материала, причем следует иметь в виду, что коэффициент теплопроводности для влажного* ^материала может быть выше коэффициента теплопроводности как материала, так и воды. Так, по данным

лянной посуды и др. Определяют коэффициент теплопроводности различными методами; наиболее распространен метод измерения теплового потока через испытуемую стенку (метод плиты). На рис. 3.6 представлена принципиальная схема прибора для определения коэффициента теплопроводности материалов при установившемся постоянном тепловом потоке через материал (при стационарном режиме).

Рис. 3.6. Схема прибора для определения теплопроводности материала

На металлической поверхности нагревателя 1 располага- ется испытуемый материал 2, а на нем — водяной холодиль- ник 3. Для компенсации утечки тепла снизу и с боков уста- навливают дополнительные нагреватели 4, 5, причем весь прибор подвергается тщательной изоляции б, 7 от потерь тепла во внешнюю среду. При установившемся тепловом по- токе (при стационарном режиме) тепло, выделившееся в на- гревателе 1, проходит через испытуемый материал и погло- щается холодильником. Зная количество выделившегося тепла Q за время t, толщину материала h, его площадь и замеряя температуру t_; и t₂, рассчитывают коэффициент теплопро- водности. ,

Теплоизлучение и теплопоглощение. Как известно, при нагревании тела часть тепловой энергии превращается в лучистую, количество которой возрастает при повышении температуры тела. Тепловое излучение тел является результатом колебательного движения атомов и молекул.

Е сли R = 1, то вся падающая лучистая энергия полностью отражается зеркально — при геометрически правильном отражении или диффузно — для абсолютно белых тел.

Тела называются абсолютно проницаемыми (прозрачными), или диатермичными, если вся падающая энергия полностью проходит сквозь тело (D = 1).

Лучеиспускательная способность тел тем больше, чем больше их поАлощательная способность.

Таким- образом, при любой температуре лучеиспускание абсолютно черного тела является максимальным.

Лучеиспускательная способность тела определяется количеством энергии, излучаемым единицей поверхности в единицу времени для всех длин волн от х = о до х = ~.

Интенсивность излучения по длинам волн, согласно закону Планка, неодинакова, причем с повышением температуры

максимум излучения смещается в сторону более коротких| волн.

На рис. 3.7 представлены кривые спектров излучения для| абсолютно черного тела согласно закону Планка; из графи-| ка видно, что интенсивность излучения видимого света (заштрихованная часть) весьма мала по сравнению с областью| инфракрасных лучей.

30

Рис. 3.7. Кривые спектров излучения для абсолютно черного тела при различных температурах

С огласно закону Стефана Больцмана энергия излучения! абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени| абсолютной температуры; в технических расчетах применяется уравнение:

г

емую телом из окружающей среды, можно рассчитать для условия складских, жилых помещений по формуле:

де е — энергетическая светимость тела, Вт/м²; Т — температура тела, К; Е — исходная энергия.

Э нергию, поглощенную телом из окружающей среды, можно рассчитать для условия складских, жилых помещений по формуле:

С - удельная теплоемкость среды, Дж/(кг.К); р — плотность среды кг/м³;

v — кинематическая или динамическая вязкость, м²/с;

Р_г — критерий подобия Прандтля;

Т — температура среды, К;

t — время теплового воздействия, с;

1 — толщина образца.

Теплоизолирующие свойства. Теплоизолирующие свойства различных* материалов (тканей, кожи и др.) определяются не только показателем теплопроводности этого материала, но некоторыми другими его свойствами, так как потеря тепла телом, изолированным от внешней среды теплоизолят.ором, происходит тремя путями — теплопроводностью, лучеиспусканием (тепловым излучением) и конвекцией.

Для определения теплоизолирующих свойств материалов вводят коэффициент теплоотдачи или суммарной теплопотери

через исследуемый материал, который характеризует общие теплопотери (путем теплопроводности, лучеиспускания и конвекции). Для материалов, из которых изготавливается одежда, этот показатель имеет наибольшее практическое значение.

Способы определения коэффициента теплоотдачи весьма разнообразны и в каждом отдельном случае определяются видом и назначением материала, а также задачами опыта. В общем виде это определение состоит в том, что испытуемым материалом изолируют от внешней среды нагреваемое до определенной температуры тело (цилиндр, шар, плоскую поверхность) и по степени охлаждения его (метод охлаждения) или по затрате тепла на поддержание температуры тела (метод постоянной температуры) судят о теплозащитных свойствах материала.

Термическая стойкость. Этот показатель характеризует способность материала или изделия выдерживать в определенных пределах изменения температуры без разрушения или заметного ухудшения своих потребительных свойств.

Показатель термической стойкости составляет одну из характеристик сопротивляемости объекта внешним тепловым воздействиям при его эксплуатации и представляет собой важный показатель в товароведной оценке.

Для отдельных материалов показатели термической стойкости приобретают большое значение. Например, некоторые виды искусственного волокна (ацетатный шелк и др.) не выдерживают действия температуры выше 80—100°С; некоторые материалы при действии низких температур резко увеличивают хрупкость, понижают прочность (например, ПВХ — пластикаты).

Для пластических масс, различных по своему химическому составу и выработке, термическая стойкость колеблется в широких пределах, и оценка их по этому свойству имеет большое практическое значение для технологии и характеристики готового изделия.

Для стеклянных изделий термическая стойкость является одним из важных показателей качества. В частности, для стеклянной посуды термическая стойкость характеризуется

пределами температуры, до которой возможно резко нагреть или охладить изделия без разрушения. В данном случае термическая стойкость зависит от целого ряда термических свойств материала — теплоемкости, коэффициента термического расширения, теплопроводности, а также от предела прочности стекла и конструкции изделия.

Кроме того, показатель термической стойкости используется для оценки технологических свойств материала, если последний по ходу технологического процесса подвергается обработке при различных температурах. Одним из частных показателей термической стойкости товаров является огнестойкость, характеризующаяся способностью материалов воспламеняться и сгорать с большей или меньшей интенсивностью (температура воспламенения, горючесть). Такие материалы органического происхождения, как дерево, бумага, вата, ткани из растительных волокон, многие пластмассы (целлулоид и др.), лаки, могут быть отнесены к материалам с малой огнестойкостью. Шерсть, резина, кожа, казеин характеризуются довольно ббльшой огнестойкостью. Наибольшей огнестойкостью отличаются изделия металлические и силикатные. Огнестойкость некоторых материалов повышается путем специальной пропитки или путем нанесения огнезащитных покрытий. По степени горючести материалы разделены на классы.

Для горючих веществ (бензин, керосин, смазочные масла и др.) существенной характеристикой является температура вспышки (температура, при которой происходит вспышка паров горючего вещества с последующим затуханием) и температура ^воспламенения (вспышка с последующим горением), детонационная стойкость.

Изменение агрегатного состояния. Температуры, при которых изменяется агрегатное состояние вещества, являются во многих случаях важными технологическими характеристиками, т.е. характеристиками потребительских свойств материалов. К таким характеристикам относятся температуры размягчения и плавления для твердых тел (металлов, силикатов, пластмасс) и температуры кипения и затвердевания

для жидкостей (горючие и смазочные вещества, растворите-^; ли для лакокрасочных товаров и др.).

Характеристики изменения агрегатного состояния используй ются также при оценке степени чистоты материала, установи лёния наличия в нем примесей. "Агрегатные переходы" ме-^ таллических сплавов и металлов характеризуются критичес- кими точками (плавления, кристаллизации). Ц

Сорбционные свойства. Как известно, адсорбцией принято называть поглощение газов, паров и растворенных ве-, ществ на поверхности твердых тел. Твердое тело, способное поглощать газы, пары или растворенное вещество, называется адсорбентом, адсорбированное вещество называют ад-, сорбатом. Явление, обратное адсорбции, связанное с умень-' шением количества поглощенного вещества адсорбентом,, называется десорбцией.

Адсорбция на поверхности твердого тела является лишь^! частным случаем более общего явления — сорбции, которое! охватывает также процессы абсорбции, капиллярной конденсации, хемосорбции.

Абсорбцией .называется поглощение сорбируемого вещества за счет его диффузии в массу тела и внедрения между атомами и молекулами сорбента.

Адсорбция — уплотнение газа, пара или растворенных частиц на поверхности твердого тела, включая и те явления, когда адсорбируемое вещество проникает внутрь твердого тела, но остается на поверхности его пор, полостей,; трещин, не проникая между атомами или молекулами твердой фазы.

Капиллярная конденсация возникает в результате слияния жидких слоев, образовавшихся на стенках капилляров (пор), вследствие адсорбции пара.

Хемосорбция — поглощение в результате химического взаимодействия газа или пара с твердым телом, происходящее либо на поверхности тела, либо распространяющееся на всю массу твердого тела.

При изучении свойств твердых тел и производственных процессов, их обработки наибольший практический интерес представляет адсорбция газов, паров или частиц растворенных веществ.

Гигроскопические свойства материалов, отдельные процессы окрашивания, очистки масел и другие процессы полностью или частично объясняются адсорбционными явлениями.

Механизм адсорбции на поверхности твердых тел весьма сложен, что связано с неоднородной активностью отдельных., участков и с тем, что адсорбция может сопровождаться хе-мосорбцией и другими явлениями сорбции.

При оценке материалов, используемых для выработки различных изделий, и при характеристике их потребительских свойств наибольший практический интерес представляет решение вопроса о количестве адсорбируемых веществ (газа, пара, растворенных веществ) в различных условиях внешней среды и о влиянии адсорбированных веществ на свойства адсорбента.

Главнейшими факторами, непосредственно влияющими на величину адсорбции, являются природа компонентов (адсорбента и адсорбируемого вещества), концентрация адсорбируемого вещества и температура.

Адсорбция тем выше, чем больше удельная поверхность адсорбента. При адсорбции из растворов ее величина зависит не только от природы адсорбента, но и от природы растворителя и адсорбируемого вещества. Изотерма адсорбции устанавливает^ зависимость между концентрацией раствора и количеством адсорбируемого вещества:

—

количество адсорбированного вещества, отнесен-

ное к одному грамму адсорбента;

С — конечная концентрация (или давление);

л

егко видеть, что оно не дает представления о пределе адсорбции, в то время как такой предел, связанный с полным насыщением поверхности, практически существует.

На основании представлений Л.Г. Гурвича о силах притяжения между молекулами, проявляющимися при адсорбции, Лангмюр дал следующее уравнение, определяющее количество адсорбируемого вещества в условиях изменяющегося давления адсорбируемого газа или его концентрации при данной температуре:

молекул на поверхности, но и испарение их с этой поверхности, поэтому адсорбционное равновесие будет определяться равенством скоростей конденсации и испарения. Опытные данные хорошо согласуются с расчетными данными.

При физической адсорбции количество адсорбируемого вещества с повышением температуры убывает; при хемосорб-ции количество поглощенного вещества возрастает по мере повышения температуры.

Важной характеристикой адсорбции является ее тепловой эффект — поглощение адсорбируемого вещества сопровождается выделением тепла; наоборот, удаление адсорбируемого вещества связано с затратой тепловой энергии. Скорость течения адсорбции в отдельные периоды неодинакова; в начальном периоде, когда адсорбирующая поверхность еще свободна, она наибольшая, а в дальнейшем скорость адсорбции уменьшается, доходя до нуля по мере наступления* динамически равновесного состояния.

Влажность материалов и изделий. Влага, содержащаяся в материалах, может находиться в различном состоянии: в виде адсорбированной влаги, конденсированной влаги в капиллярах (малых порах)'вещества и в химически связанном виде (кристаллизационная вода). Кроме того, в материалах может содержаться капельножидкая свободная вода, механически заполняющая поры материала. Раздельное определение адсорбированной, конденсированной, химически связанной и капельножидкой влаги производится лишь при специальных товароведных исследованиях.

В товаооведных исследованиях часто ограничиваются установлением потери влаги материалом при сушке в определенных условиях до момента наступления "постоянной" массы или, как говорят, массы "абсолютно сухого" материала, т. е. массы, которая при последующей сушке и взвешивании образца не изменяется более обусловленной величины (обычно 0,02%).

Общая потеря влаги при сушке (g_B — g_c), отнесенная к массе материала после сушки, характеризует влажность материала, которую выражают в процентах.

Адсорбированная влага. Изменение показателя влажности (за счет адсорбционной, конденсированной, химически связанной влаги) для таких материалов, как дерево, кожа, текстильные волокна, пластические массы й др., сопровождается изменением объема, массы, прочности, удлинения, мягкости, теплопроводности и других свойств. Большое значение показатель влажности имеет при суждении о противогнилостной стойкости материалов, так как гнилостные процессы во влажном материале развиваются более интенсивно.

Количество адсорбционной влаги, содержащейся в материале, зависит в основном от вида материала (свойств адсорбента), относительной влажности и температуры воздуха.

При увеличении относительной влажности воздуха г (при постоянной температуре) количество адсорбированной влаги возрастает, адсорбционное равновесие наступает при более высоких значениях влажности материала.

Характер изменения кривой типичен для многих гигроскопических материалов:

В границах относительной влажности воздуха до 10% идет интенсивный рост количества адсорбируемой влаги, при г = = 20—70% адсорбция влаги протекает более медленно; изотерма сорбции на этом участке приближается к прямой; при дальнейшем увеличении г наблюдается значительное увеличение количества адсорбируемой влаги, кривая круто поднимается вверх. В лабораторной практике условия относительной влажности воздуха 60—70% считаются нормальными. При этой относительной влажности обычно производят лабораторные испытания материалов (прочности, удлинения и др.).

При повышении температуры (при г = const) количество адсорбированной влаги уменьшается и кривая адсорбции располагается ниже, а при понижении температуры воздуха количество адсорбированной влаги увеличивается и кривая адсорбции располагается выше.

В зависимости от предшествующего состояния адсорбента величина влажности при равновесном состоянии может быть различна. Если новое равновесное состояние наступает путем повышения влажности материала (или, как говорят, овод-нением), то показатель влажности будет меньшим, чем в том случае, когда равновесное состояние в тех же условиях достигается обезвоживанием. Это явление называется гистерезисом влажности.

Явление гистерезиса хорошо иллюстрируется опытами с хлопковой^ватой, которую последовательно переносят в камеры с различной относительной влажностью воздуха и замеряют" влажность ее после наступления равновесного состояния как при высушивании, так и при оводнении.

Кривая последовательного обезвоживания (адсорбционного поглощения влаги) идет ниже кривой обезвоживания; таким, образом, влажность материала при адсорбционном увлажнении будет меньше, чем при обезвоживании, когда материал приходит к равновесному состоянию в новых условиях отно-

сительной влажности путем отдачи некоторого количества -адсорбированной влаги.

Для установления нормальной гигроскопичности материала (например, влажности материала при относительной влажности воздуха 65% и температуре 20°С) необходимо взять значения влажности при оводнении и обезвоживании, а затем вычисляют среднее значение.

Максимальную гигроскопичность материала характеризует влажность материала, выдержанного до адсорбционного равновесия в условиях относительной влажности воздуха 100% при температуре 20°С.

Свойство материалов впитывать и удерживать капельножидкую влагу называется водопоглощением.

Водопоглощение материала зависит от гидрофильное™, пористости материала, вида и размера его пор, адсорбционной способности и др. О водопоглощении судят обычно по привесу материала после его полного насыщения;' при этом следует иметь в виду, что некоторая часть воды может быть поглощена в виде химически связанной или адсорбированной, часть воды будет заполнять сквозные или полузамкнутые поры, часть воды будет лишь смачивать поверхность материала и внутреннюю поверхность крупных пор.

Следует учитывать также, что после извлечения материала из воды последняя частично вытекает из пор. Это обусловливает некоторую условность, определения показателя водопоглощения.

Если обозначить через g_c массу абсолютно сухого материала, а через g_H— массу материала после его насыщения водой, то полное водопог лощение по массе будет равно (в %):

С помощью этрго показателя учитывают как адсорбированную (конденсированную, химически связанную), так и капельножидкую влагу.

Вычитая из величины показателя полного водопоглощения величину максимальной гигроскопичности, мы получим

водопоглощение капельножидкой воды материалом с максимальным адсорбционным увлажнением.

В товароведной практике за "сухой" материал принимают образец с нормальной адсорбционной влажностью, называемый иногда "воздушно-сухим", и к массе этого образца относят привес образца после его насыщения водой.

Водопоглощение по объему характеризует степень заполнения водой общего объема материала и выражается как количество поглощенной воды, отнесенной к объему материала:

Весовое поглощение материала может быть значительно больше пористости, объемное водопоглощение всегда меньше пористости, так как часть пор полностью или частично не заполняется водой.

Пример. Сукно с объемной массой 0,26 имеет пористость 80%. Если при насыщении сукна водой будет заполнено лишь 50% пор, то 1 см³ сукна поглотит 0,4 г воды. В этом случае:

Водопоглощение материалов в процессе их переработки колеблется в широких пределах; так, весовое водопоглощение плотных каменных материалов 0,2—0,7%, кирпича 8— 20%, дерева 20—200%, ткани 60—150% и более.

В различных отраслях производства переработки материалов весо'вов водопоглощение обозначается различными терминами — влагоемкость, весовая намокаемость (кожа), минимальная водоемкость (ткани) и т. д.

Определение влажности. Для определения влажности разработано большое число методов; применение того или иного метода определяется природой исследуемого вещества, задачами исследования, требуемой точностью результатов.

При установлении кондиционной массы, массы сырья или материалов при обусловленной влажности применяется высушивание образцов в кондиционных специальных аппаратах; высушивают образцы при определенной температуре, допускаемой для данного материала до условно постоянной массы. После установления массы абсолютно сухого материала производится расчет массы при обусловленной (кондиционной) влажности.

Выбор способа и режима сушки — важнейший момент в постановке определения влажности по этому методу; с одной стороны, необходимо исключить возможность улетучивания и разложения при сушке основного вещества или его примесей, с другой — обеспечить полное удаление влаги из материала.

Электрообогрев с авторегулировкой температуры является наиболее приемлемым. В лабораторных условиях применяются сушильные шкафы-термостаты, кондиционеры, сушильные трубки, приборы с инфракрасным обогревом. *;

Из химических методов определения влажности можно; отметить экстрагирование влаги из материала различными; веществами, которые химически не взаимодействуют с ад-j сорбентом. Известен, например, метод экстракции влаги из| древесины ксилолом с последующим улавливанием испарив-i шейся воды.

Извлечение влаги из материала может быть осуществле- но путем переноса материала в камеры (эксикаторы) с'\ последовательно понижающейся относительной влажностью. | Для таких определений, выполняемых в отдельных случаях,; используют эксикаторы с серной кислотой соответствующей? концентрации. |

Электрические методы в последние годы широко приме-* няются для определения влажности волокон, дерева, зерна? и др. Эти методы основываются на учете изменения электро-; проводности или электроемкости материала при изменении! его влажности. В частности, отечественные емкостные вла-! гомеры для определения влажности волокон применяются в,

текстильной промышленности и при определении влажности древесины.

Проницаемость. Проницаемостью называется способность материала пропускать через себя частицы другого тела: воздуха, пара, воды, пыли и др. Это свойство присуще в большей или меньшей степени многим материалам, и оно весьма важно при характеристике качества строительных, одежных и других материалов, в частности для определения гигиенических свойств швейных изделий, обуви и др.

Воздухопроницаемость. Пусть камера А отделена от камеры В воздухопроницаемой перегородкой К. Если давление воздуха в камерах различно и Р_х > Р₂, то через перегородку К' за время t (с), протечет некоторое количество миллилитров воздуха — V. При разности давлений Р₁ — Р₂, = h количество прошедшего воздуха через 1 см² перегородки за одну секунду будет равно:

где F — площадь перегородки в см².

Величина B_h называется воздухопроницаемостью материала при разности (перепаде) давлений h.

Величина воздухопроницаемости является сложной функцией от давления, и поэтому при сравнении воздухопроницаемости различных материалов, если функциональная зависимость неизвестна, испытания проводятся при одном и том же давлении (например, при давлении 5 или 10 мм водяного столба).

Техническим коэффициентом воздухопроницаемости С называют количество прошедшего воздуха в миллилитрах через 1 см² площади материала в 1 с при разности давлений в 1 мм водяного столба.

Воздухопроницаемость материалов зависит в основном от величины и количества пор (сквозных отверстий) в материале, а также от длины и формы этих пор. Из этого следует, что воздухопроницаемость может быть как угодно мала, но

Технический коэффициент воздухопроницаемости	М	К
1	15,65	60,50
ю	45,51	4,70
40	82,70	0,63
100	142,00	0,13
200	229,00	0,02

Определяется воздухопроницаемость различными методами. Зная площадь образца F, время t и определив по газометру V, рассчитывают воздухопроницаемость при определенном значении h.

Определение в аэродинамической трубе основано на замере давлений воздушного потока в трубе до образца Т и после образца и на замере скорости воздушного потока в трубе, измеряемого специальными приборами (трубка Пито и др.). Зная внутренний диаметр трубы и скорость воздушного потока, можно рассчитать количество протекающего воздуха в t сек при разности давлений P_t — Р₂ = п. Применяются автоматизированные измерители.

Паропроницаемость. Способность материала проводить пары воды называется паропроницаемостью. Статическое испарение воды с водной или увлажненной поверхности, пары воды рассеиваются в воздухе путем диффузии вследствие создающегося перепада давления водяных паров в атмосфере и у водной поверхности. Если на пути диффузии имеется преграда в виде образца материала, то диффузия замедляется в большей или меньшей мере в зависимости от пористости материала; одновременно часть паров воды адсорбируется и путем десорбции передается во внешнюю среду.

Интенсивность статического испарения в цилиндрических сосудах (масса паров воды, испаряющихся в 1 см² площади в час) зависит от давления, температуры и относительной влажности воздуха, а также от глубины уровня-воды в сосуде. Для условий — t = 20°, г = 60%, Р = 760 мм рт.Ст., при расстоянии поверхности воды от краев стакана 30 мм и диаметре стакана 80 мм — количество испаряемой воды ~ 3 мг/мм²час.

Если при испытании образец, покрывающий стаканчик, замедляет диффузию пара, а количество паров воды, проводимой путем адсорбции, мало, то убыль воды из открытого

сосуда всегда больше, нежели из сосуда, покрытого испытуемым материалом.

В процессе динамического испарения, когда у водной по< верхности создаются потоки воздуха, проходящие через об= разец под некоторым давлением h, пары воды проходят че рез поры образца вместе с воздушным потоком.

Тогда, при установившемся параллельном процессе сорб ции, количество паров воды, проходящих вместе с воздушным потоком, будет пропорционально воздухопроницаемости и относительной влажности воздуха.

Если через образец площадью F см² за время t часов проходит V мл воздуха при давлении h мм водяного столба, то количество паров воды, проходящих через образец вместе с воздушным потоком, имеющим температуру т, будет равно

где: G_s — количество мг пара в 1 мл воздуха при полно*' насыщении для температуры т.

ф — относительная влажность воздуха в долях единицы.!

Паропроницаемость — является главным функциональньг свойством материалов, применяемых для изготовления одеж ды и обуви, обеспечивающее удаление испарений тела чере. материал. При определении паропроницаемости стакан с во: дой покрывают испытуемым материалом и помещают на опре деленное время в соответствующие условия внешней сред (температура 20°С и относительная влажность воздуха 60%).

В зависимости от методики испытаний температура водь" в стакане должна соответствовать температуре окружающе: среды или поддерживаться на более высоком уровне (35^ 37°С). По убыли массы стакана с водой определяют количе- ство водяных паров, прошедших через материал. ■;

где g — убыль массы воды в мг в определенных условиях внешней среды; 1

Суммарную паропроницаемость рассчитывают по формуле*

t — продолжительность опыта в часах; F — площадь образца в см².

Относительной паропроницаемостью называют процентное отношение количества паров воды, прошедших через образец, к количеству воды, испарившейся из открытого стакана того же размера и за то же время; относительная, паропроницаемость Р_о исчисляется по формуле:

где g — масса водяных паров, прошедших через образец за время t;

g₀ — убыль массы в открытом стакане с водой за то же время.

Для тканей относительная проницаемость колеблется в пределах 20—50%.

Водопроницаемость Под водопроницаемостью понимают свойство материала пропускать воду при определенном давлении. Сопротивление материала проникновению воды на противоположную сторону материала называют водоупорностью.

Водопроницаемость (В) измеряется количеством воды в мл, проходящей в час через 1 см² материала, т. е.

где v — количество воды в мл, прошедшей через образец за время t;

F — площадь образца в см².

Водоупорность материала характеризуется высотой столба воды, который выдерживает испытуемый образец без того, чтобы воДа проходила на обратную сторону в виде свободно па д ающизс "йапе ль.

Простейшим методом определения водоупорности является испытание при помощи "цилиндра". При этом методе на испытуемом материале укрепляют цилиндр (герметично) высотой более 400 мм. В образовавшуюся "емкость" наливают воду до высоты, требуемой техническими условиями. Материал признается соответствующим требованиям, если он

выдерживает испытание в течение установленного времени (3—24 часа), до момента отрыва первой капли воды с изна-5 ночной стороны образца. 1

Пылепроницаемость. Характеристикой материалов по пылепроницаемости пользуются при оценке технических тка- ней, применяемых для фильтров, гигиенических свойств одежных тканей, обувных материалов и т. д. I

Пылепроницаемость в основном зависит от тех же факторов, что и воздухопроницаемость, а также от свойств пыли; размера ее частиц, запыленности воздуха, выражающейся в! г/м³. О пылепроницаемости судят по привесу образца, через; который пропускают запыленный воздух в течение опреде-; ленного времени при установленном перепаде давлений. i

Оптические свойства. К оптическим относятся такие свой| ства, как цвет, блеск, матовость, прозрачность, преломляемость; света и другие, воспринимаемые в зрительных ощущениях. j

При оценке таких товаров, как фотоаппараты, бинокли| зеркала, оптические свойства являются основными. Описа| ние показателей этих свойств будет дано в специальных раз^ делах курса, ниже мы коснемся преимущественно свойств! воспринимаемых в цветовых ощущениях, которые играю-Ё существенную роль во внешнем оформлении изделий. |

Цвет наряду с формой — основной элемент зрительного^ ощущения при действии лучистой энергии на наш глаз. Ви^ димая часть спектра, как известно, лежит в пределах длины волн от 400 до 760 нм, причем волны различной длины вызы-* вают различные цветовые ощущения. В спектре различают до 130 цветов, которые могут быть соединены в близкие щ цветовому тону группы. I

Если тело отражает лучи всех длин волн спектра в одинаков вом соотношении, то получают так называемые ахроматичес-j кие цвета — от белого через серый до черного — в зависимости* от количества отражаемых лучей. Полное отражение дает идеально белый цвет, полное поглощение — идеально черный

Практически наиболее белый цвет имеют сернокислый барий, окись магния, спрессованные пластинки которых от4 ражают 94—98% падающего на них света; поверхность чер

ного бархата, дающая практически наиболее черный цвет, отражает около 0,2% падающего на нее света. Таким образом, ахроматические цвета отличаются друг от друга по степени отражения световых лучей или по светлоте, что наглядно иллюстрирует спектрофотометрическая диаграмма, на которой по горизонтали откладывают точки, соответствующие длинам волн, а по вертикали точки, соответствующие проценту отражения световых лучей.

Ахроматическая шкала от белого до черного может быть разделена максимально на 300 ступеней светлот, что определяется пределом чувствительности нашего глаза. Обычно эту шкалу делят на меньшее число ступеней. При органо-лептической оценке практикуют упрощенное деление на следующие светлоты: ярко-белые, белые, светло-серые, средне серые, темно-серые, черные и глубоко-черные.

Хроматические цвета отличаются друг от друга не только по светлоте, но и по цветовому тону (красные, желтые, синие и т. д.). Цвет непрозрачных тел определяется в результате избирательного поглощения определенных лучей спектра или поглощения одних длин волн в большей степени, других — в меньшей. Цвет тела суммируется из световых волн, оставшихся не поглощенными и отраженными телом.

На спектрофотометрической диаграмме данный хроматический цвет изобразится не прямой, как для ахроматических цветов, а в виде кривой, вершина которой будет лежать в области тех длин волн, которые отражаются в наибольшей мере и определяют таким образом цветовой тон тела.

При прохождении световых лучей через прозрачное тело (стекло, хрусталь и др.) часть световых лучей отражается от поверхности тела, часть поглощается веществом тела и большая часть пропускается телом.

Коэффициент отражения (р) — это отношение отраженного потока света S₀ к полному световому потоку S (в %):

Отношение поглощенного телом светового потока S_a к пол ному S, выраженное в процентах, обозначает коэффициен поглощения (а).

г

де S — количество поглощенного света при прохожде-* нии через тело толщиной в 1 мм.

Количество прошедших через тело световых лучей,; отнесенное к полному световому потоку и выраженное в про центах, характеризует прозрачность тела (х):

где S_T

где S_x — количество световых лучей, прошедших через тело толщиной в 1 мм.

При прохождении света через прозрачные тела, обладающие избирательным поглощением (например, через окрашенные стекла), световые лучи различных длин волн будут характеризоваться неодинаковыми коэффициентами поглощения и прохождения. Для таких материалов наиболее полная характеристика будет представлена спектрофотометри-ческой кривой.

Оптические явления, происходящие в лаковой и красочной пленках, определяются оптическими свойствами пленки, наличием в красочной пленке окрашенных пигментов.

На рис. 3.8 представлен ход световых лучей в красочной пленке.

Из схемы видно, что падающий на пленку дневной (белый) свет на поверхности пленки разделяется на две части: одна часть его отражается от пленки (зеркально, если поверхность ее гладкая, или рассеянно, если она шероховатая), другая же часть — преломляется и входит в пленку. Если лаковая пленка обладает высоким коэффициентом внутреннего рассеивания светового потока, то внешне нами фиксируется эффект матовой поверхности не зависимо от степени ее гладкости. Часть света отразится от поверхности пигмента и выйдет

о братно в виде слабо окрашенного рассеянного (диффузно отраженного) света. Та часть света, которая пройдет через частицу пигмента, претерпевает избирательное поглощение и, отразившись внутри частицы, выйдет значительно более окрашенной, лем свет, отраженный от поверхности частицы. По мере прохождения света через последующие, частицы пигмента цветовая насыщенность его станет еще более интенсивной, причем наибольшей насыщенностью будет характеризоваться свет, отразившийся от грунта и прошедший на обратном пути через новые частицы пигмента. Если в красочной пленке находится не один, а несколько пигментов, окраска пленок будет определяться смешением цветов.

Всестороннее изучение цвета, как элемента зрительного восприятия, составляет предмет специального курса цветоведения.

Красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые цвета называются "теплыми"; их считают более яркими, "броскими". Зелено-голубые, голубые, синие и сине-фиолетовые цвета называют "холодными", более спокойными, менее выделяющимися.

По мере уменьшения интенсивности освещения хромат ческие цвета постепенно перестают различаться; приче ранее других "исчезают" красные, желтые и дольше други» удерживаются голубые и синие цвета. При весьма малом ос. вещении желтые и красные цвета темнеют, голубые и ей ние, наоборот, светлеют. При большой интенсивности свет (в лучах прямого солнечного света) все цвета становятся бе ловатыми и желтоватыми, причем более других изменяете^ фиолетовый цвет, менее других — красный.

Восприятие цвета зависит в известной степени от фон на котором он воспринимается. Так, на светлом фоне серы' и черные цвета кажутся темнее; наоборот, серые и белы на темном фоне кажутся более светлыми, чем, например: на сером фоне (светлотонный контраст). Тот же эффект по\ лучается, если светлые цвета воспринимаются после рас сматривания темных цветов. Яркость цветового тона возрас| тает и в том случае, если он воспринимается глазом поел, рассматривания темного тона; если же перевести глаз с белого фона, на черный цвет, то черный воспринимается ка; более глубокий. Хроматические цвета, расположенные н; цветном фоне, изменяют Свой цветовой тон в зависимости о' цвета фона. Так, на Синем фоне красный получает желто* оранжевый оттенок, на красном фоне желтый и синий ка жутся зеленее, на зеленом фоне красный изменяется в сто-* рону фиолетового, желтый — в сторону оранжевого, оран4 жевый — в сторону красного.

Под действием световых раздражений зрение "утомляет-; ся", что сказывается в понижении чувствительности сетчат- ки глаза к данному раздражителю, вследствие чего понижав ется способность воспринимать данный цвет. i

Цвет материала, окрашенного данным красителем, будет" различным в зависимости от строения окрашенной поверхно-i сти. Видимая структура поверхности тела называется ее фактурой. По фактуре поверхности могут быть гладкие и шероховатые. Такое разграничение условно, так как к гладким: относят поверхности с малой степенью шероховатости.

Отражение света от гладкой поверхности происходит направленно, без рассеивания световых лучей, благодаря чему такие поверхности имеют блики ("блестят") и называются глянцевыми, блестящими, зеркальными. При отражении от шероховатой поверхности свет рассеивается, такая поверхность не дает световых бликов и кажется матовой.

Степень блеска материала характеризуются числом блеска g, который определяется с помощью визуального фотометра ФБ-6 и рассчитывается по формуле:

где: Lj — цифровое значение отраженного света на фотометре под углом максимального значения — 22,5°;

L₂ — цифровое значение отраженного света при угле 0.

Числа блеска увязываются с различными степенями нашего субъективного ощущения.

Цвета на глянцевых, блестящих поверхностях характеризуются большей яркостью, большей светлотой; матовая поверхность, окрашенная в тот же цвет, представляется более темной, окрашенной в более темные тона.

Отдельные участки ткани, которые имеют повышенную ворсистость, кажутся более темными, чем участки на гладкой поверхности материала, вследствие чего ткань кажется неравномерно окрашенной.

Различные цвета в разной степени подчеркивают или "скрадывают" строение поверхности. Так, белый цвет, а также "теплые" цвета более других выявляют поверхность материала^ "холодные", более насыщенные цвета, скрывают фактурулповерхности. Например, если ткань выработана из грубой пряжи, имеет внешние дефекты, то дефекты поверхности будут менее заметны при окраске ткани в темные цвета, которые до некоторой степени скрывают фактуру ткани.

Видимый цвет тела зависит от источника освещения, т. е. от состава светового потока, падающего на окрашенную поверхность. Так, при свете электрической лампы, в составе света

которой больше желтых и меньше синих и голубых лучей, чем в солнечном спектре, происходят значительные изменения цвета: желтые цвета становятся более насыщенными, красные более светлыми, приобретая оранжевый оттенок, оранжевые делаются желтоватыми, голубые слегка темнеют или приобретают зеленый оттенок, синие сильно темнеют, причем темно-синие становятся трудноразличимыми от черного, сиреневые получают розоватый оттенок, а фиолетовые — красный.

Изменения цветов в зависимости от освещения следует учитывать при оценке окраски материалов.

Определение цвета. Простейший способ определения цвета состоит в сравнении исследуемой окраски с соответствующим эталоном по ахроматической шкале или атласу цветов.

При измерении белизны пользуются специальными приборами — фотометрами, принцип действия которых состоит в оптическом сравнении белой поверхности испытуемого материала с поверхностью баритовой пластинки, затеняемой до светлоты измеряемого объекта.

Для измерения цветов пользуются приборами, называемыми спектрометрами, различных конструкций. В частности, трехцветные колориметры основаны на принципе получения цвета (максимально совпадающего с измеряемым) путем оптического смешения трех определенных цветов (красного, зеленого и синего, в осях цветности; X, У, Z).

Ультрафиолетовая радиация. Большое практическое значение имеет изучение явлений ультрафиолетовой радиации — разновидности лучистой энергии, характеризуемой длинами волн в пределах 9—400 нм.

Коротковолновая часть ультрафиолетовой радиации (9— 180 нм) сильно поглощается всеми известными материалами и средами (твердыми телами, жидкостями, воздухом).

Отдельные, примыкающие к видимому свету, области (180— 400 нм) можно охарактеризовать через три составляющие.

Дальняя область ультрафиолетовой радиации содержит излучения с длинами волн короче 275 нм. Здесь лежат излучения, обладающие бактерицидным действием, применяе

мые для стерилизации воздуха и воды, для предохранения продуктов от порчи; излучения, обладающие свойством озонировать воздух; излучения, на использовании которых основано действие люминесцентных ламп.

Средняя область ультрафиолетовой радиации охватывает излучения с длинами волн в пределах 275—320 нм и характеризуется способностью к образованию витамина D в подкожных клетках, благотворным действием на рост домашней птицы и животных, а также способностью вызывать покраснение и загар человеческой кожи.

Ближняя область ультрафиолетовой радиации (320—400 нм) содержит излучения, широко применяемые для лю-. минесцентного анализа, а также для возбуждения светящихся веществ в сигнальных, декоративных и других устройствах (с люминофорами).

Деление спектра на перечисленные области является условным, так как свойства ультрафиолетовой радиации, приписанные одной области, присущи часто и соседним областям. Так, например, радиация 254 нм, относящаяся к дальней "бактерицидной" области ультрафиолетового спектра, обладает и значительным зрительным действием, характерным для средней области.

Акустические свойства. Звуковые характеристики материалов и готовых изделий используются в товароведении при изучении ряда товаров — стеклянных и фарфоровых изделии, музыкальных, строительных товаров и др. В зависимости от вида товара, его эксплуатационных свойств используются те,, или иные показатели — высота, сила, чистота, тембр звука, его поглощение, проницаемость и т. д.

Как 'известно, звуковые явления представляют собой колебания, распространяющиеся волнообразно в упругой среде и воспринимаемые ухом. Звуковые колебания, лежащие за пределом (порогом) слышимости, называются инфра-звуковыми (в области низких частот, менее 16 колебаний в секунду) и ультразвуковыми (в области высоких частот, более 16—20 тысяч колебаний в секунду).

В газах и жидкостях звук распространяется в виде продольных волн, т. е. чередующихся сгущений и разрежений упругой среды; в твердых телах могут возникать также и поперечные волны сдвига, изгиба и т.д.

Длина звуковой волны, т. е. расстояние между двумя соседними точками пространства, находящимися в данный момент в одинаковом звуковом режиме (например, между двумя разрежениями или двумя сгущениями), связана с частотой и скоростью звука простой зависимостью:

где X — длина волн в м; С —■ скорость звука в м/с;

f-—частота колебаний в Гц (число колебаний в секунду).

Скорость распространения звуковых колебаний зависит от свойств и состояния среды, в которой распространяется звук — от ее плотности, упругости и температуры.

Тоны и шумы. Звуковые, ощущения подразделяют обычно на две группы — тоны и шумы.

Когда звуковое давление меняется во времени по синусоидальному закону, имеет место правильная периодичность колебаний; соответствующие звуки воспринимаются слухом как элементарные простые звуки, и они относятся к чистым тонам. Совокупность чистых тонов, образующих сложный звук, называется звуковым спектром последнего.

Шум — термин, в технической акустике обозначающий сложный звук с большим количеством составляющих частот, не обладающий периодичностью. Для шумовых звуков характерно распределение звуковой энергии в широкой области частот и амплитуд колебаний, наличие в ряде случаев звуков ударного характера (шум машин, уличный шум и т. п.).

В каждом тоне различают три его признака — высоту, силу и тембр, или оттенок (частоту, амплитуду колебаний и их форму).

188

Высота тона музыкального звука определяется частотой колебаний — их числом в единицу времени.

Так, область музыкальных тонов лежит примерно в пределах 16—16 000 колебаний в секунду, доступных человеческому уху. Интенсивностью, или силой звука называют среднюю звуковую мощность, проходящую через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно по правлению распространения звука.

Единица интенсивности звука (силы звука) — ватт на квадратный метр (Вт/м²). Уровень интенсивности звука, или шума, выражается в децибелах, которые показывают, на сколько интенсивность звука, или шума, превосходит единицу силы звука на пороге слышимости.

Существует также размерный показатель звука, уровень громкости. Физиологическая характеристика уровня громкости выражается в фонах. Уровень громкости для звука в 1 кГц при интенсивности в 1 дБ равен одному фону (1 Фон).

Следует заметить, что прирост уровня звука на 1 дб соответствует приросту силы звука на 26%. Это примерно наименьшее изменение силы звука, которое улавливается ухом.

От силы звука, выражаемой определенными физическими величинами, следует различать громкость звука — субъективное его восприятие, определяемое слуховыми ощущениями.

Изменение уровня звука на 10 дБ субъективно воспринимается как приблизительно двукратное изменение громкости звук^а* независимо от исходного уровня. Таким образом, громкость звука при 70 дБ будет в 4 раза большей, нежели при 50 дБ>

Тембр звука характеризует окраску звука при одной и той же его высоте. Музыкальный звук имеет наряду с основной частотой еще ряд так называемых обертонов с частотами, соответствующими различным гармоническим составляющим данного звука. В зависимости от соотношения в высоте амплитуд его гармонических составляющих и обусловливается тембр, или окраска, звука.

Отражение звука, звукоизоляция. Звуковые волны отражаются, преломляются по тем же основным законам, по каким отражаются и преломляются световые лучи (волны).

Если на пластинку А падает звуковая волна I, то часть звуковой энергии 1_отр отражается, часть энергии проходит в материал, причем некоторое количество ее 1_погл поглощается, а часть I проходит через пластинку.

Соотношения отраженной, поглощенной и прошедшей энергии к падающей называются соответствующими коэффициентами, а именно:

коэффициентом отражения

коэффициентом поглощения

коэффициентом звукопроводности

Указанные показатели используются в товароведении при характеристике материалов для музыкальных инструментов, звукоизоляционных материалов строительного назначения и др.

Высокими показателями отражения характеризуются металлы, дерево, силикатные материалы; хорошими поглотителями звука Являются различные пористые и волокнистые материалы (войлок, вата, ткани, в частности, ворсовые).

Следует иметь в виду, что поглощение тем или иным материалом звуковых волн происходит в различной степени для волн различных частот. Например, хлопчатобумажный ватилин хорошо поглощает волны с частотой 50 Гц, значительно хуже — с частотой 600 Гц и в наибольшей мере -— волны с частотами 800 Гц; другие материалы могут иметь иные характеристики.

- При характеристиках проникновения звука из одной части пространства в другую основное значение имеет коэффициент звукопроводности. В практике наиболее часто пользуют

ся обратной логарифмической величиной, называемой коэффициентом звукоизоляции, выражаемым в децибелах, т. е.

Э

лектрические свойства. Показатели электрических свойств используются при характеристике многих материалов и готовых изделий, в частности электротоваров, радиотоваров, домашних машин и др.

Главнейшими характеристиками этих свойств являются: электропроводимость и электрическое сопротивление, электропроницаемость, показатели диэлектрической постоянной и некоторые другие.

В зависимости от величины удельного электрического сопротивления р (соответственно электропроводимости у) различают: проводники, полупроводники и изоляторы.

Проводники характеризуются малым удельным электри-

в

ческим сопротивлением

и соответственно

ысокои электропроводимостью

Полупроводники в отличие от проводников характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением (порядка 10¹—10¹⁰ Ом-см). Свободные электроны в полупроводнике появляются как результат теплового движения, что отличает полупроводники от металлов, "в которых способность изменять свое движение под влиянием электрических сил и, следовательно, проводить ток присуща электронам независимо^ от наличия тепловой энергии атомов тела".

Электропроводимость полупроводников значительно увеличивается с ростом температуры. К полупроводникам относится ряд элементов (Si, С, S, Se, As и др.), сплавов (Mg₂Sn, AlSb и др.), окислов (Cu₂0, А1₂0₃, ZnO), сульфидов (Cu₂S, ZnS и др.) и множество других более сложных соединений.

Характеристики основных направлений использования полупроводников — преобразование переменного тока в посто

янный, усиление высокочастотных колебаний и генерирование радиоволн (замена вакуумных приборов, регулирование силы тока и напряжения, защита от перенапряжений и грозовых разрядов линии высоковольтных передач, разрешение разнообразных задач автоматики и телеуправления, измерение температуры и освещенности помещений, сигнализация о присутствии светящихся или нагретых объектов, превращение тепловой энергии в электрическую без помощи машин);

• создание с помощью электрического тока холода (холодильники на полупроводниках);

• превращающие звуковой энергии в электрическую и электрической в звуковую, превращение ультрафиолетового света в видимый и света одного цветового состава в другой, накапливание света и его выделение по сигналу, превращение энергии солнечных лучей и радиоактивных излучений в электрическую, создание источников мощных потоков электронов в радиотехнике, усиление в миллионы раз самых слабых пучков электронов, выполнение роли катализаторов в химических производствах, подсчет ядерных частиц.

В непродовольственных товарах полупроводниковые материалы получили широкое применение, в частности, при изготовлении радиоаппаратуры, термоэлектрических холодильников, термоэлементов, фотосопротивлений и др.

Изоляторы характеризуются наибольшим удельным электрическим сопротивлением порядка 10^11-10¹⁸ Ом-см, вследствие чего некоторые из них применяются в качестве электроизоляционных материалов (пластмассы, резина, стекло, фарфор, слюда и др.).

Биологическая стойкость (биоразрушаемость). Стойкость различных веществ и материалов к разрушению их микроорганизмами определяет их биостойкость.

Как известно, многие процессы повреждения или полного разрушения изделий обусловливаются действием на них микроорганизмов при благоприятных условиях для их развития. Плесневение, гниение материалов и другие процессы,

вызываются действием плесневых грибов, гнилостных бактерий.

На этапах производства, при транспортировании и хранении многих материалов и изделий (текстильные волокна, кожа, мех, древесина, бумага и др.) микроорганизмы в благоприятных для их развития условиях (влажность, температура, рН среды) могут вызывать разнообразные нежелательные изменения: уменьшение прочности, изменение окраски, вследствие выделения пигментов, побочных продуктов жизнедеятельности, изменение рН среды, что приводит к изменению сродства материала к красящим веществам, к потере блеска и теклости волоса в шкурах ондатры, песца, енотовидной собаки.

Наличие влаги и питательных веществ, а также подходящая температура и рН среды, отсутствие антисептиков благоприятствующие условия развитию грибов и бактерий на многих органических материалах и готовых изделиях.

* В то же время некоторые пластические массы, синтетические волокнистые материалы (хлорин, карбамидные смолы и др.) характеризуются высокой противогнилостной устойчивостью (фторопласт — 4, фторопласт — 3).

Для придания противогнилостных свойств многие материалы (дерево, брезенты, рыболовные сети и др.) подвергаются обработке антисептиками, что значительно повышает срок службы этих изделий ("Фобус" при пропитке древесины).