4. Механические свойства волокон и нитей

4.1. Определение характеристик механических свойств волокон при растяжении до разрыва

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В производственной практике и в научных исследованиях ши­роко применяются разрывные характеристики механических свойств волокон, нитей и текстильных полотен, получаемые при однократном растяжении образца (пробы) до разрыва — полу­цикловые характеристики.

Для получения таких характеристик используют разрывные машины, для краткости называемые динамометрами (dynamis— сила).

В зависимости от способа нагружения и принципа измерения силы, действующей на пробу испытуемого материала, динамо­метры можно подразделить на несколько типов: гравитацион­ные, пружинные, электронные. Гравитационные динамометры в свою очередь подразделяются на маятниковые, весовые, кареточные (с наклонной плоскостью); на этих приборах проба де­формируется под действием силы тяжести того или иного узла прибора.

На динамометрах пружинного типа нагрузка на пробу соз­дается силами упругости пружины или скручиваемого вала. Ди­намометры электронного типа снабжены измерительными пре­образователями— датчиками, позволяющими преобразовывать механическое усилие, дей­ствующее на деформируе­мую пробу, в электрические величины, легко поддающие­ся передаче, усилению и ма­тематической обработке.

Различают динамометры с постоянной скоростью де­формирования или нагру­жения и динамометры, в ко­торых ни одно из этих ус­ловий не соблюдается, а скорость приращения на­грузки и деформации ме­няется в зависимости от свойств материала при постоянной скорости движения нижнего зажима. Различают также статические (медленнодействую­щие) и динамические (быстродействующие) ударные дина­мометры.

При испытаниях необходимо знать и учитывать тип и осо­бенности динамометра, его скоростной режим, так как эти фак­торы в той или иной мере отражаются на показателях, харак­теризующих свойства материала.

Рис. 4.1. Принципиальная схема маятникового динамометра

Динамометры могут иметь диаграммный прибор — устрой­ство, позволяющее регистрировать непрерывное изменение соотношения деформации и силы в процессе растяжения об­разца.

Чаще всего применяются маятниковые статические динамо­метры, характеризующиеся простотой устройства и обслужива­ния, надежностью и долговечностью в работе.

На рис. 4.1 приведена принципиальная схема маятникового динамометра. Маятник 13 и сектор 1 укреплены на общей оси. На секторе 1 в точке 2 жестко закреплен конец гибкой ленты (или цепи) 3, на другом конце которой подвешен верхний за­жим 4. Нижний зажим 7 установлен на штоке 10. При включе­нии двигателя шток с нижним зажимом 7 под действием червяч­ной шестерни 9 опускается и тянет за собой испытуемую пробу материала 6. Проба с усилием Р тянет за собой гибкую ленту 3. При этом относительно оси маятника возникает вращающий момент т_р = Рr, вызывающий поворот маятника (г — радиус сектора с учетом половины толщины цепи 3). Отклонение маят­ника от вертикального положения сопровождается возникнове­нием вращающего момента то = Ох, равного по величине и об­ратного по направлению момента т_Р (О — вес маятника, х — отклонение центра тяжести маятника от исходного вертикаль ого положения). Из уравнения равновесия системы т_p =т_о

следует:

Рr = Gх. (4.1)

Выражая х через угол отклонения маятника φ и физическую длину маятника R, имеем

х = R sinφ. (4.2)

Тогда в соответствии с уравнениями (4.1) и (4.2)

P= sinφ (4.3)

Это уравнение служит основанием для градуировки шкалы усилий (нагрузок) 11, действующих на пробу при различных положениях маятника. В процессе испытания величина С = остается постоянной. Таким образом, сила Р пропорциональна синусу угла поворота маятника:

Для расширения диапазона измерения нагрузки динамомет­ры снабжены двумя-тремя сменными грузами 12. При смене груза меняется общий вес маятника G, смещается его центр тя­жести, а следовательно, изменяется физическая длина маятни­ка R (расстояние от центра тяжести до оси). Величина r, рав­ная радиусу сектора, остается при этом неизменной. Каждому сменному грузу соответствуют своя константа С = и своя шкала нагрузок. Шкала удлинений 8 перемещается вместе с нижним зажимом. Вместе с верхним зажимом закреплен ука­затель 5, который позволяет вести отсчет абсолютного удлине­ния пробы по шкале 8. Иногда на шкале 8 указывается также относительное удлинение (% от стандартной зажимной длины).

Существует много модификаций маятниковых разрывных машин, но принцип их действия аналогичен.

Практически все выпускавшиеся до настоящего времени раз­рывные машины имеют шкалы, градуированные в грамм-силах или килограмм-силах (гс и кгс). Применение Международной системы единиц (СИ) вызывает необходимость перерасчета еди­ниц измерения. Всю статистическую обработку первичных дан­ных, полученных на приборах, следует вести в единицах гра­дуировки шкалы нагрузок и лишь окончательные показатели переводить в Международную систему единиц, т. е. в сантинью-тоны (сН) или деканьютоны (даН), исходя из следующих рас­четов: 1 Н « 102 гс; 1 сН « 1,02 гс; 1 даН « 1,02 кгс; 1 кгс « « 9,81 Н; 1 гс да 0,98 сН. Недопустимо приравнивать 1 сН = 1 гс или 1 даН = 1 кгс, так как ошибка при этом составит около 2 %, что в ряде случаев может привести к неверной оценке ка­чества материала и его соответствия требованиям стандарта.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЛОКОН И НИТЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ДО РАЗРЫВА

Наиболее полной и разносторонней разрывной характеристикой материала является диаграмма (кривая) растяжения, представ­ленная на рис. 4.2, а, в осях абсолютное удлинение — нагрузка. Кривая растяжения представляет собой геометрическое место точек, характеризующих изменение нагрузки и деформации при однократном растяжении до разрыва. По ней можно опреде­лить, какое удлинение имеет материал при любой нагрузке в ходе его испытания.

Разрывная нагрузка Р_р (сН, Н, даН, гс, кгс) — наибольшее усилие, выдерживаемое пробой до разрыва.

Абсолютное разрывное, удлинение /_р (мм) — приращение длины пробы материала к моменту разрыва:

L_p=L₁-L₀

где L1— длина пробы в момент разрыва, мм; L₀ — начальная (зажимная) длина пробы, мм.

Следует иметь в виду, что не всегда полное разрушение ма­териала наступает при достижении Р_р. Нескрученные комплекс­ные нити, нити специальных структур, мотки и пучки нитей рвутся ие мгновенно при достижении Р_р, а постепенно, с после­дующим понижением нагрузки, как показано на рис. 4.2, б. В этом случае можно пользоваться термином «полное абсолют­ное разрывное удлинение» (/_р. „).

Относительное разрывное удлинение ε_р (%) — отношение аб­солютного разрывного удлинения к начальной длине пробы, вы­раженное в процентах:

ε_р=Lp/L0*100

Разрывное напряжение σ_р (Па) — разрывная нагрузка Р_р (Н), отнесенная к площади поперечного сечения пробы 5 (мм²):

σ_p=P_p/S; σ_p=P_pρ/T

где р —плотность вещества (материала), мг/мм³; Г —линейная плотность пробы, текс.

Относительная разрывная нагрузка Р₀ (гс/текс, сН/текс)__ разрывная нагрузка, которую имели бы волокно или нить, если бы их линейная плотность бы­ла равна 1 текс:

P_o=P_p/T

Абсолютная работа разрыва R_p (кгс-см, Дж) — работа, затраченная для преодоления энергии связей между частицами структуры пробы при ее разрушении (1 Дж = 1 Н-м).

Рис. 4,2. Диаграммы растяжения: а — неполная; б — полная

Если проба материала разрывается не мгновенно, а так, как показано на рис. 4.2, б, то может быть рассчитана полная аб­солютная работа разрыва, включающая дополнительную ра­боту R_д:

R_п= R_p+ R_д

Удельная работа разрыва г_м (кгс-см/г, Дж/г) — абсолютная работа разрыва, отнесенная к массе рабочей части испытуемой пробы m (г).

r_м= R_p/m

Относительная работа разрыва г у (кгс- см/см³, Дж/см³) — абсолютная работа разрыва, отнесенная к объему рабочей части пробы испытуемого материала V (см³), рассчитанному по ве­ществу, т. е. без учета макропор.

Начальный модуль жесткости материала Е_а (кгс/мм²,Па) — напряжение, возникающее в материале при деформации его на 1 % от первоначальной длины.

Методика определения и формулы для расчета характери­стик работы и начального модуля жесткости материала приве­дены ниже.