Тема 2. Определение механических свойств искусственных кож

Механические свойства — комплекс свойств, определяющих реакцию материала на действие внешних сил.

Под действием внешней силы материал деформируется, изменяет свои первоначальные размеры и форму. Материалы изделий легкой промышленности должны иметь заданные свойства, так как они определяют технологичность и надежность материалов при производстве и эксплуатации изделий.

При производстве изделий и эксплуатации материалы испытывают разнообразные механические воздействия, вызывающие следующие деформации: растяжения, сжатия, изгиба, среза и кручения, а также трения при соприкосновении с другой поверхностью материала. Для оценки механических свойств материалов используют большое число характеристик, знание которых позволяет осуществить рациональный выбор материалов с целью обеспечения качество и конкурентоспособность изделий легкой промышленности.

Согласно классификации проф. Г.Н. Кукина все характеристики механических свойств подразделяют на типы в зависимости от характера деформации. Показатели каждого типа подразделяют на классы в зависимости от полноты цикла механического воздействия: нагрузка-разгрузка-отдых.

Различают характеристики трех классов:

полуцикловые — однократное действие внешней силы (нагрузки);

одноцикловые — действие полного цикла (нагрузка-разгрузка-отдых);

многоцикловые — многократное действие внешней силы (нагрузка-разгрузка).

Полу- и многоцикловые характеристики свойств материалов могут быть получены с разрушением или без их разрушения, поэтому их подразделяют на подклассы: разрушающие и неразрушающие. В качестве факторов здесь выступают величина приложенной к материалу силы, продолжительность действия, температура, влажность и др.

Внутри подкласса характеристики классифицируют по видам.

Лабораторная работа 4 определение полуцикловых характеристик свойств материалов при одноосном растяжении до разрушения

Задания:

1. Вырезать образцы мягких искусственных кож на тканой и нетканой основах из рулона и подготовить их к испытанию.

2. Изучить особенности испытания искусственных кож на разрывной машине РТ-250М-2.

3. Провести испытания и рассчитать характеристики свойств мягких искусственных кож при одноосном растяжении.

Основные понятия

Одноосное растяжение в материале возникает тогда, когда внешние силы, действующие на материал вдоль одной оси, направлены в разные стороны.

Основными полуцикловыми характеристиками свойств материалов при одноосном растяжении являются следующие:

абсолютное удлинение Δℓ, (мм) — изменение линейного размера рабочей части элементарной пробы материала при действии внешней силы: Δℓ= ℓ₁- ℓ, (4.1)

где ℓ₁ - длина рабочей части при действии внешней силы, которая меньше разрушающей; ℓ - длина рабочей части элементарной пробы до растяжения;

относительное удлинение ɛ (%) — относительное изменение длины рабочей части пробы материала:

ɛ = 100 ℓ₁- ℓ)/ ℓ] = 100(Δℓ / ℓ); (4.2)

напряжение σ (МПа или Па), возникающее в материале при действии внешней силы:

σ = P/F, (4.3)

где Р — действующая сила, Н; F — площадь поперечного сечения рабочей части испытываемой элементарной пробы материала, м²;

F= b•h,

где b — ширина, м; h — толщина, м;

прочность Р* (даН или Н) — максимальное значение силы, которое необходимо приложить к элементарной пробе материала для его разрушения;

абсолютное удлинение при разрыве Δℓ * — изменение линейного размера рабочей части элементарной пробы материала при действии разрушающей силы Р*:

Δℓ* = ℓ* - ℓ, (4.4)

где ℓ* — длина рабочей части в момент разрушения;

относительное удлинение при разрыве ɛ* (%) — относительное изменение длины рабочей части элементарной пробы материала при разрушении:

ɛ* = 100[(ℓ* - ℓ)/ ℓ] = 100(Δℓ*/ ℓ); (4.5)

предел прочности σ *, (Па) — максимальное напряжение, предшествующее разрушению материала:

σ* = P*/F. (4.6)

Материалы, применяемые для производства изделий легкой промышленности, не подчиняются закону Гука, поэтому уравнение зависимости P= f(Δℓ) (рис. 4.1) имеет вид степенной функции:

ɛ = AQ^п (4.7)

где А — коэффициент растяжимости материала; Q— усилие, определяемое по формуле Q= 0,1•Р; где п—- показатель степени.

Уравнение (4.7) описывает кривую растяжения материала только при действии на материал внешней силы Р < 0,75Р*.

Коэффициент растяжимости А для всех видов материалов определяется при действии на элементарную пробу силы Р= 10 даН. Относительная деформация ɛ при этой силе принимает значение ɛ_А, и, исходя из уравнения (4.7), ɛ_А численно равно А, так как при Q = 1 значение Qⁿ = 1. Для расчета ɛ_А из графика зависимости Р = f(Δℓ) определяют величину абсолютного удлинения Δℓ_А при Р= 10 даН (см. рис. 4.1). Зная Δℓ_А, относительную деформацию вычисляют по формуле:

ɛ_А =100• (Δℓ_А /ℓ). (4.8)

Если коэффициент растяжимости характеризует деформационные свойства материала при действии силы в 10 даН, то показатель степени п в уравнении (4.7) определяет изогнутость кривой относительно оси А/ и может принимать следующие значения: п > 1, п = 1, п < 1 (рис. 4.2).

Показатель степени п можно рассчитать, если прологарифмировать (4.7):

lgɛ = lgА + n•lgQ.

Тогда

п = (lgɛ - lgА) / lg Q. (4.9)

Рис. 4.1.График растяжения пробы материала

Показатель степени п определяют как среднеарифметическое нескольких показателей степени п, рассчитанных при разных значениях Q и ɛ.

Показатель степени п можно определить и графическим способом. Зная величины lgɛ и lgQ, строят график зависимости lgɛ=f(lgQ). Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен показателю степени п, т. е. tgα =п.

Если показатель степени п не зависит от ширины испытываемой пробы, то коэффициент растяжимости материала А зависит от ширины испытываемой пробы. Если ширина пробы больше 10 мм, то коэффициент растяжимости материла А_b рассчитывают по следующей формуле:

А_b = А/bⁿ (4.10)

где А — коэффициент растяжимости материла при b = 10 мм.

Характеристиками упругих свойств материалов при полуцикловых испытаниях являются:

условный модуль упругости Е_у (Па или МПа):

Е_у = 100 σ_у/ ɛ_у, (4.11)

где σ_у — условное напряжение; ɛ _у — условная относительная деформация материала;

условная жесткость D_y (даН или Н) — способность материалов сохранять исходные размеры при действии внешней силы:

Dy=E_yF, (4.12)

где F- средняя площадь поперечного сечения элементарной пробы.

Условную жесткость материала с учетом формул (4.11 и 4.12) и при σ_у = P_y/F, можно вычислить по формуле:

D_y= 100(P_y/ ɛ_у). (4.13)

Чем выше у материала значения условного модуля упругости и жесткости, тем меньше его деформация.

Характеристиками энергетических свойств материалов при полуцикловых испытаниях являются:

работа при разрыве A_R (Дж), равная площади S, расположенной под кривой графика растяжения пробы материала (рис. 4.1), и вычисляемая по формуле:

; (4.14)

удельная работа при разрыве A_v (Дж/м³) или при растяжении А_т (Дж/кг), которая рассчитывается соответственно по формулам:

А_V=А_R/V; (4.15)

A_m = A_R/m, ( 4.16)

где V— объем рабочей зоны (V= ℓ•F, где ℓ — длина, м; F— средняя площадь поперечного сечения, м²); т — масса рабочей части элементарной пробы, г.

Масса т определяется после разрушения пробы испытываемого материала. Для этого остатки испытанной элементарной пробы вынимают из зажимов разрывной машины и отрезают части пробы, которые находились в зажимах. Массу т определяют с точностью до 0,01 г.

Для характеристики равномерности (изотропности) механических свойств искож и пленок по площади применяют коэффициент равномерности к_р:

k_р = П_min/П_max (4.17)

где П _тin и П_тах - среднеарифметическое значение соответственно минимального и максимального значений любого однотипного показателя: прочности (Р*), относительного удлинения (ɛ*), предела прочности (σ *) и др.

Рассмотренные показатели механических свойств нормируются государственными стандартами на соответствующие виды материалов.