книги из ГПНТБ / Зыбин А.Ю. Двухосное растяжение материалов для верха обуви

Размеры зоны деформации должны быть достаточно большими для уменьшения влияния краевых эффектов от зажимов, размещения приборов для замера удлинений, толщины и т. д.

Г Л А В А II

ОБЗОР МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЯ И ПРИБОРОВ

ПО ОДНОРОДНОСТИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

И ПО ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННЫХ

ВИДОВ РАСТЯЖЕНИЯ

Существует много методов испытания листовых материалов (металлических и неметаллических) путем их одноосного рас­ тяжения или растяжения образцов с той или иной степенью двухосности. Каждый из методов может быть использован в промышленности для оценки качества материалов или в лабо­ раторных условиях для изучения свойств образцов.

Рассматривая методы испытаний и схемы приборов с точки зрения получаемого на них деформированного состояния образ­ ца, их можно разделить на две группы (табл. 3).

К первой группе следует отнести те приборы, на которых материал деформируется неоднородно; ко второй — приборы, на которых материал деформируется однородно.

Каждую из этих групп приборов можно разбить на две под­ группы в зависимости от того, какие деформированные состоя­ ния можно на них получать: первая подгруппа — все виды растяжения, начиная от одноосного и кончая двухосным сим­ метричным; вторая подгруппа — только один вид растяжения определенной степени двухосности.

ПРИБОРЫ, СОЗДАЮЩИЕ НЕОДНОРОДНОЕ

ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

Наиболее просто создать любой вид растяжения можно на крестообразном образце (позиция 1 табл. 3), нагружаемом с двух сторон в двух перпендикулярных направлениях [20]. Однако зона однородного растяжения у образца, деформируе­ мого таким способом, из-за влияния краевых эффектов неве­ лика и расположена только в его центре. Поэтому приходится увеличивать стороны крестообразного образца до сторон квад­ рата, у которого для облегчения заправки и зажима несколько срезаны углы. Такой образец растягивается широкими зажи­ мами (позиция 2 табл. 3). '

22

Таблица 3

Классификация приборов и методов для испытания листовых материалов при различных віідах двухосного растяжения в зависимости

от деформированного состояния

На этом принципе основана работа большого числа ориги­ нальных приборов. Задавая различные перемещения соответ­ ствующим парам зажимов, можно получить любой вид растя­ жения, поэтому такие приборы относятся к приборам первой группы.

В Центральном научно-исследовательском институте коже­ венно-обувной промышленности (Ц Н И И КП ) и в Московском технологическом институте легкой промышленности (МТИЛП) для перемещения зажимов применяют пару двухходовых вин­ тов [21]. Такой же принцип нагружения используется в приборе для циклических испытаний тканей [22].

Если ларе широких зажимов прибора задавать определен­ ные перемещения, то его следует отнести к приборам второй

подгруппы.

В одном из таких приборов используется пара двухблочных передач (позиция 3 табл. 3). В зависимости от соотношения диаметров блоков стороны образца получают определенные

23

перемещения [23]. В другом приборе используются две клино­ вые пары (позиция 4 табл. 3). Для перемещения на соответ­ ствующее расстояние необходимо также подбирать угол накло­ на клиновых пар [24]. Для двухосного симметричного растяже­ ния используется механизм типа четырехкулачкового токарного патрона (позиция 5 табл. 3). При повороте спирали кулачки, на которых размещены широкие зажимы, получают одинаковые перемещения, создавая двухосное симметричное, но неоднород­ ное по площади образца растяжение [25]. Для динамических испытаний квадратного образца ткани применяют специальный прибор [26, 27] с рычажно-торсионными системами нагружения. Для закрепления на растягивающих стержнях квадратный об­ разец застрачивается по краям.

Все эти системы растяжения листовых материалов создают

вобразце плоское деформированное состояние. Они обладают одним недостатком: зона однородного растяжения будет только

вцентральной части образца, по краям его степень двухосности икая, поэтому такие системы нами не использовались.

Кпервой группе отнесены и приборы, на которых образцы, получая при нагружении пространственную форму, имеют так­ же неоднородное растяжение в зависимости от рассматривае­ мого участка. Эти приборы широко применяются при исследо­ ваниях металлов и их сплавов, пленок, тканей, трикотажа, бумаги, кожи и т. д.

Часто используются различные варианты способа осевого растяжения трубы [2, 28, 29], находящейся под внутренним давлением (позиция 6 табл. 3).

Взависимости от соотношения осевого растягивающего уси­ лия и давления, создаваемого внутри трубы, можно задать об­ разцу практически любое деформированное состояние, поэтому такой метод относится к первой подгруппе, но он не пригоден для обувных материалов, так как они воздухопроницаемы.

Вторая подгруппа приборов этой группы объединяет те, в которых дисковые образцы, защемленные по контуру [30—32], деформируются под давлением жидкости или газа (позиция 7 табл. 3). Исследуемый материал и зажимы могут быть выпол­ нены в виде эллипса [33]. При нагружении образец получает форму эллипсоидного сегмента, в центральной части которого возникает двухосное напряженное состояние.

Для испытания воздухопроницаемых материалов (кожи и тканей) между образцом и рабочим телом (жидкостью или газом) помещают резиновую диафрагму (позиция 8 табл. 3).

Резиновая диафрагма под давлением деформируется и вместе с исследуемым образцом получает сферическую форму [34—39]. Несмотря на то что такие приборы используются для исследо­ вания кожи и в некоторой степени имитируют процесс формова­ ния заготовки обуви, можно отметить следующие их недостатки:

24

а) ' напряжения, возникающие в материале, рассчитываются по формулам для тонкостенных сферических сосудов, находя­ щихся под давлением. Это справедливо лишь для небольшой области полюса сегмента, так как материал защемлен по краям

б) можно считать, что деформация узкой полосы, нанесен­ ной на материал по диаметру дискового образца, будет выглядеть так, как показано на рис. 5. В центре образца, в зоне

тельно, весь образец будет иметь сложную деформацию. Однако удлинение материала на таких приборах рассчитывается по высоте сферического сегмента как разность длины дуги и дли­ ны хорды.

Здесь, как и при расчете напряжения, опять выступает не­ соответствие между неоднородной деформацией материала и тем, как она оценивается, так как удлинение исследуемого об­ разца надо замерять в полюсе, где действительно возникает двухосное симметричное растяжение, т. е. в пределах зоны, равной 0,1 диаметра образца. Учитывая два этих недостатка, можно сделать вывод, что получить достаточно точную ха­ рактеристику материала на таком приборе не удастся.

Следующая группа приборов применяется как для исследо­ вания механических свойств колеи, так и других конструкцион­ ных материалов (позиции 9, 10 табл. 3). Это испытание шари­ ком [6, 40—49] или сферическим пуансоном [50—53].

Сфера может быть изготовлена из, дерева, имитируя ко­ лодку, или из любого требуемого материала. В работе В. А. Ульяницкого и К. М . Платунова [50] исследуется пространствен­

25

имеется двухосное симметричное растяжение. У зажимов образ­ ца уп = 0.

Нагрузка на образец оценивается только как общее усилие, действующее на сферу. Если же принять во внимание силы трения кожи по сфере, то без изучения и замера этих сил ко­ личественной характеристики напряжения в образце дать нельзя. Подобная картина получается и при испытании кожи шариком.

При испытании этими методами, так же как и при испыта­ нии на гидравлическом динамометре, достаточно точной меха­ нической характеристики материала получить нельзя. Эти ме­ тоды могут применяться только для сравнительной оценки исследуемых материалов.

Таким образом, из рассмотренных схем приборов и методов испытаний первой группы нельзя выбрать достаточно точных, так как в эту группу объединены приборы, создающие неодно­ родное растяжение. Но дать оценку некоторым методам необхо­ димо, потому что они являются единственными, используемыми для исследования материалов для верха обуви при деформа­ циях, отличных от одноосного растяжения стандартного об­ разца.

ПРИБОРЫ, СОЗДАЮЩИЕ ОДНОРОДНОЕ ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

Достаточно большая зона однородного растяжения образ­ цов, испытуемых на приборах этой группы, позволит получить данные по напряжениям и удлинениям исследуемого образца.

Определенный интерес представляет схема, показанная на позиции И табл. 3 [54]. Исследуемый образец в форме квад­ рата растягивается за полоски, сделанные по краям материала. Средние полоски растягиваются с одинаковой силой, натяжение крайних регулируется так, чтобы квадрат превратился в прямо­ угольник. При таком способе нагружения наблюдается одно­ родное растяжение. В ■ зависимости от величины нагрузок на стороны образца можно получить любые виды растяжения, на­ чиная с одноосного и кончая двухосным симметричным. Это было проведено в М ТИЛП при испытании листовых материалов поляризационно-оптическими методами.

26

В М ТИ Л П разработан и используется прибор [55], работаю­ щий по подобному принципу (позиция 12, табл. 3). Квадратный образец материала со всех сторон закрепляют тонкими зажи­ мами, имеющими на концах ролики. Ролики опираются на четыре балки, которые могут перемещаться, и через зажимы растягивают материал. Ролики, смещаясь по балкам, снимают краевой эффект, который получал бы материал, если бы был зажат широкими зажимами. В целом с приводом и электро­ тензометрической схемой замера усилия прибор получился до­ вольно сложным. Удлинения материала замеряли по фотогра­ фиям, снимаемым в процессе нагружения.

Известен также способ растяжения круглого образца с по­ мощью восьми зажимов (позиция 13 табл. 3). Они передают усилие иа образец через блоки и тросики [56]. Навешивая на тросы различные грузы, можно получить любую степень двух­ осного растяжения.

Таким образом, иа указанных выше трех приборах можно получить любой вид растяжения. Следовательно, они относятся к приборам первой подгруппы. Причем при использовании та­ ких приборов зона однородного растяжения материала будет значительно больше, чем при использовании приборов первой группы. Одиако все они довольно сложны.

Во второй подгруппе приборов необходимо отметить прибор для растяжения узкого образца в виде двусторонней лопаточки (позиция 14 табл. 3). Этот метод использован и в наших ис­ следованиях для получения одноосного растяжения [44]. Для нагружения такого образца обычно используется динамометр РТ-250 [57—59].

С увеличением ширины образца возникает стесняющее уси­ лие, которое не позволяет материалу сокращаться в той мере, какая положена ему, исходя из значений коэффициента Пуас­ сона. Однако это усилие можно исключить на приборе, схема которого показана на позиции 15 табл. 3 [60]. Поворот кольце­ вого образца вокруг двух осей, которые одновременно растяги­ вают образец, снимает стесняющее усилие, которое возникало бы при использовании широких зажимов.

В работе Н . И . Деминой, Т. К- Зиловой, Я- Б. Фридмана исследуется влияние ширины образца на его деформацию [61]. Схема образца с выточкой (на котором проводилось исследо­ вание) показана на позиции 16 табл. 3.

При ширине выточки, равной 30 толщинам материала, и высоте ее, равной трем его толщинам, происходит стеснение пластической поперечной деформации. Участок, поперечное со­ кращение которого равно нулю, составляет 2/3 ширины образ­ ца. На этом участке наблюдается однородное двухосное напря­ женное состояние с отношением поперечного напряжения к продольному 1/2 (при ц = 0,5).

27

Для подобного растяжения резины Л . Трелоар [62] предла­ гает использовать образцы следующих размеров: ширина —

75мм, длина — 5 мм.

Вработе Г. А. Смирнова-Аляева [63] отмечается, что компо­ ненты деформаций в двух перпендикулярных направлениях при растяжении широкого образца листового материала не равны друг другу и напряженное состояние не будет соответствовать линейному (одноосному) растяжению. В зависимости от соот­ ношения длины и ширимы образца напряженное состояние его будет различным. Листовой материал рекомендуется растяги­ вать при резко затрудненной (практически запрещенной) де­ формации образца по ширине. В этом случае расстояние между зажимами разрывной машины не должно превышать ширины

образца, но должно быть в 15—20 раз больше толщины его. При растяжении ширина образца остается практически неиз­ менной, уменьшается только толщина материала.

его поперечного сокращения показывает, что такая деформация изучена недостаточно.

По указанным выше причинам (см. с. 21) такой вид де­

и требуется для нашего исследования. Кроме того, необходимо отметить, что такой вид деформации листовых материалов является совершенно определенным среди множества других, а именно: поперечное удлинение отсутствует, поэтому sj> 0 , а

Ео = 0.

В английской технической литературе этот вид определяется непереводным термином «constraint». Соответствующего терми­

назовем его стесненным растяжением. Этот термин показывает, что при таком растяжении материала существует стесняющее усилие в поперечном направлении, которое не позволяет об­ разцу сокращаться в этом направлении.

Принципиальная схема прибора для стесненного растяжения показана на позиции 17 табл. 3. Растягивающие усилия направ­ лены перпендикулярно широкой стороне образца, а параллель­ но этой стороне на нем закреплены тонкие стержни, которые перемещаются вместе с материалом при его нагружении и не дают ему сокращаться в этом направлении. Описание конструк­ ции этого прибора и метод расчета главных напряжений см. с. 33.

28

Г Л А В А III

ПРИБОРЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫБРАННЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ, РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ О НАПРЯЖЕНИЯХ В ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛАХ, СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ УДЛИНЕНИЯ

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОДНООСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ

Растяжение образца с рабочей частью 10 X 50 мм и двусто­ ронними лопаточками в настоящее время является основным видом испытания механических свойств материалов для верха обуви [44]. При испытании такого образца до разрыва полу­ чают многие различные характеристики:

предел прочности при растяжении, 10 Н/мм2 (кгс/мм2); жесткость и условный модуль упругости при растяжении; удлинение при разрушении, %; удлинение при напряжении 10 Н/мм2 (1 кгс/мм2) и др.

Однако до сих пор нет единого мнения о целесообразности той или иной характеристики [69]. Надо отметить, что примене­ ние понятия «напряжение» для оценки обувных материалов искажает физический смысл процесса восприятия нагрузки этими материалами. В общем смысле понятие «напряжение» возникло в результате стремления ввести характеристики на­ грузки, которые не зависят от размеров деформируемого те­ ла [2]. Это справедливо для сплошных и гомогенных тел, так как, чтобы сравнить, например, прочность стержня диаметром 20 мм и прочность проволоки диаметром 1 мм, необходимо учитывать площади поперечных сечений, т. е. получить сравнительные дан­ ные, отнесенные к единице площади.

Кожи как листовые материалы не сильно отличаются по толщине, особенно в пределах одного вида. Поэтому восприятие ими нагрузки можно оценивать по удельной нагрузке на единицу длины, например на погонный сантиметр. Это удобно еще и потому, что при одноосном испытании ширина стандарт­ ной полоски равна 1 см.

Конга — волокнисто-сетчатый материал со сложным порис­ тым строением. Кроме того, по толщине структура кожи раз­ лична: средний — наиболее работоспособный слой, лицевой и дерма имеют разные свойства. Это в равной мере относится и к синтетическим кожам и к тканям, различное послойное строение которых выражено еще резче. Поэтому термин «на­ пряжение» для обувных материалов неприемлем. Материалы для верха обуви надо оценивать по интенсивности нагрузки на единицу длины.

30

Может быть необходимо ввести и некоторые округленные коэффициенты, учитывающие неравномерность по толщине кож одного вида, как предлагает это делать М. П. Куприянов [14].

М . Г. Любич отмечает, что разрывная нагрузка для кож малопригодна для 'оценки свойств, так как из-за колебаний тол­ щины как в целой коже, так и в партии кож сопоставление не­ возможно [70].

Для кож нельзя рассчитывать напряжение по общей на­ грузке, так как напряжение в пучках волокон будет всегда больше удельной нагрузки, благодаря этому они, как правило, переплетаются под некоторым углом, а не представляют собой параллельно вытянутые нити [18].

Такое расхождение во мнениях вызвано в основном тем, что кривая растяжения кожи не подчиняется закону Гука, а обычно имеет выпуклость в сторону оси удлинения. Поэтому сама кривая не может быть оценена одним параметром, будь то условный модуль упругости (нагрузка, требуемая для удли­

25 Н/мм2 и т. д.). Наиболее целесообразно применить те ха­ рактеристики, которые могут описать кривую растяжения в координатах «удлинение — нагрузка». Зная эти характеристики и.толщину образца, нетрудно получить и остальные показатели. Степенное уравнение для описания таких кривых предложено Бахом и разбираются во многих работах [2, 64, 71]. Для подо­ швенных кож эта характеристика впервые предложена

К. М. Платуновым, И. X. Бахтиаровым [72], для обувных тканей В. А. Скатертным, Ю . П. Зыбиным [13], где показано, что кривые растяжения обувных тканей при одноосном испытании на 75% от нагрузки при разрушении наиболее точно отобража­ ются степенной зависимостью

чале диаграммы и ее определить довольно трудно, поэтому для

31