книги из ГПНТБ / Склянников В.П. Оптимизация строения и механических свойств тканей из химических волокон

тате утомления разрывная нагрузка волокон несколько увеличива­ ется, разрывное удлинение падает, упругая и пластическая части деформации уменьшаются, уменьшается угол наклона макромоле­ кул к оси волокна и вязкость раствора целлюлозы, что свидетель­ ствует об усталости волокна. Крутка выше критической вызывает структурные изменения волокон, не носящие усталостного харак­ тера. Если’ структура пряжи мало укреплена (низкая крутка), а воздействие более сильное (малая частота), волокна лучше пере­ носят многократные растяжения, чем пряжа. В тех случаях, когда структура пряжи лучше (крутка высокая), а воздействия слабые (частота больше), пряжа лучше, чем волокно, переносит много­ кратные растяжения.

Далеко не со всеми трактовками в отмеченных формулировках Н. П. Воеводиной можно согласиться, однако общий вывод, что эти результаты показывают различие условий нагружения волокон в пряже и при одиночных испытаниях, не вызывает сомнений.

Большинство авторов подчеркивает большое значение устойчи­ вости нитей к многократным изгибам для характеристики износо­ стойкости и работоспособности изделий. Рассматривая влияние структуры нитей на их устойчивость к многократным изгибам, от­ мечают сложность выбора способа приложения нагрузки для по­ лучения сопоставимых результатов при указанных испытаниях. Ре­ комендуют проводить испытания при постоянном напряжении, однако не указывают путей осуществления этого условия.

Г. Н. Кукин, изучая многоцикловые характеристики пряжи при растяжении, показал, что зависимость выносливости от заданной

Г. Н. Кукин отмечает, что существенное влияние на выносли­ вость оказывает частота циклов многократного растяжения. Он подчеркивает, что выносливость является значительно более чув­ ствительной характеристикой механических воздействий на пряжу, чем разрывная нагрузка.

В результате исследования механизма разрушения пряжи при многократном растяжении Г. Н. Кукин показал, что, кроме про­ цесса разрушения волокон, большую роль играют нарушения и ослабления связей между волокнами. Эти разрушения происходят главным образом в утолщенных рыхлых местах пряжи; при этом наблюдается преобладание (по сравнению с однократным разры­ вом) числа неразорванных волокон. Указанное подтверждает, что в механизме разрушения пряжи от многократного растяжения ре­ шающее значение имеет элемент растаскивания волокон в наибо­ лее слабых местах. Это подтверждается изменением закона рас­ пределения прочности нитей вследствие утомления за счет много­ кратного растяжения: вероятность разрушения слабых мест в нити

140

после утомления резко возрастает, а в зоне «прочных» участков вероятность разрушения практически не изменяется.

A. Н. Соловьев [11] показал, что выносливость хлопчатобумаж­ ной пряжи к многократным растяжениям при повышении крутки возрастает по закону степенной функции. Несколько иная зависи­ мость получена для выносливости пряжи к многократному изгибу. А. Н. Соловьевым [11] и А. Д. Платовой в кандидатской диссерта­ ции показано, что зависимость выносливости хлопчатобумажной пряжи к многократным изгибам от крутки характеризуется нали­ чием максимума, положение которого несколько сдвинуто относи­ тельно критического коэффициента крутки (по разрывной на­ грузке) в сторону большей величины крутки.

Рассмотренное показывает, что относительное значение связи волокон в пряже возрастает в ряду: разрывная нагрузка — выно­ сливость к многократным изгибам — выносливость к многократ­ ному растяжению. • Относительное значение прочности волокон в пряже в данном ряду уменьшается.

По данным А. Д. Платовой, при многократном изгибе имеют место нарушения как межволокоиных, так и внутриволоконных связей, что установлено методом вискозиметрии. С повышением частоты деформации выносливость возрастает до определенного предела. Это объясняется тем, что за малые промежутки времени высокоэластическая деформация с достаточно большими перио­ дами релаксации не успевает развиться, и материал работает в об­ ласти упругой и высокоэластической деформации с малыми перио­ дами релаксации. При очень больших частотах выносливость сни­ жается вследствие ударного действия зажимного устройства прибора. Автор отмечает большое влияние влажности воздуха на стойкость пряжи к многократным изгибам и подчеркивает, что этот показатель является более чувствительной характеристикой изме­ нений под воздействием светопогоды, носки и стирки, чем разрыв­ ная нагрузка.

B. А. Усенко показал, что выносливость вискозной пряжи к многократному растяжению с повышением крутки увеличива­ ется. Наблюдалась лишь тенденция к снижению выносливости при крутках, значительно превосходящих критические. Зависимость этой же характеристики к многократному изгибу характеризуется наличием некоторого-максимума, имеющего место при коэффици­ енте крутки, превышающем критическое значение.

К. И. Корицкий [14] отмечает совпадение характера изменения механических свойств ткани и пряжи при изменении величины крутки, но в то же время подчеркивает, что оптимальные значения свойства тканей различных плотностей и переплетений приобретают при применении пряжи с наиболее подходящей величиной крутки.

Н. Н. Миловидов [78] отмечает, что испытания не показали ка­ кой-либо закономерной связи между разрывной нагрузкой и вы­ носливостью. Увеличение частоты деформирования ведет к увели­ чению выносливости в циклах, а долговечность практически сохра­ няется постоянной. При малых, значениях заданной деформации

141

разрушение пряжи происходит в большей степени за счет уста­ лости материала, а при больших деформациях разрушается пре­ имущественно конструкция, т. е. система межволоконных связей. В этом случае степень утомления волокна должна быть ниже, чем при малых деформациях.

Е. Г. Эйгес и И. Д. Егорова [79] отмечают, что износ и уста­ лость являются основными факторами разрушения текстильных материалов; чем больше сопротивляемость пряжи многократным деформациям растяжения, тем меньше ее износ и усталость. Вы­ носливость волокон и нитей определяется устойчивостью связей элементов структуры, а усталость — нарушением устойчивости свя­ зей в местах наибольшей неоднородности структуры волокон и ни­ тей. В процессе приложения к нити знакопеременной нагрузки сна­ чала происходит некоторое повышение равномерности структуры, степени ориентации ее элементов (механическое кондиционирова­ ние). Способность нитей к механическому кондиционированию и дальнейшему сопротивлению разрушающим воздействиям зависит от способности образца к обратимым деформациям.

А. И. Бородин и 3. М. Сиразутдинова [80] показали, что вынос­ ливость пряжи, определяемая на приборе ДИП (автор А. И. Бо­ родин), в отдельных случаях коррелирует с ее разрывной длиной и удлинением и имеет высокую степень корреляции (коэффициент корреляции 0,84-^0,94) с показателем качества пряжи. Авторы делают вывод, что должна существовать корреляция между рабо­ той разрыва и выносливостью. С увеличением крутки (в том числе выше ее критического значения) выносливость пряжи возрастает до определенного предела, после чего уменьшается.

Л. Г. Кусакова и др. [81] показали различие в механизме раз­ рушения шерстяной пряжи с малыми и большими значениями вы­ носливости. Исследование оборвавшихся концов пряжи позволило предположить, что в отдельных случаях (для аппаратной пряжи) наименее устойчивыми являются внутриволоконные связи. Под­ тверждена высокая чувствительность выносливости пряжи при многократном'растяжении к изменению технологии прядения.

Рассмотренное показывает, что исследованию выносливости и других многоцикловых характеристик .волокон и нитей уделяется большое внимание. Многие закономерности этих характеристик, их изменения под влиянием условий нагружения, волокнистого со­ става, крутки и других факторов в значительной степени изучены. Показано, что изменения выносливости являются весьма чувстви­ тельной характеристикой изменений волокон и нитей под воздей­ ствием внешних факторов. Отмечено, что изменения выносливости при многократном изгибе существенно отличаются от изменений под воздействием многократных растяжений.

Исследованию многоцикловых характеристик тканей посвящено меньше работ. Одной из первых работ в этой области является ис­ следование Б. П. Позднякова [26]. Исследуя на динамометре хлоп­ чатобумажные ткани, он установил, что зависимость выносливости при многократном растяжении от величины нагрузки является!

142

асимптотической. Более быстрое разрушение происходит при де­ формациях по основе, чем по утку. Автор объясняет это тем, что основа имеет большую крутку. Отмеченная закономерность уста­ новлена при деформациях как растяжения, так и изгиба. Предел выносливости при деформации растяжения, по данным Б. П. Позд­ някова, составляет: по основе — 40%, по утку — 50% от разрывной нагрузки; значения растягивающих сил в носке на полоску шири­ ной 50 мм составляют: по основе — 7 кгс, по утку — 4,4 кгс. Б. П. Поздняков вводит коэффициент безопасности п:

цессе эксплуатации мужских костюмов ткань подвергается растя­ жениям, при которых возникают максимальные усилия, равные по утку 18%, по основе — 23% от разрывных. Эти усилия вызывают деформации величиной 2—3%. Число циклов и частота нагруже­ ний ткани в процессе носки значительно выше по основе, чем по утку.

И. П. Бобин (кандидатская диссертация), изучая влияние по­ вторных нагрузок на некоторые физико-механические свойства -шерстяных тканей, показал, что циклическая выносливость при растяжении зависит от величины нагрузки, волокнистого состава и структуры ткани; чем плотнее расположены волокна в тканях, тем выше их циклическая выносливость.

Выносливость тканей по утку выше, чем по основе. Под влия­ нием повторных нагрузок происходит снижение прочности, которое пропорционально приложенному числу циклов; наблюдается воз­ никновение пушистости, разлохмаченное™. Противоречивы как от­ меченные, так и другие данные И. П. Бобина, который отмечает, что в чистошерстяных тканях в результате длительного отдыха циклическая выносливость увеличивается в 2,5 раза, а в результате длительного отдыха и замочки — в 3,5—4,3 раза. На полушерстя­ ные ткани длительный отдых и замочка влияют отрицательно, их выносливость снижается на 42—60%. И. П. Бобин не дает объяс­ нений наблюдаемым явлениям.

В. М. Купчикова (кандидатская диссертация) нашла, что цик­ лические характеристики льняных тканей находятся в зависимости от заполнения по основе и утку. При этом свойства пряжи, извле­ ченной из тканей, также изменяются. Лучшие показатели цикличе­ ской пластичности, пряжи из ткани были получены при заполнении по основе и утку 40—45%.

М. И. Павлова [30] отмечает, что выносливость ткани опреде­ ляется прочностью связей между нитями, устойчивостью связей

143

t

между волокнами, а также между макромолекулами. Разрушение ткани происходит в тех местах, где эти связи окажутся слабее. Она установила, что для хлопчатобумажных тканей при постоянной амплитуде деформации чем выше уработка основы и усадка утка, тем большее количество циклов ткань выдерживает.

И.С. Марголин [82] доказал, что пределом выносливости явля­ ется амплитуда деформации, равная 3%.'Он получил данные, сви­ детельствующие об отсутствии определенной зависимости между величиной циклической пластичности и показателями упругих свойств при одноцикловых испытаниях. Величина пластической циклической деформации дает возможность получить наглядные представления о деформации тканей в носке. Н. Я. Третьякова по­ лучила данные, свидетельствующие о наличии тесной связи между остаточной циклической деформацией и 'одноцикловыми характе­ ристиками.

И.С. Марголин установил, что при повышении крутки цикличе­

ская пластичность тканей вследствие увеличения зажима волокон снижается, при повышении коэффициента заполнения по данной системе нитей уменьшается циклическая пластичность ткани по другой системе, что он объясняет уплотнением нитей испытуемой системы; в результате многократного растяжения тканей их удли­ нение снижается, а разрывная нагрузка часто бывает выше пер­ воначальной, выносливость зависит от частоты деформирования.

С. С. Бюшгенс показала, что существует линейная корреляция между остаточным удлинением ткани в носке, значениями услов­ ной пластической деформации и остаточной циклической дефор­ мации.

Т.А. Модестова и Т. С. Мястовская путем исследования бязи

иполушерстяных тканей показали, что в процессе накопления остаточных циклических деформаций большую роль играет струк­ тура ткани. Накопление этих деформаций происходит вследствие

почти без изменения длины нитей. Авторы подчеркивают наличие разрыхления нитей при многократных деформациях. Г. Берингер [83] провел сопоставление данных лабораторных испытаний тканей с результатами опытной носки и пришел к выводу, что между раз­ рывной нагрузкой и носкостью связь отсутствует, а показатели стойкости к многократному изгибу показывают хорошее совпаде­ ние с результатами опытной носки. Он отмечает, что носкость тка­ ней зависит не только от характера волокна, но и от структуры ткани, ее плотности.

К. А. Осипова [65] изучала усталость тканей при чмногократном растяжении; она отмечает, что изменение скорости работы приборов в два раза (60— 120 циклов в минуту) не выявило суще­ ственных отличий в результатах испытаний и рекомендует прово­ дить испытания с постоянной заданной амплитудой растяжения и с постоянной заданной нагрузкой в каждом цикле нагружения (растяжения).

144

А. М. Шпаер [65] установила большую чувствительность пока­ зателя стойкости тканей к многократным изгибам к различным физико-механическим воздействиям. Она приводит рекомендации в отношении методики испытаний стойкости тканей к многократ­ ному изгибу. Большие изменения многоцикловых характеристик при деформации изгиба тканей под воздействием различных фак­ торов отмечены рядом авторов, например П. А. Геккер.

Г. Н. Кукин [24] отмечает, что, по данным А. Шоппера, вынос­ ливость тканей по утку в 2—5 раз выше, чем по основе. Это объ-' ясняется тем, что основа в ткачестве подвергается сильным воз­ действиям, снижающим ее механические свойства.

Рассмотренное показывает, что к настоящему времени известно большое значение многоцикловых характеристик для оценки дол­ говечности тканей и степени сохранения ими формы при исполь­ зовании. В то же время имеется крайне мало экспериментальных данных о зависимости многоцикловых характеристик тканей от отдельных факторов их строения и совершенно отсутствуют дан­ ные, показывающие зависимость рассматриваемых характеристик от обобщающих показателей строения тканей (коэффициента уплотненности переплетения, коэффициента наполнения и др.). Не имеется данных о степени аналогичности влияния строения тканей на их многоцикловые характеристики при различном волокнистом составе. Имеющиеся данные в значительной мере противоречивы и неполные. Не найдены оптимальные значения показателей строе­ ния тканей по многоцикловым характеристикам.

МНОГОЦИКЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЯ

Выбор методики исследования

Для исследования многоцикловых характеристик при деформа­ ции растяжения тканей был выбр.ан венгерский прибор пульсатор 6-24-1 фирмы «Метримпекс», сохраняющий при испытаниях по­ стоянство заданной амплитуды циклической нагрузки, наибольшее значение полной нагрузки и закон нагружения. Изучалась возмож­ ность использования различных многоцикловых характеристик. В результате предварительных опытов были приняты следующие параметры испытаний: частота нагружений— 1500 циклов в ми­ нуту, амплитуда деформации — 5%- Особое значение имеет вели­ чина действующей нагрузки. Выбор оптимальной нагрузки, обес­ печивающей сопоставимость результатов испытаний усталостного характера, выполненных в относительно короткие сроки, представ­ лял' определенную сложность.

В табл. 42 приведена зависимость выносливости по основе вискозных (вариант БбЮ) и полиэфирных тканей (вариант 9) в.тыся­ чах циклах до разрушения от величины максимальной цикличе­ ской нагрузки.

Принималось во внимание как абсолютное значение действую­ щей нагрузки Р, так и относительная 'нагрузка в процентах от г разрывной.

145

Из табл. 42 и рис. 58 следует, что у тканей из вискозного и полиэфирного волокон характер изменения выносливости при рас­ тяжении в зависимости от величины максимальной циклической нагрузки резко различается. Рассматривая кривые у тканей из

разрывной. Увеличение нагрузки выше предела выносливости ве­ дет к резкому уменьшению выносливости полиэфирных тканей. Незначительное уменьшение величины нагрузки ведет к практиче­ ски бесконечной работе образца в заданном режиме без разруше-

146

ния. Для сравнительных испытаний выносливости полиэфирных тканей по основе была выбрана нагрузка, равная 40% от раз­ рывной, что соответствовало верхнему значению предела выносли­ вости.

С целью выяснения возможности использования изменений полуцикловых характеристик для оценки выносливости тканей раз­ личного строения была определена зависимость разрывной на­ грузки Вр от числа циклов многократного растяжения /гр. Указан­ ная зависимость приведена в табл. 43.

Из рис. 59 следует, что рассматриваемую кривую AD молено разбить на три участка. Участок AB соответствует увеличению прочности вследствие развития процессов упорядочения структуры волокна, пряжи и ткани. На участке ВС этот процесс заканчива­ ется и начинают проявляться признаки разрушения, которое вследствие усталостных явлений на участке CD принимает ката­ строфический характер. Значительная сложность зависимости раз­ рывной нагрузки тканей от числа циклов нагружения не позволяет использовать данную характеристику для оценки выносливости тканей различного строения.

Как было сказано, выше, в ряде работ большое внимание уде­ ляется исследованию такой многоцикловой характеристики текс­ тильных материалов, как остаточная циклическая деформация е0.ц. При достаточно тесной зависимости остаточной циклической де­ формации и выносливости тканей (рис. 60) можно было бы огра­ ничиться изучением е0. ц, что привело бы к значительному сокраще­

нию длительности испытания. Из рис. 60 следует, что кривые за­ висимости остаточной циклической деформации и выносливости для некоторых полиэфирных тканей по основе от числа циклов на­ гружения при растяжении резко отличаются друг о.т друга по характеру и показывают незначительную: разницу в величине ко­ нечного значения остаточной циклической деформации при весьма заметной (на 35%) разнице в величине выносливости, не корре­ лирующей и с промежуточными значениями остаточной цикличе­ ской деформации. Из рис. 60 видна невозможность взаимной за­ мены рассматриваемых характеристик (выносливости и остаточной циклической деформации). Кроме того, следует, что механизм раз­ рушения у тканей с различными коэффициентами уплотненности переплетения при многократном растяжении значительно разли-

147

чается. Отметим, что рассматриваемые кривые имеют три участка: AB, ВС, CD. Для выяснения механизма разрушения тканей особое значение имеет форма кривых на участке CD. Разрушение тканей с высокой уплотненностью (кривые 1, 2) происходит вследствие «зеркального» обрыва по всей площади поперечного сечения, что

Рр, дан

свидетельствует о преобладании в рассматриваемом случае разру­ шения волокон. Характер разрушения тканей с низкими значе­ ниями уплотненности (кривые 3, 4) отличается наличием на участке CD явления «расползания», что свидетельствует о взаим­ ном смещении волокон. Установление различий в механизме раз­ рушения тканей с различными коэффициентами уплотненности пе­ реплетения имеет существенное значение в формулировке гипо­ тезы о возможности оптимизации строения тканей по критерию их выносливости к многократным деформациям.

Влияние переплетения

Ткани из вискозного волокна. В табл. 44 приведены данные абсолютной и относительной выносливости вискозных тканей при нагрузке, соответствующей условному пределу выносливости. От­ носительная выносливость определялась из отношения

На рис. 61 показана зависимость выносливости вискозных тка­ ней по основе от коэффициента уплотненности переплетения. По

148

Из сказанного следует, что зависимость выносливости вискоз­ ных тканей к многократному растяжению по основе характеризу­ ется наличием двух максимумов: при С = 0,67 ± 0,03 и С = 1. По­ ложение первого максимума близко к максимуму коэффициента

соотношения прочности волокон, связи между ними и относитель­ ной подвижности ткани (удлинения) в направлении деформации. Максимальная выносливость достигается при оптимальном соотно­ шении указанных показателей или при резком преобладании одного

149