Контрольні питання

1. Що дає структурний аналіз волокон і ниток?

2. У чому сутність методу світлової мікроскопії?

3. Які мікроскопи застосовуються для вивчення структури волокон і ниток?

4. Чим відрізняється електронна мікроскопія від світлової?

5. Які можливості для вивчення структури волокон мають растрові мікроскопи? Охарактеризуйте їх переваги і недоліки.

6. Чому у синтетичних волокон (лавсану, капрону та ін.) гладка поверхня і будова волокон порівняно однорідна?

7. Як можна збільшити розрізняльну здатність і апертуру мікроскопа?

Лабораторна робота № 8 Визначення характеристик механічних властивостей волокон при розтягуванні до розриву

Мета роботи – вивчення і застосування методів, приладів і методики математичної обробки результатів випробування волокон при розтягуванні до розриву.

8.1. Стислі теоретичні відомості

У виробничій практиці і в наукових дослідженнях широко застосовуються розривні характеристики механічних властивостей волокон, ниток і полотен, одержувані при одноразовому розтягуванні зразка до розриву.

Найбільш повною і різносторонньою розривною характеристикою матеріалу є діаграма (крива) розтягування (рис. 8.1, а) в осях абсолютне подовження - навантаження.

Крива розтягування являє собою геометричне місце точок, що характеризують зміну навантаження і деформації при одноразовому розтягуванні до розриву. Користуючись нею можна визначити, яке подовження має матеріал при будь-якому навантаженні в ході його випробування.

Розривне навантаження (сН, Н, даН, гс, кгс) – найбільше зусилля, яке витримує проба до розриву.

Абсолютне розривне подовження (мм) – приріст довжини проби матеріалу до моменту розриву:

(8.1)

де L_K – кінцева довжина проби у момент розриву, мм;

–початкова (затискна) довжина проби, мм.

а) б)

Рис. 8.1. Діаграма розтягування: а) - неповна, б) - повна.

Слід мати на увазі, що не завжди повне руйнування матеріалу відбувається при досягненні . Нескручені комплексні нитки, нитки спеціальних структур, мотки і пучки ниток рвуться не миттєво при досягненні Р_р, а поступово, з подальшим зниженням навантаження, як показано на рис. 8.1, б. У цьому випадку можна користуватися терміном "повне абсолютне розривне подовження" – l_рn.

Відносне розривне подовження (%) – відношення абсолютного розривного подовження до початкової довжини проби, виражене у відсотках:

(8.2)

Розривна напруга (Па) – розривне навантаження Р_р (Н), віднесене до площі поперечного перерізу проби S (мм):

(8.3)

(8.4)

де ρ – густина матеріалу, мг/мм³;

Т – лінійна густина, текс.

Питоме розривне навантаження Ру (гс/текс, сН/текс) – розривне навантаження, яке мали б волокно або нитка, якби їх лінійна густина дорівнювала 1 текс:

(8.5)

Абсолютна робота розриву Rp (кгс·см, Дж) – робота, що витрачається для подолання енергії зв'язків між частинками структури проби при її руйнуванні (1Дж = 1 Н·м)

, (8.6)

де η – коефіцієнт повноти діаграми розтягування.

Чим вище цей коефіцієнт, тим краще розтягуване волокно або нитка чинить опір розриву.

Якщо проба матеріалу розривається не миттєво, а так як показано на рис. 8.1,б, то може бути розрахована повна абсолютна робота розриву, що включає додаткову роботу Rд:

(8.7)

Питома робота розриву r_м (кгс•см/г, Дж/г) – абсолютна робота розриву, віднесена до маси робочої частини випробовуваної проби m (г)

(8.8)

Відносна робота розриву r_у (кгс·см/см³, Дж/см³) – абсолютна робота розриву, віднесена до об’єму робочої частини проби випробовуваного матеріалу V (см³), розрахованого по речовині, тобто без урахування макропор.

(8.9)

Для отримання напівциклових розривних характеристик використовують розривні машини або динамометри.

Залежно від способу навантаження і принципу вимірювання сили, що діє на пробу досліджуваного матеріалу, динамометри можна поділити на декілька типів: гравітаційні, пружинні, електронні. Гравітаційні динамометри у свою чергу поділяються на маятникові, вагові, 47р.47вим (з похилою площиною); на цих приладах проба деформується під дією сили ваги того або іншого вузла приладу.

На динамометрах пружинного типу навантаження на пробу створюється силами пружності пружини або скручуваного валу. Динамометри електронного типу забезпечені вимірювальними перетворювачами-датчиками, що дозволяють перетворити механічне зусилля, яке діє на пробу, що деформується, в електричні величини, які легко піддаються передаванню, посиленню і математичній обробці.

Розрізняють динамометри з постійною швидкістю деформації або навантаження і динамометри, в яких жодна з цих умов не дотримується, а швидкість приросту навантаження і деформації змінюється залежно від властивостей матеріалу при постійній швидкості руху нижнього затискача. Розрізняють також статичні (47р.47вимірювач) і динамічні (швидкодійні) ударні динамометри.

При випробуваннях необхідно знати і враховувати тип і особливості динамометра, його швидкісний режим, оскільки ці чинники тією чи іншою мірою відображаються на показниках, що характеризують властивості матеріалу.

Динамометри можуть мати діаграмний прилад – пристрій, що дозволяє реєструвати безперервну зміну співвідношення деформації і сили в процесі розтягування зразка.

Частіше за все застосовуються маятникові статичні динамометри. Вони характеризуються простотою будови і обслуговування, надійністю і довговічністю в роботі.

На рис. 8.2. наведена принципова схема маятникового динамометра. Маятник 13 і сектор 1 укріплені на спільній осі. На секторі 1 в точці 2 жорстко закріплений кінець гнучкої стрічки (або ланцюга) 3, на іншому кінці якого підвішений верхній затискач 4. Нижній затискач 7 встановлений на штоку 10. При вмиканні двигуна шток з нижнім затискачем 7 під дією черв’ячної шестірні 9 опускається і тягне за собою випробовувану пробу матеріалу 6. Проба із зусиллям Р тягне за собою гнучку стрічку 3. При цьому щодо осі маятника виникає обертальний момент , що спричиняє поворот маятника (r – радіус сектора з урахуванням половини товщини ланцюга 3). Відхилення маятника від вертикального положення супроводжується виникненням обертального моменту,який дорівнює по величині і зворотний за напрямом моменту m_р, G – вага маятника, х – відхилення центра ваги маятника від початкового вертикального положення). З рівняння рівноваги системи виходить:

_ (8.10)

Виражаючи х через кут відхилення маятника і фізичну довжину маятника R, маємо:

(8.11)

Тоді відповідно до цих рівнянь:

(8.12)

Це рівняння є підставою для градуювання шкали зусиль (навантажень) 11, які діють на пробу при різних положеннях маятника. У процесі випробування величина залишається постійною. Таким чином, сила Р пропорційна синусу кута повороту маятника:

(8.13)

Для розширення діапазону вимірювання навантаження динамометри забезпечені двома-трьома змінними тягарцями 12. При зміні тягарця змінюється загальна вага маятника G, зміщується його центр ваги, а отже, змінюється фізична довжина маятника R (відстань від центра ваги до осі). Величина r, яка дорівнює радіусу сектора, залишається при цьому незмінною. Кожному змінному тягарцю відповідає своя константа і своя шкала навантажень. Шкала подовжень 8 переміщується разом з нижнім затискачем. Разом з верхнім затискачем закріплений покажчик 5, який дозволяє здійснювати відлік абсолютного подовження проби за шкалою 8.

Рис.8.2. Принципова схема маятникового динамометра

Існує багато модифікацій маятникових розривних машин, але принцип їх дії аналогічний.

Багато розривних машин, що використовуються до цього часу, мають шкали, градуйовані в грам-силах або кілограм-силах (гс або кгс), а застосування Міжнародної системи одиниць СІ спричиняє необхідність перерахунку одиниць вимірювання. Усю статистичну обробку первинних даних, отриманих за показами приладів, слід здійснювати в одиницях градуювання шкали навантажень і лише остаточні результати переводити в Міжнародну систему одиниць, тобто в сантиньютони (сН) або 49р.49вимірюв (даН), виходячи з таких розрахунків:

1 Н 102гс; 1 сН 1,02гс; 1 даН 1,02кгс; 1 кгс 9,81 Н; 1гс 0,98сН. Неприпустимо прирівнювати 1 сН = 1 гс або 1 даН = 1 кгс, оскільки похибка при цьому становитиме майже 2%, що у деяких випадках може призвести до невірної оцінки якості матеріалу і його відповідності вимогам стандарту.