Лабораторная работа № 7

Определение разрывных характеристик растяжения материалов

Цель работы: изучить пробы и методы определения и расчета основных характеристик текстильных материалов при одноосном растяжении до разрыва.

Задачи работы:

1. Дать определение основных полуцикловых разрывных характеристик растяжения: разрывной нагрузки, разрывного напряжения, удельной прочности, относительной разрывной нагрузки, абсолютного и относительного разрывного удлинения, работы разрыва; установить основные факторы, влияющие на их значения.

2. Ознакомиться с устройством и принципом разрывной машины РТ-250-М-2.

3. Изучить методы определения характеристик прочности и удлинения материалов при растяжении.

Приборы и материалы: разрывная машина РТ-250-М-2, образцы тканей, трикотажа нетканых полотен, ножницы, линейки.

Литература: /1-4/.

Основные сведения

При растяжении материала до разрыва определяют характеристики прочности и деформации материалов. Прочностью на разрыв при растяжении называют способность материала противостоять растягивающим усилиям до разрушения. Прочность материала можно характеризовать в абсолютных и относительных единицах.

Разрывная нагрузка Р_р - наибольшее усилие, которое испытывает материал в момент разрыва, выраженное в даН или кгс. Величина разрывной нагрузки является основным критерием при оценке механических свойств материалов и стандартным показателем их качества.

Для сравнительной оценки прочности материалов, отличающихся структурными параметрами, используют относительные характеристики прочности текстильных материалов.

Разрывное напряжение _р, Па, представляет собой отношение разрывной нагрузки к площади поперечного сечения пробы

_р = Р_р /S

Так как текстильные материалы являются пористыми материалами, площадь поперечного сечения определяют расчётным путем, исходя из массы, объемной массы и объема пробы:

S = m/Lδ,

т. е _р = ,

где m - масса пробы, г;

δ - объемная масса материала, г/мм³,

L - длина пробы, мм.

Удельная прочность Р_уд представляет собой разрывную нагрузку, приходящуюся на структурный элемент материала, воспринимающий растягивающее усилие (в ткани — нить основы или утка, в трикотаже - петельный столбик или ряд):

Р_уд = Р_рк/П,

где П — плотность структурных элементов, вдоль которых происходит разрыв;

к - отношение длины участка материала, на котором определяют плотность (для ткани — 100 мм, для трикотажа — 50 мм), к ширине испытуемой пробы.

Относительная разрывная нагрузка Р_о, даН*м/г или кгс*м/г, определяется как отношение разрывной нагрузки к массе единицы площади (поверхностной плотности), г/м², и ширине пробы b, м,

Р_о = P_p/m b

Относительную разрывную нагрузку иногда определяют с учетом массы разрываемой системы нитей

Р_о = P_p/m bc,

где с — доля массы нитей той системы, по которой происходит разрушение материала.

Деформационные свойства текстильных материалов при одноосном растяжении оценивают разрывным удлинением в абсолютных и относительных единицах.

Абсолютное разрывное удлинение l_р, мм, представляет собой приращение длины испытуемой пробы к моменту разрыва:

l_р = L_k-L_o,

где L_o - начальная (зажимная) длина пробы, мм;

L_k - конечная длина пробы перед разрывом, мм.

Относительное разрывное удлинение ε_р, %, - отношение абсолютного разрывного удлинения к начальной (зажимной) длине пробы:

ε_р =100 l_р / L_o

В качестве комплексных разрывных характеристик используют абсолютную и относительную работу разрыва.

Абсолютная работа разрыва, R_p, Дж или кгсcм, характеризует количество энергии, которое затрачивается на преодоление энергии связей между элементами структуры материала и разрушение его целостности. Абсолютная работа разрыва определяется по формуле:

R_p = η Р_р l_р,

где η — коэффициент полноты диаграммы нагрузка-удлинение.

Этот коэффициент показывает, какую часть составляет площадь S_ф, ограниченная кривой растяжения, осью удлиняя перпендикуляром, опущенным из точки разрыва, от площади S прямоугольника с координатами Р_р и l_р:

η = S_ф/S

Более простым способом можно получить значение коэффициента η, определив взвешиванием массу бумаги m площадью S и массу m.ф. фактической площадью S_ф под кривой растяжения:

η = m.ф / m

Относительная работа разрыва определяется отношением работы разрыва к единице массы, даН см/ г, или единица объема, даН см/см³

г_ш = R_p/m,

r_v = R_p/v

Для определения полуцикловых характеристик при одноосном растяжении используют разрывные машины различной конструкции с постоянной скоростью опускания нижнего зажима; с постоянной скоростью возрастания нагрузки; с постоянной скоростью деформирования.

Разрывные машины с постоянной скоростью опускания нижнего зажима. Эти машины получили наибольшее распространение, из них РТ-250 и РТ-250М-2 используют при стандартных испытаниях. Схема разрывной машины РТ-250М-2 приведена на рис. 7.1.

Рис.7.1. Схема разрывной машины РТ-250М-2:

1 – электродвигатель; 2 – направляющая; 3 – груз маятника; 4 – маятник; 5 – груз шкалы; 6 – зубчатая рейка; 7,19 – зубчатые колёса; 8 – шкала нагрузки; 9 – ведущая стрелка; 10 – контрольная стрелка; 11 – амортизатор; 12 - грузовой рычаг; 13,14 – корректирующие устройства; 15 – рукоятка верхнего зажима; 16 – указатель; 17 – верхний зажим; 18 – шкала удлинения; 20 - элементарная проба материала; 21 – нижний зажим; 22 – рамка нижнего зажима; 23 – рейка; 24 – верхний шток; 25 – нижний шток; 26 – винт; 27 – червячный редуктор; 28 – муфта.

Испытуемая проба 20, заправленная в верхние 17 и нижние 21 зажимы машины, получает растяжение при равномерном опускании нижнего зажима, который с помощью штоков 24 и 25 соединён с винтом 26. Винт 26 получает движение от электродвигателя постоянного тока 1 через муфту 28 и червячный редуктор 27.

Скорость перемещения нижнего зажима регулируют в пределах 25-250 мм/мин путем изменения напряжения и тем самым частоты вращения электродвигателя. Включением кнопки «вниз» или «вверх» меняют направление постоянного тока в цепи электродвигателя и тем самым направление вращения ротора электродвигателя 1 и винта 26, вращаясь в том или ином направлении, винт 26 перемещает шток 25 вниз или вверх по направляющей 2.

Измерение усилия, испытываемое пробой, производят с помощью маятникового силоизмерителя. Проба, деформируясь, перемещает верхний зажим 17, который поворачивает грузовой рычаг 12, что, в свою очередь, вызывает отклонение маятника 4 с грузом 3. При этом своим упором маятник перемещает зубчатую рейку 6 и поворачивает зубчатое колесо 7.

На оси зубчатого колеса закреплена ведущая 9 и контрольная 10 стрелки, с помощью которой на грузовой шкале 8 фиксируется величина нагрузки, действующей на испытуемую пробу. При разрыве пробы маятник возвращается в исходное положение, а ведущая стрелка под действием груза 5 - на нулевое деление грузовой шкалы. Для плавного движения маятника машина снабжена масляным амортизатором 11, шток которого соединен с грузовым рычагом 12.

Грузовая шкала имеет три пояса: А - от 0-50 кгс, с ценой деления 0,1 кгс, Б - от 0-100 кгс, с ценой деления 0,2 кгс, В - от 0-250 кгс, с ценой деления 0,5 кгс. При работе со вторым и третьим поясом на грузовой маятник добавляют соответствующие дополнительные грузы.

Деформацию удлинения пробы измеряют по шкале 18, имеющей градуировку в мм. Шкалу приводит в движение зубчатое колесо 19, соединенное рейкой 23 со штоком 25 нижнего зажима. Стрелка - указатель 16 соединена с помощью корректирующего устройства 13,14 с грузовым рычагом 12. При отклонении маятника от вертикального положения корректирующего устройства поворачивает стрелку указатель по направлению перемещения шкалы на величину, равную перемещению верхнего зажима. Разрывная машина РТ-250-М-2 снабжена механизмом механического останова при разрыве пробы.