Контрольные вопросы.

1. Что даёт структурный анализ волокон и нитей?

2. В чём сущность метода световой микроскопии?

3. Какие микроскопы применяются для изучения структуры волокон и нитей?

4. Чем отличается электронная микроскопия от световой?

5. Какие возможности для изучения структуры волокон имеют растровые микроскопы? Их преимущества и недостатки?

6. Почему у синтетических волокон (лавсана, капрона и др.) гладкая поверхность и строение волокон сравнительно однородно?

7. Как можно увеличить разрешающую способность и апертуру микроскопа?

Лабораторная работа № 8. Определение характеристик механических свойств волокон при растяжении до разрыва.

Цель работы - изучение и применение методов, приборов и мето­дики математической обработки результатов испытания волокон при растяжении до разрыва.

8.1. Краткие теоретические сведения.

В производственной практике и в научных исследованиях широко применяются разрывные характеристики механических свойств волокон, нитей и полотен, получаемые при однократном растяжении образца до разрыва.

Наиболее полной и разносторонней разрывной характеристикой ма­териала является диаграмма (кривая) растяжения (рис. 8.1, а) в осях абсолютное удлинение - нагрузка. Кривая растяжения представляет собой

а) б)

Рис. 8.1. Диаграмма растяжения а) - неполная, б) - полная.

геометрическое место точек, характеризующих изменение нагрузки и деформации при однократном растяжении до разрыва. По ней можно опре­делить, какое удлинение имеет материал при любой нагрузке в ходе его испытания.

Разрывная нагрузка (сН, Н, даН, гс, кгс) - наибольшее усилие, выдерживаемое пробой до разрыва.

Абсолютное разрывное удлинение (мм) - приращение длины пробы материала к моменту разрыва:

,

где - конечная длина пробы в момент разрыва, мм;

- начальная (зажимная) длина пробы, мм.

Следует иметь в виду, что не всегда полное разрушение материала наступает при достижении . Нескрученные комплексные нити, нити специальных структур, мотки и пучки нитей рвутся не мгновенно при достижении , а постепенно, с последующим понижением нагрузки, как показано на рис. 8.1, б. В этом случае можно пользоваться термином "полное абсолютное разрывное удлинение" ( ).

Относительное разрывное удлинение (%) - отношение абсолютного разрывного удлинения к начальной длине пробы, выраженное в процентах:

Разрывное напряжение (Па) - разрывная нагрузка (Н), отнесенная к площади поперечного сечения пробы S (мм):

; .

где - ρ -плотность вещества (материала), мг/мм³;

Т - линейная плотность, текс.

Удельная разрывная нагрузка Р_р (гс/текс, сН/текс) - разрывная нагрузка, которую имели бы волокно или нить, если бы их линейная плотность была равна 1 текс:

Абсолютная работа разрыва R_p (кгс∙см, Дж) - работа, затраченная для преодоления энергии связей между частицами структуры пробы при ее разрушении (1Дж = 1 Н∙м)

где η – коэффициент полноты диаграммы растяжения.

Чем выше этот коэффициент, тем лучше растягиваемое волокно или нить сопротивляется разрыву.

Если проба материала разрывается не мгновенно, а так как показано на рис.8.1,б, то может быть рассчитана полная абсолютная работа разрыва, включающая дополнительную работу R_д:

Удельная работа разрыва r_м (кгс∙см/г, Дж/г) - абсолютная работа разрыва, отнесенная к массе рабочей части испытуемой пробы m, (г)

Относительная работа разрыва r_v (кгс∙см/см³, Дж/см³) - абсолютная работа разрыва, отнесенная к объему рабочей части пробы испытуемого материала V (см³), расчитанному по веществу, т. е. без учета макропор.

Начальный модуль жесткости материала Е_н (кгс/мм³, Па) - напряжение, возникающее в материале при деформации его на 1% от первоначальной длины.

Для получения полуцикловых разрывных характеристик используют разрывные машины или динамометры.

В зависимости от способа нагружения и принципа измерения силы, действующей на пробу испытуемого материала, динамометры можно подразделить на несколько типов: гравитационные, пружинные, электронные. Гравитационные динамометры в свою очередь подразделяются на маятниковые, весовые, кареточные (с наклонной плоскостью); на этих приборах проба деформируется под действием силы тяжести того или иного узла прибора.

На динамометрах пружинного типа нагрузка на пробу создается силами упругости пружины или скручиваемого вала. Динамометры электронного типа снабжены измерительными преобразователями-датчиками, позволяющими преобразовать механическое усилие, действующее на деформируемую пробу, в электрические величины, легко поддающиеся пе­редаче, усилению и математической обработке.

Различают динамометры с постоянной скоростью деформирования или нагружения и динамометры, в которых ни одно из этих условий не соблюдается, а скорость приращения нагрузки и деформации меняется в зависимости от свойств материала при постоянной скорости движения нижнего зажима. Различают также статические (медленнодействующие) и динамические (быстродействующие) ударные динамометры.

При испытаниях необходимо знать и учитывать тип и особенности динамометра, его скоростной режим, так как эти факторы в той или иной мере отражаются на показателях, характеризующих свойства материала .

Динамометры могут иметь диаграммный прибор - устройство, позволяющее регистрировать непрерывное изменение соотношения деформации и силы в процессе растяжения образца.

Чаще всего применяются маятниковые статические динамометры. Они характеризуются простотой устройства и обслуживания, надежностью и долговечностью в работе.

На рис. 8.2. приведена принципиальная схема маятникового динамометра. Маятник 13 и сектор 1 укреплены на общей оси. На секторе 1 в точке 2 жестко закреплен конец гибкой ленты (или цепи) 3, на другом конце которой подвешен верхний зажим 4. Нижний зажим 7 установлен на штоке 10. При включении двигателя шток с нижним зажимом 7 под действием червячной шестерни 9 опускается и тянет за собой испытуемую пробу материала 6. Проба с усилием Р тянет за собой гибкую ленту 3. При этом относительно оси маятника возникает вращающий момент , вызывающий поворот маятника ( - радиус сектора с учетом половины толщины цепи 3). Отклонение маятника от вертикального поло­жения сопровождается возникновением вращающего момента , равного по величине и обратного по направлению момента - вес маятника, х - отклонение центра тяжести маятника от исходного верти­кального положения). Из уравнения равновесия системы следует:

,

Выражая х через угол отклонения маятника и физическую длину маятника R, имеем: ,

Тогда в соответствии с этими уравнениями

Это уравнение служит основанием для градуировки шкалы усилий (нагрузок) 11, действующих на пробу при различных положениях маятника. В процессе испытания величина остается постоянной. Таким образом, сила Р пропорциональна синусу угла поворота маятника:

Для расширения диапазона измерения нагрузки динамометры снаб­жены двумя-тремя сменными грузами 12. При смене груза меняется об­щий вес маятника G, смещается его центр тяжести, а следовательно, изменяется физическая длина маятника R (расстояние от центра тя­жести до оси). Величина r, равная радиусу сектора, остается при этом неизменной. Каждому сменному грузу соответствует своя констан­та и своя шкала нагрузок. Шкала удлинений 8 перемещается вместе с нижним зажимом. Вместе с верхним зажимом закреплен указа­тель 5, который позволяет вести отсчет абсолютного удлинения пробы по шкале 8.

Рис. 8.2. Принципиальная схема маятникового динамометра.

Существует много модификаций маятниковых разрывных машин, но принцип их действия аналогичен.

Многие выпускающиеся до настоящего времени разрывные машины имеют шкалы, градуированные в грамм-силах или килограмм-силах (гс или кгс), применение Международной системы единиц СИ вызывает необходимость перерасчета единиц измерения. Всю статистическую обработку первичных данных, подменных на приборах, следует вести в еди­ницах градуировки шкалы нагрузок и лишь окончательные результаты пе­реводить в Международную систему единиц, т.е. в сантиньютоны (сН) или деканьютоны (даН), исходя из следующих расчетов:

1 Н 102 гс; 1 сН 1,02 гс; 1 даН 1,02 кгс; 1 кгс 9,81 Н; 1 гс 0,98 сН. Недопустимо приравнивать 1 сН = 1 гс или 1 даН = 1 кгс, так как ошибка при этом составит около 2%, что в ряде случаев может привести к неверной оценке качества материала и его соответствия требованиям стандарта.