4. Многоцикловые характеристики при растяжении

При изготовлении и эксплуатации одежды материал испытывает многократно повторяющееся растяжение, которое вызывает изменение структуры материала и приводит к ухудшению его свойств. Этот процесс сопровождается изменением размеров и формы одежды, образованием на отдельных ее участках вздутий (в области локтя, колена и др.). Поэтому изучение поведения текстильного материала при воздействии на него многоциклового растяжения позволяет полнее оценивать его эксплуатационные и технологические свойства.

Процесс постепенного изменения структуры и свойств материала вследствие его многократной деформации называется утомлением.

В результате утомления материала появляется усталость — нарушение или ухудшение свойств материала, не сопровождающееся существенной потерей массы.

Рассмотрим механизм растяжения материалов при многократном нагружении и растяжении. В начальный период многократного воздействия в соответствии с циклом «нагрузка — разгрузка» (порядка десятков и сотен циклов) материал деформируется, но его структура, как правило, стабилизируется. На этой стадии многократного растяжения вначале отмечается быстрый прирост остаточной циклической деформации - ε_оц.

Затем в результате некоторой упорядоченности структуры материала прирост пластической (остаточной) деформации, практически прекращается, а доля высокоэластической деформации, проявляющейся за время, совпадающее со временем отдыха в каждом цикле, возрастает.

Это объясняется тем, что в начальный период цикла, более подвижные и слабые связи нарушаются, перегруппировываются элементы структуры материала, сближаются соседние нити и волокна, возникают новые связи. Одновременно происходит ориентация волокон относительно осей нитей и молекулярных цепей полимера. В результате материал упрочняется и дальнейшее увеличение числа циклов многократного растяжения, не сопровождающееся ростом нагрузки (деформации) в каждом цикле, не вызывает заметного изменения структуры материала и его свойств, так как материал, претерпев структурны изменения в первый период, в дальнейшем приспосабливается к новым условиям. Внешние и внутренние связи, в условия установившегося режима растяжения проявляются в виде упругой и эластической циклической деформаций с малым периодом релаксации. В этих условиях материал в состоянии выдерживать десятки тысяч циклов без резкого ухудшения свойств.

В заключительной стадии многоциклового воздействия (десятки и сотни тысяч циклов) вследствие утомления материала наступает его усталость. Явление усталости наблюдается на отдельных, наиболее слабых участках или в местах, имеющих какие-либо дефекты. В этот период происходят интенсивный рост остаточно циклической деформации материала и его разрушение.

При многоцикловом растяжении материала получают следующие характеристики: выносливость, долговечность, остаточную циклическую деформацию и ее компоненты, предел выносливости.

Выносливость п_р — число циклов, которое выдерживает материал до разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле.

Долговечность t_p — время от начала многоциклового растяжения до момента разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле.

Остаточная циклическая деформация ε_оц, %, — деформация, накопившаяся за определенное, заданное число циклов.

Остаточная циклическая деформация состоит из пластической и высокоэластической, период релаксации которой превышает время разгрузки и отдыха в каждом цикле. Ее определяют по формуле

ε_оц = 100 ℓ_оц /L₀,

где ℓ_оц — абсолютное удлинение пробы материала после заданного числа циклов; L_o — зажимная (рабочая) длина пробы материала:

ℓ_оц = L₁ - L_o,

где L₁ — длина пробы к моменту разгрузки.

Практика показывает, что при сравнительно малой деформации (нагрузке), задаваемой в каждом цикле, материал может выдерживать большое число циклов без разрушения и без заметного нарастания остаточной циклической деформации. С учетом этого обстоятельства текстильные материалы принято характеризовать пределом выносливости.

Под пределом выносливости понимается то наибольшее значение деформации (нагрузки), задаваемое в каждом цикле, при котором материал выдерживает очень большое число циклов нагружения.

Для каждого материала предел выносливости устанавливается экспериментально.

Влияние некоторых факторов на многоцикловые характеристи.

1. С увеличением числа нитей на 10 см (петель) и заполнения ткани и трикотажа растет связанность их элементов и возрастает выносливость к многократным растяжениям. Материалы, характеризующиеся однородностью и устойчивостью связей, обладают большей выносливостью.

2. Способ приложения нагрузки. Нагрузки, многократно прикладываемые под разными углами относительно нитей основы или утка, приводят к накапливанию разной по величине остаточной деформации. Если нагрузка прикладывается под небольшим углом к нитям основы или утка, то структура изменяется незначительно и сравнительно медленно накапливается в материале остаточная циклическая деформация. При циклических нагрузках, действующих в направлениях, близких к углу 45°, наблюдаются многократный поворот нитей основы и утка в точках контакта и непрерывное изменение угла между нитями. В результате нити разрыхляются, структура материала расшатывается. Все это приводит к быстрому накапливанию остаточной циклической деформации.

3. Величина остаточной циклической деформации материала зависит от его волокнистого состава. Материалы, выработанные из волокон, обладающих большой упругостью (синтетические, шерстяные, натуральные шелковые и др.), при многоцикловом воздействии нагрузки характеризуются незначительной остаточной циклической деформацией.

Введение в состав материала волокон, обладающих малой упругостью, приводит к росту остаточной циклической деформации.

4. Величина нагрузки. Для всех материалов увеличение нагрузки (деформации) в цикле приводит к резкому снижению выносливости, интенсивному нарастанию остаточной циклической деформации.

Приборы для определения многоцикловых характеристик. Для многократного одноосного растяжения текстильных материалов предназначены приборы нескольких типов.

Различают приборы: сохраняющие в каждом цикле постоянство амплитуды 1) - абсо­лютной заданной циклической деформации; 2)- относительной заданной циклической деформации; 3) заданной циклической нагрузки (механического давления).

К приборам первого типа относят: УП-1, ротационный пульсатор и ПКМ-1. На приборе УП-1 и ПКМ-1 многократное растяжение пробы осуществляется путем возвратно-поступательного перемещения зажима, который соединен со штоком, и под действием противовеса может перемещаться вверх, выбирая накапливающуюся остаточную циклическую деформацию в материале.

К приборам второго типа относится прибор Павловой в котором проба материала закрепляется в зажимах. При работе прибора путем вращения эксцентрика проба получает многократное растяжение. Под действием противовеса выбирается остаточная циклическая деформация, которая регистрируется самописцем. К приборам третьего типа относятся пульсаторы. Однако они имеют сложную конструкцию и используются редко.