Испытания тканей на нагрузку и разрыв. Материалы текстильные

ЛЕКЦИЯ № 11

1. Цель и сущность метода.

2. Определение коэффициентов, учитывающих долю нитей основы и утка в ткани.

3. Определение условной длины ткани.

4. определение числа нитей основы и утка в ткани.

5. Совершенствование метода проектирования проф.О.С. Кутеповым.

6. Порядок проектирования ткани по заданной прочности на разрыв с использованием поправок проф. О.С. Кутепова.

Метод получил название «Метод инженера А. А. Синицына» по имени автора, предложившего его в 1932 г. Позднее этот метод дополнен проф. О.С. Кутеповым. Его применяют в тех случаях, когда необходимо спроектировать ткань с заданной разрывной нагрузкой полоски ткани по основе и утку.

Целью данного метода является определение числа нитей основы и утка на 10 см ткани при сохранении поверхностной плотности ткани и толщины нитей по заданной разрывной нагрузке полоски ткани.

Для решения данной задачи А. А. Синицыным используется понятие разрывной длины ткани по основе и по утку (;). Физический смысл разрывной длины полоски ткани выражает длину ленты ткани (в км), при которой ткань под действием собственной массы разорвется.

Для проектирования принимают ткань–эталон, имеющую следующие данные:

Поверхностная плотность ткани (Мм 2);

) и по утку ();

Число нитей основы () и число нитей утка () на 10 см суровой ткани;

Линейная плотность основы () и утка ().

Разрывную нагрузку полоски ткани определяют с учетом процента использования нитей основы и утка по следующим формулам.

Процент использования нитей основы в ткани равен:

Процент использования нитей утка в ткани равен:

где - разрывная нагрузка пряжи по основе и утку, сН/текс.

Зная разрывную нагрузку полоски ткани по основе и утку и поверхностную плотность ткани, А.А. Синицын определяет разрывную длину полоски ткани по следующим формулам.

Разрывная длина полоски ткани по основе:

где 20 – переводной коэффициент для полоски ткани размером 50 200 см.

При разрыве полоски ткани по основе, уток играет пассивную роль и поэтому он незначительно изменяет прочность полоски ткани по основе. Точно такое же явление наблюдают с нитями основы при разрыве полоски ткани по утку. Поэтому А.А. Синицин ввел понятие условной разрывной длины ткани по основе и утку, нити которой несут на себе основное влияние разрывной нагрузки.

Условная разрывная длина ткани по основе:

Условная разрывная длина ткани по утку:

Последующие расчеты сводятся к определению коэффициентов α и β, определяющих долю нитей основы и утка в поверхностной плотности ткани.

При условии, что α + β = 1 можно записать, что масса нитей основы в 1м 2 ткани будет равна

Мм 2 = α·Мм 2 + β·Мм 2 ,

где масса нитей основы равна - α ;

масса нитей утка равна - β .·

Определим коэффициенты α и β для ткани–эталона. Для этого определим отношение масс нитей основы и утка - М о /М у, равное:

(16.4)

где - у усадка ткани в отделке, %.

Приравнивая левую и правую части полученного выражения, предварительно заменив значения массы нитей основы выражением М о =α и массы нитей утка выражение М у =β , и добавляя уравнение α + β = 1 получаем систему уравнений вида:

Определив коэффициенты α и β, определяют условную разрывную длину по основе и утку.

Зная условную разрывную длину по основе и утку ткани-эталона, Синицын делает переход к расчету проектируемой ткани. При этом вводится следующее допущение: условная разрывная длина для ткани–эталона и проектируемой ткани сохраняется постоянной величиной, т.е. и .

В этом случае можно написать, что условная разрывная длина ткани-эталона по основе равна:

где , – разрывная нагрузка полоски проектируемой ткани, сН;

α′, β′ – доля основной и уточной пряжи в поверхностной плотности проектируемой ткани.

Синицын преобразует вышеприведенные уравнения к виду

из которой определяет долю нитей основы в проектируемой ткани.

Доля нитей основы в проектируемой ткани равна:

из которой находит значения β¢ и α¢.

Доля нитей утка в проектируемой ткани равна:

Определив выражения для α" и β", по аналогии с уравнением (), составляют уравнение вида

Плотность по основе в проектируемой ткани равна

где - плотность по основе и утку в проектируемой ткани.

В этом уравнении имеется два неизвестных Ро и Ру. Для решения этого уравнения А.А.Синицын использовал эмпирический метод, предложенный Брайерлеем. Однако метод Брайерлея применим для очень узкого ассортимента тканей. В основном это ткани следующих переплетений: полотняного, сатинового переплетения и рогожки. Для тканей других переплетений метод инж. А. А. Синицына применять нельзя . Из–за этих ограничений и сложности в расчетах метод Синицина в данном изложении не нашел широкого применения.

Однако его можно использовать для других переплетений однослойных тканей, применив коэффициенты плотности нитей в ткани, введенные проф.О.С. Кутеповым. При этом проектируемая ткань условно приравнивается к ткани квадратного строения, после чего доля нитей основы и утка пересчитывается в соответствии с заданным значением коэффициентов α и β. В этом случае порядок проектирования следующий.

В зависимости от назначения к канату будут предъявляться определенные требования.

Обычно подбор каната ведется по 3-4 вышеперечисленным свойствам. А теперь подробнее:

Стоимость

Зависит от многих факторов. Наиболее очевидный - стоимость сырья. Дополнительные операции в виде подготовки нитей, сложная структура веревки (наличие сердечников), финальная обработка - усложняет производство и сказывается на цене. Производство продукции в потоковом режиме (т.е. в больших объемах) позволяет снизить стоимость за счет уменьшения отходов и отсутствия потерь времени на настройку оборудования.

Разрывная нагрузка

Измеряется в кгс - килограмм-сила (равна весу тела массой 1кг) или ньютонах; 1 кгс= 9.8Н. Указывают ту нагрузку, при которой происходит разрушение. Ее значение позволяет определить годность веревки для тех или иных целей. Необходимо понимать, что испытания проводятся изготовителем в идеальных условиях - новая веревка, плавное приложение нагрузки, нормальные условия (температура, давление, влажность) и т.д. Рекомендованная эксплуатационная нагрузка - до 40% от разрывной.

Диаметр

Важен в ряде случаев:
-Например, 400м веревки диаметром 8мм занимает такой же объем, что и 256м d10мм. (На практике, при намотке на катушку, соотношение несколько иное, но смысл тот же).
-Веревка работает в системах роликов. Диаметр ролика и размер канавок должен сочетаться с диаметром каната. Иначе не заработает.
-Работа руками. Для комфортной работы (перемещение грузов) диаметр каната должен быть не менее 14мм.
-Веревка проходит через отверстия определенного диаметра.

Линейная плотность

Масса единицы длинны каната. Измеряется в г/м. Иногда используют понятие текс, денье. Хотя это больше для волокон и нитей. Текс - вес 1км нити в граммах. (г/км). Ден - вес 9км нити в граммах.
Линейная плотность определяет на сколько легкая Ваша веревка. Актуально, если есть ограничение по массе - путешествия, особенно пешие, полеты в космос и т.д.
Зависит от материала, типа каната. По мере утяжеления: полипропилен. Обычно, канаты с сердечником более тяжелые, чем без.

Растяжимость под нагрузкой

При приложении нагрузки материалы тянуться и веревки не являются исключением. Как правило, указывается на сколько удлинилась веревка при нагрузках, близких к разрывным. Измеряется в процентах. Возможно измерение растяжимости при определенной нагрузке (например, это актуально для страховочных веревок). График зависимости нагрузка/растяжимость не линейный. Новые веревки тянуться лучше, чем поработавшие.
Зависит от материала и типа каната. По растяжимости в сторону убывания полиамид>полипропилен>полиэтилен>полиэфир>высокомолекулярный полиэтилен>арамид .
Высокая растяжимость позволяет "гасить" резкие нагрузки (рывок) - хорошо при буксировке, швартовке и т.д..
Низкая растяжимость - при использовании канатов для лебедок, подъемных механизмах. Для систем руления (тяги) в некоторых транспортных средствах, как правило водных. Управляющие лини в парапланах и тому подобное.

Устойчивость к ультрафиолету

Все синтетические канаты "стареют" (деградация) под воздействием ультрафиолетового излучения, но с разной скоростью. Это время определяется материалом, диаметром каната. Поглощение УФ приводит к разрушению связей в молекулах полимера. Как результат - потеря эластичности, прочности. Устойчивость по убыванию: полиэфир>высокомолекулярный полиэтилен>полиамид>полипропилен>арамид.
Защита: минимизация УФ воздействия, специальные добавки в исходный полимер, защитные пропитки для готовых канатов.
Земной шар можно поделить на зоны интенсивности ультрафиолетового излучения (см. карта интенсивности солнечного излучения в мире). Если канат предполагается использовать в уличных условиях, можно определить его срок службы. Многие импортные производители указывают наличие светостабилизаторов. Например, полипропиленовый канат со стабилизацией 120kLy (килолэнгли) - при при воздействии в течении года солнечного излучения интенсивностью 120kLy должен терять в прочности не более чем 50%.

Устойчивость к механическим воздействиям

Внешнее трение - в точках соприкосновения каната с рабочими поверхностями. Способы защиты - предельно гладкие поверхности, круглой формы.
Способ измерения: эталонная абразивная поверхность, по которой перемещают веревки под определенной нагрузкой. Измеряется в количествах циклов, относительная величина. Устойчивость зависит от материала. В порядке ухудшения стойкости к абразивным воздействиям: полиэфир>высокомолекулярный полиэтилен>полиамид>арамид>полипропилен .
Конструктивно: на устойчивость к истиранию влияет предварительная крутка нитей, прядность каната. Чем выше прядность (более мелкое плетение) - тем лучше.
Внутреннее трение - возникает в канате, между волокнами. Чем более гладкие нити, тем меньше трение между ними. Ситуацию улучшают специальные антифрикционные добавки, пропитки. Устойчивость к внутреннему трению ухудшается в ряду: высокомолекулярный полиэтилен, полиэфир>полиамид>арамиды, полипропилен

Устойчивость к химическим веществам

Тут все просто. Канаты используются в реальных условиях. Это могут быть воздействия кислот, щелочей, растворителей и др. Зная, где будет использоваться канат можно выбрать материал, который прослужит дольше.

Диапазон допустимых температур

Определяется допустимыми температурами эксплуатации и зависит от материала каната. В нормальных ситуациях нагрев может происходить в следствии следующих причин (одной из, или сразу всех):
-Внешние источники тепла (высокая температура окружающего воздуха, различные тепловые излучения).
-Разогрев в результате сил трения. Чем больше нагрузка, тем больше силы трения, тем больше нагревание. Если нет нормального охлаждения, то вплоть до оплавления.
По теплостойкости в сторону уменьшения: арамид>полиэфир>полиамид>высокомолекулярный полиэтилен>полипропилен
Следует помнить, что температура окружающей среды, в которой используется канат должна быть меньше предельно допустимых значений для данного материала, т.к. в процессе эксплуатации будет происходить дополнительный разогрев (силы трения).

Возможность заделки концов

Огоны (сплесни) - это специальным образом сделанная на конце веревки петля. Чаще всего, для работы канат требуется крепить к различным приспособлениям. Для бытового назначения подойдут узлы - что-то привязать, подвесить, ручной подъем грузов. Для специальных назначений на конце(ах) каната требуется наличие, например, коушей. Это обеспечивает удобство работы с канатом - легкое крепление в карабинах, без необходимости завязывания/развязывания узлов. Кроме того, правильная заделка концов обеспечивает большую прочность. Огоны ослабляют канат на 10%, а узлы на 40-90%, в зависимости от материала, типа каната, вида узла.
Наиболее распространенные способы получения огонов:
-Заплетание. Для этого подходят крученые и некоторые виды плетеных канатов (как с сердечником, так и без). Наиболее просто заплетаются крученые трехпрядные канаты и плетеные без сердечника. Для плетеных канатов есть несколько способов заплетания. Все они требуют специальные вспомогательные приспособления и определенный навык работы. О возможности заплетания лучше интересоваться у изготовителя.
-Обжим. Используются металлические втулки, процесс сходен с запрессовкой металлических канатов.
-Прошивка. Огоны получаются методом прошивания на специальных машинках, напоминающих швейные.

Плавучесть

Редко имеет критическое значение. Этот параметр может быть важен при работе на воде. Например, опуская на дно водоема якорь, можно не бояться "упустить" другой конец веревки, т.к. в этом случае она будет плавать на поверхности воды. Понятно, что вместо якоря может фигурировать какое-либо оборудование (например видео/звукозапись или иные измерительные приборы). Зачастую, имеет смысл продумать этот момент и использовать плавающую веревку.

Интенсивность эксплуатации

Цвет

Тип плетения

Лебедки (кабестаны)
Ключевое - плотность намотки. Поверхность барабана.

Шкивы, ролики
Перегибы веревки под нагрузкой вызывают неравномерное нагружение волокон. Работает лишь часть волокон - поэтому реальные нагрузки, которые веревка сможет выдержать будут всегда меньше лабораторных испытаний. Кроме того, работа в таких условиях вызывает повышенные внутренние трения, что снижает срок эксплуатации. Для большинства задач диаметр шкива (ролика) должен быть 8-10 диаметров каната (не менее 6 диаметров). Для некоторых материалов (например арамиды), диаметр роликов должен быть не менее 20 диаметров каната.
Ролики должны свободно вращаться. Профиль паза должен быть в форме полукольца, диаметром на 10% больше диаметра веревки. V-образный паз будет сжимать веревку, вызывая повышенное трение. Это сокращает срок службы веревки.

Текстильные материалы в одежде чаще всего испытывают де­формацию растяжения. Этот вид деформации наиболее изучен.

Классификация характеристик, получаемых при растяжении материала, представлена на схеме 2.1.

Полуцикловые разрывные характеристики. Эти характеристики используются главным образом для оценки предельных механи­ческих возможностей текстильных материалов. По показателям механических свойств, получаемым при растяжении материала до разрыва, судят о степени сопротивления материала постоянно дей­ствующим внешним силам; показатели разрывной нагрузки и раз­рывного удлинения являются важными нормативными показате­лями качества материала.

Одноосное растяжение. Рассмотрим основные полуцикловые разрывные характеристики, получаемые при простом одноосном растяжении.

Показатели полуцикловых характеристик устанавливают при растяжении материала на разрывных машинах.

Проба прямоугольной формы (рис. 2.2, а) принята в качестве стандартной для испытания тканей, трикотажных и нетканых по­лотен. Метод испытания, основанный на применении такой про­бы, часто называют стрип-методом. Для тканей установлены сле­дующие размеры пробы: ширина 25 мм, зажимная длина 50 мм (в спорных случаях ширина 50 мм и зажимная длина 200 мм, а для шерстяных тканей 100 мм). Для трикотажных и нетканых полотен ширина пробы 50 мм, зажимная длина 100 мм.

Пробы, формы которых показаны на рис. 2.2, б, в, применяют щавным образом в исследовательской работе. Для испытания силь- рорастяжимых материалов (например, трикотажных полотен) иног­да используют пробы в виде двойной лопаточки или в виде коль­ца, сшитого из полоски материала (рис. 2.2, г, д).

При испытании текстильных материалов на одноосное растя­жение получают следующие основные характеристики механичес­ких свойств.

усилие, выдерживаемое пробами мате­риала при растяжении их до разрыва. Разрывная нагрузка выражает­ся в ньютонах (Н) или деканьютонах (даН); 1 даН = 10 Н = 1,02 кгс. „ Удлинение при разрыве (разрывное удлинение) - прираще - рие длины растягиваемой пробы материала к моменту ее разрыва. Абсолютную величину удлинения /р, мм, получают как разность конечной LK и первоначальной L 0 длин пробы. Относительную ве­личину удлинения материала к моменту его разрыва кр определяют как отношение абсолютной величины удлинения /р к первоначаль­ной длине /_„ и выражают либо в долях единицы:

Где а и п - коэффициенты, значения которых зависят от вида материала и его структуры.

Для оценки прочностных свойств текстильных материалов при­меняют также другие характеристики.

Удельную разрывную нагрузку PyR , Н м/г, рассчитывают по формуле

Рул = Р Р/ BMs ,

B - ширина пробы материала, м; Ms - поверхностная плотность материала, г/м2.

Показатели удельной разрывной нагрузки для некоторых тек­стильных материалов, приведенные в табл. 2.3, учитывают поверх­ностную плотность материалов и позволяют сравнивать их проч­ностные свойства.

В массе t м2 многих тканей содержится разная доля массы ни­тей основы и утка. Для таких тканей удельную разрывную нагрузку рассчитывают по формуле

PyR = Pp /(BMs 50(Y )),

Где 5о(У) - доля массы нитей основы (или утка), рассчитываемая по формулам, приведенным на с. (37.

Н (даН или кгс), - разрыв­ная нагрузка, приходящаяся на элемент структуры материала (на одну нить основы или утка в ткани, на один петельный ряд пли столбик в трикотаже, на одну строчку прошива нетканых полотен):

Где П - число нитей в пробе ткани, рядов или столбиков в пробе трикотажа, строчек прошива в пробе нетканого полотна, вдоль которых растягивается проба.

При растяжении проб материалов затрачивается определенная работа, которая расходуется на преодоление энергии связей в ма­териале (между волокнами и нитями, между атомами и макромо­лекулами в волокнообразующем полимере). Если на материал дей­ствует нагрузка Р и материал при этом получает удлинение (при­ращение длины) Dl (De ), то значение элементарной работы DR оп­ределяется как произведение нагрузки (силы) на приращение дли­ны (рис. 2.5):

DR = Pdl ,

Где DR - элементарная работа, Дж.

Полная работа, затраченная на разрыв, Rp , Дж

Где г) - коэффициент полноты диаграммы нагрузка-удлинение.

Модуль начальной жесткости достаточно полно характери­зует сопротивление деформированию малорастяжимых материа­лов. Сопротивление легкорастяжимых материалов модуль Е{ харак­теризует ориентировочно. По данным проф. А. И. Коблякова, зна­чения модуля Е] для трикотажных полотен очень малы и составля­ют 1 10~3- 1 Ю"4 мкПа. Причем при испытании полотна по ши­рине величина на 2-8 порядков меньше, чем при испытании по длине.

Установление модуля начальной жесткости Е1 позволяет опи­сать зависимость напряжение -деформация для материала: а = Z^c*. Расчет по этой формуле показателей трикотажных полотен свиде­тельствует о хорошем совпадении их с экспериментальными дан­ными при напряжениях, близких к разрывным. Для начального периода растяжения наблюдаются значительные отклонения рас­четных данных от экспериментальных.

Для легкорастяжимых материалов при расчете модуля на­чальной жесткости А. Н. Соловьев предложил не учитывать началь­ную зону диаграммы (рис. 2.10), так как в этой зоне жесткость материала практически не проявляется. В этом случае начальный модуль жесткости Ez + ь Па, для второй зоны рассчитывают по формуле

Где dp - напряжение при разрыве, Па; ер - удлинение при разры­ве, %; К2 - показатель жесткости, определяющий характер диа­граммы напряжение -удлинение во второй зоне:

112 = S 2 ,

Где б1, - площадь фигуры ACD (см. рис. 2.10); S 2 - площадь фигу­ры AFCD (точка А - начало отхода кривой растяжения от осп абсцисс).

Зависимость напряжение - удлинение для второй зоны диаграммы может быть опи­сана как

0 = EZ +I (Јp -Z )K 2 -

Модуль текущей жесткости е (при г = 0) позволяет оце­нить сопротивление материала деформированию при любой величине удлинения. Модуль /г рассчитывается как первая Е, ск:

Производная от а

Конечную жесткость материала оценивают модулем текущей конечной жесткости Е1К, рассчитанным для момент разрыва пробы материала (при г = 0 и с = ер) по формуле

Е Т , К = ке4-1.

Прочностные свойства материалов. Прочность - важное свой­ство материалов, которое постоянно привлекает к себе внимание ".исследователей и всесторонне изучается. Основная проблема проч­ности - раскрытие механизма разрушения материалов, выясне­ние причин несоответствия (занижения) фактической прочности Материалов теоретическому ее значению.

I Предложено несколько теорий, объясняющих процесс разру­шения тел. Сторонники критического характера разрыва (теории;с|фитического напряжения) - А. Гриффит и его последователи, "{рассматривая прочностные свойства, исходят из предположений о (Том, что любое реальное тело в отличие от идеального не обладает ^Совершенной структурой и содержит значительное количество де­фектов (микротрещин), ослабляющих его. Разрушение наступает Цтогда, когда в результате действия нагрузки перенапряжение у вер - 1ины хотя бы одной из микротрещин достигает величины, соот - етствующей теоретической прочности, определяемой силами меж­атомных связей. При этом микротрещина начинает расти со скоро­стью распространения упругих волн (со скоростью звука) и вызы­вает разрушение материала.

Гипотеза о существовании дефектов (микротрещин) экспери­ментально была подтверждена акад. А. Ф.Иоффе и его сотрудни­ками, которые показали, что напряжение у вершины поверхност­ной микротрещины во много раз превышает значение напряже­ния, определяемого отношением действующей нагрузки к площа­
ди поперечного сечения ослабленной пробы образца. Было уста­новлено, что развитие микротрещин - это результат действия не среднего, а максимального, критического, напряжения. Работы А. Ф.Иоффе и его сотрудников объяснили разницу между теоре­тическим и экспериментальным значениями прочности.

Однако такой чисто механический подход к решению пробле­мы прочности, основанный на предположении о критическом ха­рактере разрыва, не вскрывает сущности явлений, происходящих в нагруженных телах при их разрушении во времени. С позиции этой теории невозможно объяснить разницу в значениях прочнос­ти материала при различных скоростях его деформирования.

Академики А. П.Александров и С. Н.Журков предложили ста­тистическую теорию прочности, согласно которой разрыв матери­ала происходит не одновременно по всей поверхности разруше­ния, а начинается с самого опасного дефектного участка, где пе­ренапряжение достигает величины, близкой к теоретической проч­ности. Затем разрыв наступает на новом опасном участке микро - трещины и т. д. В результате роста трещин материал разрушается.

Таким образом, статистическая теория прочности рассматри­вает разрушение как процесс, протекающий во времени. Основное положение статистической теории прочности состоит в том, что вероятность появления наиболее опасных дефектов значительно меньше, чем менее опасных, и самый опасный дефект, располо­женный на поверхности, определяет прочность материала. Прак­тика испытания материалов подтверждает этот факт. Пробы, име­ющие малые размеры (минимальное поперечное сечение), харак­теризуются повышенной прочностью. С уменьшением размеров проб текстильных материалов их прочность возрастает.

При изучении прочностных свойств было замечено, что про­цесс разрушения материала, имеющий временной характер, зави­сит не только от величины действующей нагрузки, но и от темпе­ратуры испытания, структуры материала.

Фундаментальные исследования в области прочностных свойств, выполненные С. Н.Журковым и его сотрудниками, привели в 1950-х гг. к созданию кинетической теории прочности твердых тел. Согласно этой теории разрушение материалов происходит не столь­ко за счет действующей механической силы, сколько за счет теп­лового движения (флуктуации) структурных элементов (атомов).

Важную роль при межатомных взаимодействиях играет нерав­номерность теплового движения - энергетические флуктуации, которые являются следствием хаотического теплового движения. Отдельные атомы при этом приобретают кинетическую энергию, во много раз большую, чем средняя. В результате превышения энер­гии возрастают и тепловые растягивающие усилия в межатомных связях. Разрыв материала происходит главным образом в результа­те флуктуации тепловой энергии, термического распада межатом - дых связей. Действующее механическое напряжение уменьшает энергетический барьер, активизирует и направляет процесс раз­рушения. Таким образом, механическая прочность материалов со­гласно теории С. Н. Журкова определяется не чисто механической, А кинетической природой, обусловленной тепловыми движения­ми атомов.

С позиции кинетической теории прочности главными фактора­ми, влияющими на прочность материалов, являются абсолютная температура Т, действующее напряжение а и длительность воз­действия напряжения т. Фундаментальной характеристикой проч­ности служит долговечность. Основное уравнение долговечности имеет вид

Т = т0 ехр ---- -.

Параметр т0 не зависит от природы и структуры материала. Его величина составляет 10~12-10"13 с - время длительности одного теплового колебания атомов; UQ - энергия активизации разруше­ния, т. е. энергия связей, которую необходимо преодолеть, чтобы разрушить материал; у - структурно-чувствительный коэффици­ент, сильно зависящий от структуры материала. Коэффициент у характеризует неоднородность напряжений в объеме тела и указы­вает, во сколько раз истинное локальное напряжение, под дей­ствием которого практически происходит разрушение, выше сред­него напряжения; а - постоянное напряжение, действующее в процессе испытания; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура испытания.

Работы Г. Н.Кукина, А. А.Аскадского, Л. П.Косаревой и дру­гих сотрудников МТИ им. А. Н. Косыгина подтвердили возможность применения основных положений кинетической теории прочно­сти для описания разрушения текстильных нитей.

Исследования Б. А.Бузова и Т. М.Резниковой (МТИЛП) пока­зали, что температурно-временная зависимость прочности при­годна и для таких достаточно сложных сетчатых систем, как ткани. Были изучены кратковременная и длительная прочности хлопча­тобумажных и капроновых тканей при одноосном растяжении в широком диапазоне температур. Испытанию подвергались пробы тканей размером 5x50 мм в диапазоне времени (с), составляю­щем пять-шесть порядков. В процессе опытов фиксировалось фак­тическое время разрушения проб. Эксперименты подтвердили воз­можность применения основного уравнения долговечности для опи­сания процесса разрушения ткани, однако с некоторыми измене­ниями. Как известно, ткань является материалом сложного строе­ния, поэтому определение для нее величины а - постоянного Напряжения, действующего в процессе испытания, - представля­ет значительные трудности. Вследствие этого для расчета долго-

Ig т Рис. 2,11. Зависимость долговечно­

Сти ткани арт. 52188 от нагрузки при

Температуре, ° С: / - +60; 2 - +30; 3 - +20; 4 30.

Вечности ткани вместо величи­ны а была использована экви­валентная ей величина - дав­ление, создаваемое постоянной 1 2 3 4 5 6 Л МПа нагрузкой Р и определяемое на

Единицу площади поперечного сечения ткани. За площадь поперечного сечения принималась пло­щадь начального сечения пробы ткани по системе нагружаемых нитей основы (утка). Суммарная площадь поперечного сечения пробы определялась как произведение числа нитей, непосред­ственно участвующих в сопротивлении растяжению, на среднюю площадь поперечного сечения этих нитей. Таким образом, долго­вечность ткани изучалась при постоянной нагрузке, а расчет ее выполнялся по формуле

U 0 ~ YP 1 = Т° еХР RT "

Результаты исследований, представленные на рис. 2.11, свиде­тельствуют о том, что основные закономерности температурно - временнбй зависимости прочности характерны и для таких слож­ных сетчатых систем, как ткани. Полученные значения параметров U 0 п у согласуются со значениями параметров подобных исследо­ваний волокон и нитей;

Параметр Хлопчатобумажная Капроновая

TOC o "1-3" h z Ткань арт. 3/04 ткань

Арт. 52188

U 0 , кДж/моль............................. 145 190

У, м3/кмоль................................ 0,7 2,5

5Н 4 3 2- I - 0- -11- -12-

Прочность тканей. При одноосном растяжении вдоль нитеи основы или утка прочность тканей, характеризуемая разрывной нагрузкой Ррт, зависит прежде всего от прочности и числа не­посредственно воспринимающих нагрузку продольных нитей ис­пытываемой пробы. В ткани нити благодаря взаимному пере­плетению связаны трением в единую систему. Поэтому средняя
разрывная нагрузка на одну нить полоски ткани Рр11т, распо­ложенной в направлении действующей силы, может быть больше разрывной нагрузки для такой же нити Рр, в свободном состо­янии.

Разрывную нагрузку ткани Ррт рассчитывают по формуле

Рр,= Ррп1П = РрмКгП,

Где П - число нитей в сечении полоски ткани; К - коэффициент использования разрывной нагрузки нити в ткани, равный 0,8- 1,2; tj - коэффициент неоднородности нитей по разрывной нагрузке, равный 0,85.

Коэффициент К тем больше, чем чаще связи и больше углы обхвата, определяющие площадь трения взаимно перпендикуляр­ных систем нитей. С ростом длины перекрытий нитей уменьшают­ся число связей и значение коэффициента К. Поэтому полотняное переплетение, имеющее частые связи между нитями, при прочих равных условиях обеспечивает наибольшую прочность ткани.

При повышении числа нитей на 10 см ткани увеличиваются углы обхвата нитей и, следовательно, поверхность трения, возрас­тает связанность элементов ткани, становится больше сила взаим­ного давления нитей основы и утка и степень сцепления волокон в пряже. В результате растут коэффициент Л"и прочность ткани. За пределами оптимального числа нитей на 10 см не только прекра­щается рост прочности, но и вследствие перенапряжения нитей происходит ослабление ткани.

Крученая пряжа, волокна которой достаточно сильно связаны круткой, укрепляется переплетением в ткани меньше, чем слабо скрученная одиночная пряжа.

Неоднородность нитей по разрывной нагрузке снижает проч­ность ткани. Первыми воспринимают нагрузку и разрываются ни­ти, обладающие наименьшим удлинением, после этого нагрузка перераспределяется на оставшиеся нити, в результате чего на каж­дую из них приходится все большее усилие, а разрыв ткани проис­ходит раньше, чем при одновременном разрыве всех нитей.

Учитывая распределение уси­лий, действующих на нити в тка­ни при ее растяжении (рис. 2.12), К. И. Корицкий предложил оп­ределять нагрузку PpjlT по фор­муле

Рр1„ = (Ррн + Р)чсоф,

Где F - нагрузка, обусловлен­ная действием сил трения и Уменьшением длины скольже­ния волокон; р - угол наклона

Рис. 2.13. Диаграмма разрывши: нагрузки /р и удлинения ткани при ее растяжении is различных направлениях (зна­чении Рр и г:р но основе при

Нитей к линии приложения растягивающей силы в момент раз­рыва.

Величина /"зависит от трения нитей, силы нормального давле­ния и прогиба нити; она рассчитывается по формуле

Где р - коэффициент трения нитей; Pp. Msin р - сила нормального давления на одну нить растягиваемой системы; И - величина, пропорциональная прогибу нити.

Таким образом, разрывная нагрузка ткани с учетом параметров ее структуры может быть определена по формуле

Ррт= ЯРр.„(1 + И sin рЛ)г| cos р.

Ткани являются анизотропными телами, поэтому их прочность в различных направлениях неодинакова (рис. 2.13). При приложе­нии усилий растяжения под углом к нитям основы и утка проч ность ткани меньше, чем при приложении усилий в продольном или поперечном направлении. Объясняется это прежде всего тем, что при растяжении проб, вырезанных под углом к нитям основы и утка, обоими зажимами разрывной машины оказывается зажа­той лишь часть нитей пробы. Кроме того, прочность даже этой зажатой части нитей используется не полностью, так как ниш располагаются под некоторым углом к действующей силе.

Удлинение тканей. В направлении основы или утка ткани удли­няются вследствие распрямления и удлинения иитен, расположен­ных вдоль действующей силы. Обычно распрямление нитей требу­ет меньших усилий, чем их растяжение, сопряженное с измене нием наклона спиральных витков крутки, распрямлением и сколь­жением волокон. Поэтому удлинение ткани, особенно в начале ее растяжения, находится в прямой зависимости от числа изгибов ни­ти, приходящихся на единицу ее длины, и глубины H3i ибов. В свою
|чередь, число изгибов нити определяется переплетением и плот­ностью ткани, а глубина изгиба - толщиной нитей перпендику­лярной системы и фазой строения ткани. Поэтому при прочих рав­ных условиях ткани полотняного переплетения имеют наибольшее удлинение. С увеличением плотности удлинение ткани растет до определенного предела, после которого связанность элементов скани делается настолько большой, что способность к растяже - иию уменьшается.

Фаза строения оказывает большое влияние на удлинение тка - ии, особенно в начале нагружения, когда растяжение ткани про­исходит в основном за счет распрямления нитей. Ткани пятой фазы строения могут иметь близкие показатели удлинения и по основе, "И по утку, так как изогнутость их нитей одинакова. Ткани же ос­тальных фаз строения обладают большим удлинением в направле­нии изогнутой системы.

1 Исследования, выполненные в МТИЛПе Б. А.Бузовым и

Д. Алыменковой, показали, что при растяжении пробы дефор­мация ткани имеет сложный характер: она зависит от направления [растяжения относительно нитей основы или утка. Механизм де­формации определяется растяжением и сжатием нитей, их изги­бом в плоскости ткани, изменением угла между нитями основы и утка, образованием на отдельных участках продольных складок.

Сложный характер деформации вызывает неравномерность уд­линения отдельных участков пробы. На рис. 2.14 представлены гра­фики деформации ткани по участкам пробы в зависимости от на - ,правления растяжения (угла <р) и величины полного удлинения пробы (в процентах от разрывного), схематически показан также характер изменения размеров и формы проб.

Для рассмотренных случаев растяжения проб, вырезанных по "основе (ф = 0°) и под углом ф = 15°, <р = фпр, <р = 30° и ф = 45° к, основе, деформация крайних участков проб, примыкающих к за­жимам, значительно больше, чем средних участков. Особенно за­ветна разница в степени деформации участков при растяжении, Проб под углом ф = 15° и ф = фпр (где <рпр - угол растяжения пробы, в которой все нити основы, расположенные в рабочей зоне раз - "рывной машины, закреплены только одним концом: одна поло - дана нитей - в верхнем зажиме, а другая половина - в нижнем [зажиме).

Для проб, вырезанных под углом 45° к основе (<р = 45°), кривые растяжения ткани по участкам расположены почти рядом, что сви­детельствует о более равномерном распределении общего удлине­ния по участкам пробы. Однако на первом этапе растяжения (при­мерно до 20 % удлинения пробы) больше деформируется средний Участок и немного меньше - крайние. При дальнейшем растя­жении крайние участки начинают деформироваться больше, чем средний.

А - ф = 0°; б - ф = ф,|р; в - ф = 45°, г - ф = 15°; Э - ф = 30°

Сложный характер распределения деформаций связан с тем. что нити в пробах по-разному расположены относительно зажи­мов и, следовательно, по-разному воспринимают прикладывае­мую нагрузку. Это наглядно видно на схемах изменения размеров и формы проб (см. рис. 2.14). При растяжении ткани по основе (ф = 0°) зона наибольшего поперечного сокращения располагается в цент­ральной части пробы. При растяжении ткани под углами 15°, фпр и

Наблюдается резкое изменение формы и размеров проб. В пробе ^ф = 15°) появляются две зоны наибольшего поперечного сокраще - дия, которые располагаются ближе к зажимам; в пробах (<р = <рмр, ф = 30°) зоны наибольшего поперечного сокращения смещаются к центральной части пробы, а сами пробы приобретают сложную конфигурацию. В пробе (ф = 45°) максимальное поперечное сокра­щение наблюдается в центральной зоне, а сама проба получает достаточно правильную форму. Выявленные закономерности де­формации ткани по участкам пробы при ее растяжении и измене­Ния формы проб представляют значительный интерес для конст­рукторов и технологов швейного производства.

Прочность и удлинение трикотажа. При расчете ориентировоч­Ных значений разрывной нагрузки трикотажа Ртр учитывают число НИтей п, сопротивляющихся растягивающим усилиям в каждом петельном ряду или столбике, разрывную нагрузку нити Яр, и плотность полотна П - число петельных рядов (77,) или столби­ков (Д.), участвующих в разрыве. Расчет ведут по формуле

Ртр = Рр11пИ

Разрывную нагрузку по горизонтали для трикотажа главных переплетений, в котором /7=1, рассчитывают по формуле

Р = Р П

1 тр 1 " р н"-"п"

В трикотаже производных переплетений в каждом ряду имеют­ся две нити, т. е. п = 2, поэтому расчетная формула принимает вид

Р = 2Р П

1 тр 1 ^ р. II " 1 Г.■

Для трикотажа кулирных переплетений, в котором в каждой петле столбика имеются две ветви, т. е. и = 2. разрывную нагрузку по вертикали определяют по формуле

_ с De ^ = а

V ~ dt " dt Л

При с = const

Dt N

Интегрируя это выражение от 0 до T и от а0 до а, получаем а =

Обозначим-^ = т, тогда а = а0ехр --> где а0 - начальное на-

Рряжение; T - время; т - константа, характеризующая темп ре­лаксации напряжения во времени или время релаксации напряже­ния в пробе материала.

При т = T напряжение а = а0е~", т. е. т - время, за которое на­чальное напряжение а0 уменьшится в е раз. При а = const

Для текстильных материалов, имеющих эластический харак­тер деформации, предложены более сложные механические мо­дели.

!< А. И.Кобляков для изучения механизма ^растяжения трикотажа использовал трех - Компонентную модель Кельвина -Фойгта Црис. 2.29), в которой первый элемент соот­ветствует начальной фазе релаксации, вто­рой - замедленной фазе и третий - фазе с ^Заторможенными процессами. Модель, ис­пользованная А. И. Кобляковым, хорошо |описывает процесс деформирования при на­пряжении в пробе материала, не превыша­ющем 10% разрывного.

В общем виде уравнение деформации для Такой эластической (механической) моде­Ли имеет вид

1 Рис. 2.29. Трехкомпо-

£ = е Т с7!,1)"1- нентная модель Кель-

0 вина-Фойгта

При постоянном напряжении

Где т], т2, т3 (О, От, 03) - среднее время релаксации (запаздыва­ния) соответственно быстропротекающих, замедленных и затор­моженных процессов; аь а2, As - деформации со средним време­нем релаксации ть т2, т3.

После снятия внешних усилий

- L

Г = с, е 0| + с2е + г3е~"", (21)

Где сь е2, £з> - деформации, исчезающие со средним временем запаздывания 9Ь 02, 03.

Для периода отдыха А. И. Кобляков предложил следующий гра­фоаналитический метод расчета параметров уравнений. Уравнение (2.1) записывается в виде

TOC o "1-3" h z Е = £1е-а"" +С2е-^" +Е3е-"1", (2.2)

А, = 1/0,; (2.3)

А, = 1/0.,. (2.5) Первое граничное условие модели при T ~ 0

С = с, + с2 + с3 = е0,

Где с0 - деформация пробы перед разгрузкой, или полная дефор­мация.

Второе граничное условие при T = оо

£я = £, + е2 + с3 = 0.

Последовательность расчета параметров модели по методу А. И. Коблякова следующая.

1. Определяют параметры с3, а3 и 03. Для этого из равенства (2 2) исключают компоненты, характеризующие быстро - и медленно - протекающие процессы:

C„ =E, e-"""+c2e-u--". (2.6)

Тогда релаксационный процесс заторможенной эластической деформации будет описан как

£ = г, е-"-". (2.7)

После логарифмирования этого равенства получают уравнение

Lge = lge3 - a3/lge.

Данное уравнение является уравнением прямой вида V = А + Bt . Где

А = lgfi3; (2.8)

В=-0,4343а3. (2.9)

По значениям lge и T строят график (рис. 2.30, а), на котором отмечают участок прямой MNU совпадающий с наибольшим чис­лом экспериментальных точек. Далее способом наименьших квад­ратов рассчитывают значения А и В:

« ZMZО2- " «Е"ЧМ2 "

Параметры модели г>„ а3, 83 устанавливают, используя равен­ства (2.5, 2.8, 2.9).

2. Определяют параметры с2, а2 и 02. Для этого из равенства (2.2) исключают только компоненты быстрообратимой части де­формации. Тогда

Г-с3е-а-" = С2е-н"". (2.10)

Обозначив г - г^е-0"" = t и прологарифмировав выражение (2.10), Получают уравнение прямой

Lge" = lge2 - (a2lge)/,

JtoiH y2 = С + Dt, 1где

/> = -0,43430,. (2.12)

По значениям lge" и T строят график (рис. 2.30, б), на котором отмечают участок прямой M 2 N ->. Затем рассчитывают параметры С и D.

F = -0,4343a,. (2.14)

По значениям lge" и T строят график (рис. 2.30, в), на котором отмечают отрезок прямой M^N^. Затем рассчитывают параметры 0 и F

«Z "MZ "f " " "Z "MZ "f "

Используя равенства (2.3, 2.13, 2.14,), устанавливают парлмем - ры с, а, и 9,.

Рассмотренный графоаналитический метод расчета процесса деформации трикотажных полотен обеспечивает хорошее совпа­дение расчетных величин с экспериментальными данными.

Применение этого метода Б. А. Бузовым и Д. Г. Петропавловским рыявило возможность использования трехзвенной модели Кельви­на-Фойгта для количественного описания деформации тканей (сак в режиме ползучести, так и в режиме эластического восста­новления. Однако методика расчета параметров моделей потребо­вала уточнения и корректировки. Эксперименты показали, что на начальном этапе, который составляет 0,1-0,15 с, величина де­формации, а также темп замедления ее дальнейшего развития за­висят от уровня нагрузки, вида материала и направления растяже­ния. Однако во всех случаях эксперимента отмечалось, что дефор­мацию ткани на этом этапе составляет преимущественно упругая компонента, развивающаяся в линейной зависимости от времени. Поэтому при определении быстропротекающих процессов пред­ложено вести расчет по двум первым точкам экспериментальной кривой, что существенно уменьшает погрешность вычислений всех параметров модели.

Многоцикловые характеристики. При изготовлении и особенно при эксплуатации одежды материал испытывает многократно повторяющееся растяжение, которое вызывает изменение струк­туры материала и при водит. к ухудшению его свойств. Этот про­цесс сопровождается изменением размеров и формы одежды, об­разованием на отдельных ее участках вздутий (в области локтя, колена и др.).

Изучение поведения текстильного материала при воздействии на него многоциклового растяжения позволяет полнее оценивать pro эксплуатационные и технологические свойства. 1 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.

В начальный период многократного воздействия в соответствии С циклом нагрузка - разгрузка (порядка десятков и сотен цик - Йов) материал деформируется, но его структура, как правило, ста­билизируется. На этой стадии многократного растяжения вначале ртмечается быстрый прирост остаточной циклической деформа­ции. Затем в результате некоторой упорядоченности структуры ма­териала прирост замедленной деформации, пополняющей остаточ­ную часть, практически прекращается, а доля высокоэластической реформации, проявляющейся за время, совпадающее со временем Ьтдыха в каждом цикле, возрастает. Это объясняется тем, что в Начальный период цикла более подвижные и слабые связи наруша­ется, 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.

Дальнейшее увеличение числа циклов многократного растяже­ния, не сопровождающееся ростом нагрузки (деформации) в каж­дом цикле, не вызывает заметного изменения структуры материи ла и его свойств. Дело в том, что материал, претерпев структурные изменения в первый период, в дальнейшем приспосабливается к новым условиям. Внешние и внутренние связи, участвующие и сопротивлении действию нагрузки в каждом цикле, в условиях установившегося режима растяжения проявляются в виде упруюц 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 остаточной циклической деформации материала и его разрушение.

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

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

Долговечность /р - время от начала многоциклового растяже­ния до момента разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле.

Остаточная циклическая деформация е0}