Определение жесткости при изгибе материалов

Цель работы: Изучение методов и приборов для определения показателей жесткости при изгибе образцов текстильных материалов.

Задания:

1. Изучить характеристики жесткости при изгибе материалов, методы и приборы для испытаний.

2. Дать характеристику испытываемым материалам по степени жесткости и рекомендации по их применению.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Деформация материала при изгибе возникает под действием сил, направленных либо перпендикулярно его плоскости (поперечный изгиб), либо навстречу друг другу параллельно плоскости материала (продольный изгиб). Сила, действующая на материал, может быть сосредоточенной на отдельном участке или распространенной по всей плоскости материала.

Жесткость при изгибе – способность материала сопротивляться изменению формы при действии внешней изгибающей силы.

Жесткость при изгибе В выражается произведением модуля продольной упругости Е на момент инерции сечения тела относительно нейтральной оси I:

В=ЕI, (1)

Момент инерции характеризует способность тела сопротивляться изгибу в зависимости от размеров и формы поперечного сечения.

I = bh³ /12, (2)

где b – ширина пробы, h – толщина.

Модуль продольной упругости Е= σ/ε, характеризуя упругие свойства твердых тел, находится в прямолинейной зависимости от напряжения σ и деформации ε. Однако текстильные материалы, деформируясь, не подчиняются закону Гука, а упругие деформации их являются лишь частью полной деформации, соответствующей данному напряжению. Формула, приведенная выше, может быть справедлива лишь для очень малых, кратковременных нагружений текстильных материалов, при которых доля условно-упругой деформации составляет большую часть. Поэтому большинство методов оценки жесткости при изгибе текстильных материалов основано на экспериментальном определении некоторых параметров материала при изгибе, а рассчитываемые значения жесткости имеют условный характер.

Показатели жесткости при изгибе материалов играют важную роль при оценке их качества. В зависимости от значения этих показателей определяют назначение материала, модельные и конструктивные особенности одежды, технологию их изготовления.

При изготовлении одежды (особенно при выполнении швов, подгибании нижних срезов рукавов, брюк, юбок и т.п.) требуется, чтобы материал обладал способностью изгибаться. Однако образование на материале одежды в процессе ее эксплуатации неисчезающих складок, морщин и т. д. приводит к изменению размеров и формы одежды, к ухудшению ее качества.

Приборы, используемые при определении показателей жесткости материалов при изгибе, разделяют на две группы:

- приборы, на которых проба материала изгибается под действием распределяющей силы (силы тяжести свешивающейся части пробы). К этой группе относится прибор ПТ-2 (ГОСТ10550-75), на котором пробу материала испытывают методом консоли;

- приборы, на которых проба материала изгибается под действием сосредоточенной нагрузки.

При испытаниях на приборах этой группы жесткость материала характеризуют усилием, необходимой для прогиба согнутой кольцом пробы материала (прибор ПЖУ-12М, ГОСТ8977-74), или усилием для продольного изгиба плоской полоски (пробы) материала (приборы ПЖШ-2, ГОСТ12.4.090-86).

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Прибор ПТ-2 (рис. 3) предназначен для определения жесткости при изгибе тканей, трикотажных и нетканых полотен, комплексных (дублированных) материалов.

Предварительно готовят по 5 продольных и поперечных пробных полосок размером 160х30 мм каждая. Взвешиванием определяют массу 5 пробных полосок в граммах, отдельно продольных и поперечных, с погрешностью 0.01 г.

Пробу 6 укладывают симметрично по шкале 9 лицевой стороной вверх на опорную горизонтальную площадку 6, совмещая при этом наружный край пробы и площадки. В центре пробу закрепляют грузом 8 шириной 2 см и массой 500 г. средняя часть опорной площадки 6 неподвижна, а ее боковые участки могут плавно и равномерно опускаться с помощью механизма 2, включаемого кнопкой 1. При опускании боковых участков опорной площадки концы пробы концы пробы начинают прогибаться и в какой-то момент отделяются от опускающихся боковых участков.

Рис. 3 Схема прибора ПТ-2

По истечении 1 мин с момента отделения концов пробы от поверхности боковых участков опорной площадки с помощью указателей прогиба линейки 4, перемещающейся винтом 3, по школам 5 измеряют с погрешностью не более 1 мм прогибы концов пробной полоски. За окончательный результат принимают среднее арифметическое 10 определений прогиба пробной полоски с погрешностью на более 0,1 мм.

Жесткость EI, мкН·см², вычисляют отдельно для проб продольного и поперечного направления по формуле:

EI = 42046 m / A,

где m - масса 5 пробных полосок; г,

А - функция относительного прогиба f₀, определяемая по табл. 2.

Таблица 2

f0	A	f0	A	f0	A	f0	A
0.01	0.08	0.26	2.22	0.51	5.28	0.76	13.34
0.02	0.16	0.27	2.32	0.52	5.44	0.77	14.04
0.03	0.24	0.28	2.41	0.53	5.62	0.78	14.79
0.04	0.32	0.29	2.51	0.54	5.79	0.79	15.63
0.05	0.40	0.30	2.60	0.55	5.97	0.80	16.57
0.06	0.48	0.31	2.70	0.56	6.15	-.81	17.65
0.07	0.56	0.32	2.80	0.57	6.34	0.82	18.92
0.08	0.64	0.33	2.90	0.58	6.54	0.83	20.43
0.09	0.72	0.34	3.00	0.59	6.74	0.84	22.26
0.10	0.80	0.35	3.10	0.60	6.96	0.85	24.53
0.11	0.88	0.36	3.21	0.61	7.18	0.86	27.35
0.12	0.96	0.37	3.31	0.62	7.42	0.87	30.92
0.13	1.04	0.38	3.48	0.63	7.66	0.88	35.49
0.14	1.12	0.39	3.54	0.64	7.46	0.89	41.17
0.15	1.21	0.40	3.66	0.65	8.24	0.90	48.46
0.16	1.29	0.41	3.79	0.66	8.56	0.91	57.70
0.17	1.38	0.42	3.92	0.67	8.90	0.92	69.40
0.18	1.47	0.43	4.06	0.68	9.27	0.93	84.14
0.19	1.56	0.44	4.19	0.69	9.66	0.94	102.16
0.20	1.66	0.45	4.34	0.70	10.08	0.95	125.81
0.21	1.75	0.46	4.49	0.71	10.54	0.96	154.60
0.22	1.84	0.47	4.64	0.72	11.08	0.97	190.24
0.23	1.94	0.48	4.79	0.73	11.55	0.98	234.14
0.24	2.03	0.49	4.95	0.74	12.10	0.99	288.00
0.25	2.13	0.50	5.11	0.75	12.70	-	-

Относительный прогиб f₀ вычисляют по формуле:

f₀ = f / l = f / 7, (3)

где f – окончательный прогиб проб;

l – длина свешивающихся концов проб, равная 7 см.

Коэффициент жесткости K_EI материала определяют как отношение величин жесткости в продольном EI _прод и EI _попер поперечном направлениях:

K_EI = EI_прод / EI_попер, (4)

Прибор ПЖУ-12М (рис. 2.2) предназначен для определения жесткости и упругости искусственной и синтетической кожи, пленочных и клеевых материалов, пакетов одежды.

Рис. 4 Схема прибора ПЖУ-12М

Основу прибора составляют техни-ческие весы с коромыслом 12, левая чаша 8 имеет нажимную площад-ку 7 для передачи нагрузки на пробу, закрепленную в виде кольца на съемной площадке 6. Столик 5 подни-мается и опускается с помощью ручки 2 зубчато-реечного маховика. Шкала 4, закрепленная на оси маховика, служит для измерения высо-ты подъема столика с пробой. Зажим 3 предназначен для фиксирования столика 5 в заданном положении.

Из бункера 11 на левую чашу 8 весов с помощью электродвигателя 13 и переключателя 10 ручного управления через трубку-штуцер 9 подаются металлические шарики диаметром 4,00±0,02 или 6,00±0,02 мм и массой 0,26±0,01 и 0,88±0,02 г, соответственно. Шарики из бункера в чашу весов падают с высоты 26 ±2мм; частота падения шариков массой 0,26 г – 40±2 мин^-1. Сигнальные лампы 19 и 20 загораются соответственно при включении прибора в электросеть с помощью тумблера 17 и пуске электродвигателя.

Для определения жесткости материала готовят пробы: вырезают полоски в продольном и поперечном направлении шириной 20±1 мм и длиной (в зависимости от степени жесткости материала) 70±1, 95±1, 160±1мм.

Перед испытанием пробу кондиционируют при нормальных условиях. Затем пробу изгибают в виде кольца лицевой стороной наружу и закрепляют с помощью пластины шириной 10±0,2 мм на съемной площадке 6. При этом проверяют диаметр кольца в вертикальном положении: он должен быть соответственно 22, 30 и 51 мм.

Подвижной контакт 15 устанавливают в положение, соответствующее заданному прогибу пробы (при прогибе на 1/3 диаметра кольца заданный прогиб должен быть соответственно 7, 10, и 17 мм).

Перед началом испытания на левую чашу прибора помещают груз массой 100 мг, необходимый для соприкосновения нажимной площадки с кольцом, и поднимают коромысло вверх, доводят кольцо до соприкосновения с нажимной площадкой и выводят стрелку весов в нулевое положение.

Кнопкой 18 включают электродвигатель подачи шариков и нагружают чашу весов шариками до момента автоматического выключения электродвигателя при соприкосновении стрелки 14 с подвижным контактом 15. Коромысло весов опускают и по электромагнитному счетчику 1 определяют количество шариков в чаше, подсчитывают их общую массу. Жесткость с погрешностью не более 0,1сН рассчитывают умножением количества шариков на массу одного шарика. За показатель жесткости принимают среднее арифметическое результатов испытания трех проб.

На приборе ПЖУ-12М можно определять упругость материала. Для этого при определении жесткости пробу, достигшую заданной деформации (прогиба кольца), выдерживают в течение 30 с под нагрузкой. По шкале 16 отмечают положение стрелки 14, тем самым определяя полную деформацию пробы (кольца). Затем пробу разгружают, столик опускают, одновременно опускают и коромысло весов, ссыпают шарики в бункер. После 30 с отдыха пробы, столик поднимают на прежнюю высоту по шкале 4. На левую чашу весов помещают груз массой 100 мг, необходимый для соприкосновения нажимной площадки с отрелаксированной пробой (кольцом). На шкале деформации отмечают значение деформации (прогиба) пробы после отдыха.

Упругость Y, %, определяют по формуле:

Y = 100 (S₀ - S₁) / S₀, (5)

где S₀ – значение прогиба пробы при определении жесткости, мм;

S₁ – значение прогиба пробы после распрямления, мм.

Показатель жесткости материала при изгибе в продольном и поперечном направлениях оценивают усилием, Р_прод, сН, т.е. массой всех шариков, вызвавших прогиб пробы и рассчитывают по формуле

Р_прод = m·n, (6)

где m – масса одного шарика, г;

n – количество шариков массой m.

Коэффициент жесткости материала, определяемый методом кольца, К_Р, рассчитывают по формуле

К_Р ⁼ Р_прод /Р_попер, (7)

Для оценки анизотропии жесткости текстильных материалов пробу вырезают в форме лепестка (рис. 5).

Испытания проводят методом консоли на приборе ПТ-2.

Рис. 5 Размеры и форма пробы для определения анизотропии жесткости методом консоли в разных направлениях материала

Жесткость EI, мкН·см², вычисляют отдельно для каждого направления и рассчитывают по формуле:

EI = 1009 М_s/A, (8)

где М_s – поверхностная плотность материала; г/м²,

А - функция относительного прогиба f₀, определяемая по табл. 2.

Результаты испытаний на приборе ПТ-2 заносят в табл. 3, на приборе ПЖУ-12 – в табл. 4

Таблица 3

Вид пробы	Масса 5 проб m, г	Прогиб, см	А	Жесткость EI, мкН·см2	Коэффициент жесткости, KEI
					fср	f0
По основе По утку

Таблица 4

Вид пробы направление	Число шариков в чашке	Масса одного шарика, г	Жест-кость, сН	Коэффи-циент жесткости, КР	Прогиб пробы S0, мм	Прогиб пробы после распрямления S1, мм	Упру-гостьY, %
Продольное поперечное

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие основные параметры структуры текстильных материалов влияют на показатели жесткости?

2. В чем состоят основные принципиальные различия приборов, применяемых для определения жесткости материалов?

3. Каков принцип работы приборов ПЖУ-12М и ПТ-2?

4. Каковы показатели жесткости для текстильных материалов различного назначения?

5. Что характеризует жесткость и упругость материалов при изгибе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3