4.2.3. Определение полуцикловых характеристик нитей с записью диаграммы растяжения

Цель работы. Изучение диаграммного прибора, освоение методики за­писи и обработки диаграмм растяжения.

Задание. 1. Изучить устройство диаграммного прибора.

2. Провести испытание нитей на разрыв с записью диаграммы растяже­ния и определить полуцикловые характеристики нитей.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Разрывная нагрузка и удлинение при разрыве дают лишь ко­нечную оценку сопротивления материала растяжению в момент его^ разрушения. Полной характеристикой . деформационных свойств материала при однократном растяжении является диа­грамма растяжения. Современные разрывные машины для ис­пытания волокон, нитей и полотен с электрическими датчиками нагрузки обычно выпускаются с механизмом, позволяющим за­писывать диаграмму растяжения в удобных для работы прямо­угольных осях координат. В тех же осях могут быть записаны диаграммы растяжения нитей и полотей на маятниковых раз­рывных машинах.

Механизм диаграммного прибора маятникового динамометра (рис. 4.10) состоит из двух узлов: движения пера и движения барабанчика с диаграммной бумагой.

Puс. 4.10. Механизм движения пера (а) и барабанчика (б) диаграммного при­бора на маятниковой разрывной машине

Диаграмма записывается на миллиметровой бумаге, закреп­ленной на барабанчике / (см. рис. 4.10,а), пером 2. Перо 2 укреплено на правом конце рычага 7, а левый конец рычага насажен на ось каретки 15, которая может перемещаться по горизонтальным направляющим 16. В середине рычага поса­жен блок 12, ось которого шарнирно соединена с левым концом рычага 6. Правый конец этого рычага шарнирно закреплен на оси 5 кронштейна 3. Блок 12 подвешен на шнуре 13; конец шнура входит в канавку сектора 20, жестко закрепленного на одной оси с маятником 18. Радиус сектора 20 равен радиусу сектора маятника 19, на котором подвешен верхний зажим 14. Другая ветвь шнура 13, огибающая направляющий блок 21, концом закреплена на штанге 8, которая при работе динамо метра перемещается вместе с нижним зажимом 10. При включении разрывной машины нижний зажим, опускаясь на величину Lн, через шнур 13 вызывает смещение блока 12 вверх на величину 0,5L_н. Ниж­ний зажим 10 тянет за собой испытуемую нить 11, а через нее и верхний зажим 14, вы­зывая отклонение маятника по шкале 17. Вместе с маятником поворачивается сектор 20. При этом левая ветвь шнура 13 сбегает с вектора 20 на величину хода верхнего зажима Ь_в. Это приводит к смещению вниз оси блока 12 на величину 0,5/,_в. В результате этих двух воздействий ось блока 12 смещается вверх на величину L_б = 0,5 (L_н — Lв) - При этом перо 2 под­нимется на величину 2Lб = L_т — L_в.

Рис. 4.11. Диаграмма растяжения:

а — диаграмма, записанная па приборе; 6 —диаграмма в осях е — а (цифрами обозначены типичные точки кривой, по которым строится диаграмма)

Деформация нити в каждый данный момент равна разности хода нижнего и верхнего зажимов L_н — L_в. Таким образом, перо 2 поднимается на величину L_н — L_в ,равную деформации нити. Если блок 12 посажен точно в середине рычага 7, длина ры­чага 6 равна половине длины рычага 7, а ось каретки 15 и ось 5 рычага 6 установлены на одной горизонтали, перо будет перемещаться строго вертикально вдоль образующей барабан­чика, регистрируя на бумаге деформацию нити в масштабе 1:1. Несоблюдение названных выше условий, в частности неправиль­ная установка пера, будет искажать запись диаграммы. При горизонтальном положении рычагов 6 и 7 кончик пера должен совпадать с направлением оси 5.

На одной оси с маятником жестко укреплен сектор 22 с пе­ременным радиусом (см. рис. 4.10,6). В верхней части сектора закреплен шнур 23, огибающий сектор. Шнур, пройдя направ­ляющий блок 24, полностью огибает шкив 4 барабанчика 1 и своим концом крепится на нем. Шнур 25, огибающий шкив в обратном направлении, перекинут через направляющий блок 26, а на его конец подвешен груз 27, стремящийся повернуть бара­банчик /.

При отклонении маятника на угол, соответствующий усилию, действующему на нить, сектор 22 поворачивается на такой же угол. При этом шнур 23, сбегая с сектора, дает возможность барабанчику повернуться под действием груза 27. Профиль сектора рассчитан так, чтобы угол поворота барабанчика был пря­мо пропорционален усилию, действующему на нить.

Перо 2 (см. рис. 4.10, а) по окружности вращающегося ба­рабанчика регистрирует усилие, действующее на пробу. Для обеспечения линейности при записи усилия необходима правиль­ная установка сектора 22 (см. рис. 4.10,6) на оси маятника. Так, на машинах, выпускаемых в ГДР, при вертикальном (ис­ходном) положении маятника больший радиус сектора 22 дол­жен быть в горизонтальном положении. В нижней и верхней зо­нах барабанчика линейность несколько нарушается, поэтому запись диаграмм лучше осуществлять в средней части барабан­чика при угле наклона рычага 7 (см. рис. 4.10, а) в пределах ±10° относительно его горизонтального положения. На рис. 4.11 показана диаграмма растяжения, записанная на приборе.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед испытанием выбирают зажимную длину нити (/,₀ = 500 или 200 мм) и груз- предварительной нагрузки; регулятором устанавливают скорость ниж­него зажима, обеспечивающую стандартную продолжительность растяжения образца до разрыва; регистрируют температуру и влажность воздуха в по­мещении.

Необходимо также приготовить лист миллиметровой бумаги, соответ­ствующий размеру барабанчика / (см. рис. 4.10), так, чтобы его нижний край был обрезан строго по линии графления. Этим краем лист должен опираться па реборду барабанчика. Для заправки бумаги барабанчик снимают с конуса, закрепленного на шкиве 4.

Перо наполняют чернилами и проверяют качество записи на бумаге. В момент разрыва прибор останавливают и по шкале определяют разрывную нагрузку Р_р (гс) и удлинение при разрыве P_р (мм).

После этого заподлицо с зажимами срезают бритвой нижний и верхний концы разорванной нити и на торсионных весах определяют ее массу М_н (мг). Затем рассчитывают линейную плотность Т (текс) нити и по результа­там измерения определяют разрывные характеристики нити: разрывную пагрузку, относительное разрывное удлинение ε_р (%), относительную разрывную нагрузку Ро (гс/текс и сН/текс), разрывное напряжение σ_Р (кгс/мм² и МПа 1 кгс/мм²≈9.81Па). Обработку диаграммы растяжения производят следующим образом. От­мстив начало и направление осей, бумагу с записанной на ней диаграммой снимают с барабанчика, проводят оси нагрузки и удлинения. Затем сличают .чбсолютное удлинение при разрыве, снятое по шкале и записанное на диа­грамме. В том случае, если нижний зажим после обрыва нити не остано-| плся, а перо не было отведено от барабанчика, на бумаге (см. рис. 4.11, а) у дет записан прямой отрезок — от точки разрыва А до точки Д, соответ-гнующей останову нижнего зажима. Этот отрезок не входит в диаграмму аг.тяжения. Из точки разрыва А проводят прямые АС и АВ, параллельные сям; штриховкой обозначают рабочую часть диаграмм ОАВ, площадь кото-ой пропорциональна работе разрыва Кр. Далее определяют масштаб записи лгрузки на диаграмме М_р (гс/мм) и масштаб записи деформации М_l.

M_p=P_p/P_p` ; M<sub>l</sub>=l<sub>p</sub>/l<sub>p</sub>`

где Р_р— ордината точки разрыва Л, измеряемая па диаграммной бумаге, мм; l_p - абсцисса точки разрыва А.

Для определения начального модуля жесткости Е_к, равного напряжению, возникающему в материале при деформации его на 1 %-, рассчитывают соот­ветствующую абсолютную деформацию l_н = L₀ 100 (мм). Затем на диаграм­ме находят ординату Р_н `(мм), соответствующую деформации l_н, и рассчи­тывают нагрузку Р_н, необходимую для деформации нити на 1 %:

Р_н= Р_н `M_p

Начальный модуль жесткости Е_н (кгс/мм⁸ и МПа) определяют по формуле

Е_н = Р_нρ • 10³/T,

где ρ — плотность вещества, образующего нить, мг/мм³ или г/см³.

Абсолютную работу разрыва R_Р (кгс-см, Дж) рассчитывают по формуле

R_р=P_pl_рη,

где η — коэффициент полноты диаграммы растяжения.

Коэффициент полноты диаграммы растяжения η определяют как отноше­ние площади рабочей части диаграммы S_OAB к площади всей диаграммы рас­тяжения S_осAB (см. рис. 4.11).

η ⁼ S_ОАВ/S_ОСАВ

или как отношение массы или веса бумаги соответствующих участков диа­граммы

η= M_ОАВ/M_ОСАВ

Площадь рабочей части диаграммы определяют либо подсчетом клеточек миллиметровой бумаги, либо с помощью планиметра [4.8].

Для определения массы или веса бумаги копируют диаграмму на равно-плотную бумагу, вырезают и взвешивают соответствующие участки бумаги.

Удельную работу разрыва г_м (кгс-см/г, Дж/г) определяют как отноше­ние абсолютной работы разрыва к массе рабочей части нити М_я (г)

r_M = Rр/М_п.

Объемную работу разрыва r_v (кгс- см/см³, Дж/см³) рассчитывают как отношение абсолютной работы разрыва к объему вещества рабочей части нити V_н (см³)

r_v= Rр/ V_н

Так как М_н = V_нρ, то r_v = r_мρ, а r_M = r_vρ.

Для построения диаграммы растяжения в осях относительная деформа­ция _е — напряжение 0 на кривой растяжения (см. рис. 4.11,6) отмечают и нумеруют несколько типичных точек, совокупность которых хорошо передает характер кривизны диаграммы. Затем измеряют на диаграмме координаты этих точек l`<sub>j</sub>, Р`_j в миллиметрах u заносят их в таблицу (форма 4.3).

Для каждой точки с учетом масштаба записи диаграммы рассчитывают координаты l_i и Р_i в соответствующих единицах измерения (мм и гс или мм и сН):

l_i=l`_iM_j

Pⁱ=P`_iM_p

Затем также для каждой точки рассчитывают и вносят в форму 4.3 ко­ординаты в осях ε —σ (относительная деформация —напряжение) в соот рстствующих единицах (% и кгс/мм² или % и МПа): ε_i = l_i 100/L₀; σ_i = Р_iρ • 10³/T.

Форма 4.3

Номер типичных точек диаграммы растяжения	Координаты на диаграмм- ной бумаге		Координаты точек в осях			Координаты точек в осях ε —σ
				Pi
	li',	р'i,	li			е/,	1
	мм	мм	мм	ГС	сH	%	кгс/мм2 МПа

1

2

…

A (точка разрыва)

По координатам точек ε_i; σ_i на масштабную бумагу наносят все типич­ные точки и через них проводят плавную кривую (см. рис. 4.11,6), характер кривизны которой должен быть подобен характеру диаграммы, записанной на приборе. Важно правильно выбрать масштаб диаграммы в осях ε —σ, чтобы кривая хорошо передавала особенности свойств материала (соотноше­ние деформации и напряжения при каждом их значении).

Подобным же методом рассчитывают характеристики волокон и текстилях полотен при записи их диаграмм растяжения, хотя эти расчеты имеют некоторые особенности.

По диаграмме ε—σ начальный модуль жесткости может быть определен непосредственно как ордината точки кривой, для которой ε_н = 1 % (см. (тс. 4.11,6). Для более глубокого анализа полуцикловых характеристик рас­тяжения текстильных материалов следует записать не одну, а все или хотя (и,! несколько диаграмм растяжения. В последнем случае желательно распола минимум пятью диаграммами со следующими показателями прочности н удлинения: близкими к средним показателям в выборке; с максимальными н минимальными показателями прочности и удлинения. Эти пять диаграмм 1 лсдует нанести на график в осях ε — Р, l —Р или ε —σ, а затем точками обозначить разрывные координаты всех испытанных проб и выборке. Такой | рафик позволяет анализировать причины дисперсии разрывных характери-' 1пк материала.

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет по работе должен содержать: схему устройства и описание диаграммного прибора; методику испытания и обработку диаграммы растяжения; расчёты показателей разрывных характеристик: разрывной нагрузки, удлинения п|1ц разрыве, работы разрыва, относительной работы разрыва (формулы на с. 115); диаграмму, записанную на приборе в осях l— Р и построенную в осях ε —σ.