Определение характеристик свойств материалов при одноосном растяжении

БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ

Цель работы. Изучение методов и приборов для определения составных частей полной деформации искусственных кож и пленочных материалов.

Задания: 1. Подготовить пробы материалов для испытаний, проведя их маркировку и кондиционирование.

2. Изучить особенности работы на разрывной машине РТ-250М (см. лабораторную работу 4) и методики проведения испытаний по определению показателей, характеризующих свойства материалов при действии усилий, меньших разрывных.

3. Провести испытания материалов и определить показатели свойств.

Основные понятия

При производстве и эксплуатации изделия на его материал крайне редко действуют усилия, равные или больше, чем разрушающие. В реальных условиях на материалы, из которых изготовлены изделия, действуют усилия, которые меньше разрушающих. Ввиду того что материалы обладают вязкоупругими свойствами, в них возникают необратимые деформации даже при действии сил намного меньших разрушающих. Показателями, характеризующими свойства материалов при действии внешних сил Р меньше разрывных Р_р, т.е. при Р< Р_р (σ<σ_р), являются:

пластичность П (%), характеризующая способность материала принимать определенный размер (форму) после действия на материал внешней силы:

П = 100(ɛ_о/ɛ_пол), (5.1)

где ɛ_о = (ɛ_пол - ɛ_ост) - относительная остаточная деформация материала после прекращения действия на пробу материала внешней нагрузки Р (напряжения σ) и «отдыха», %;

ɛ_пол - относительная полная деформация пробы материала при действии заданной нагрузки (напряжения) или деформации;

полная деформацияɛ_пол (%):

ɛ_пол = 100(ℓ₁ - ℓ)/ ℓ = 100(Δℓ _пол / ℓ), (5.2)

где ℓ₁ - длина рабочей части пробы при действии Р(σ); ℓ - длина рабочей части пробы до испытания; Δℓ_пол - абсолютная полная деформация рабочей части пробы материала;

остаточная деформация ɛ₀ (%):

ɛ₀ = 100(ℓ ₂ - ℓ)/ℓ = 100(Δℓ_о/ ℓ),(5.3)

где ℓ₂ - длина рабочей части пробы после действия Р(σ) и «отдыха»; Δℓ_о - абсолютная остаточная деформация рабочей части пробы материала;

упругость У (%), характеризующая способность материала восстанавливать исходные размеры после действия внешней силы (напряжения):

У = 100[(ɛ_пол - ɛ_ост) / ɛ_пол)], (5.4)

или

У= 100 - П; (5.5)

Коэффициент поперечного сокращения μ, характеризующий изменение поперечного размера пробы материала при одноосном растяжении:

μ ⁼ ɛ_поп / ɛ_прод (5.6)

где ɛ_поп - относительная деформация пробы в поперечном направлении:

ɛ_пол = 100(b - b₁)/ b, (5.7)

где b – ширина рабочей части пробы материала до растяжения; b₁ - ширина рабочей части пробы при заданном значении Р; ɛ_прод - относительная деформация рабочей части пробы в продольном направлении при действии заданной силы.

Подготовка к испытанию. На пробах искожи или пленок перед испытанием на двух продольных и двух поперечных пробах проводят в центральной части рабочей зоны линию, перпендикулярную длине пробы, размером b = (40 ±0,1) мм при ширине пробы 50 мм, оставляя по 5 мм с каждой стороны (рис. 5.1 а). Форма пробы (полоски) для картонов прямоугольная, общая длина равна 140 мм, а ширина (50 ±0,5) мм. Перед испытанием на лицевой поверхности вдоль пробы карандашом

Рис. 5.1. Форма, размеры и разметка полоски проводится перпендикулярно рабочей зоны искожи (а) и картона (б)

наносят три тонкие параллельные линии, из которых одна проходит посередине и две другие - на расстоянии 10 мм от нее (рис. 5.1, б).

К этим линиям на расстоянии 20 мм от одного из концов полоски прово-дится перпендикулярная линия, от которой на расстоянии рабочей длины, равной 100 мм, проводится параллельная ей вторая линия. Точки пересечения отмечают тонкой иглой или карандашом. По этим линиям пробы устанавливают в зажимы разрывной машины и опускают нижний зажим со скоростью 60 мм/мин. При достижении требуемой нагрузки, разрывную машину останавливают и образец выдерживают под данной нагрузкой не менее 2 мин.

Затем образец вынимают из зажимов разрывной машины и не раньше чем через 5 мин проводят измерение рабочей длины ℓ₂ по трем продольным линиям.

Для картонов определяют пластическую деформацию, ɛ_п:

ɛ_п = 100(ℓ ₂- ℓ)/ ℓ, (5.8)

Для проб мягких искусственных кож определяют значение усилия Р_у (даН) которое вычисляется, исходя из заданного напряжения и средней величины площади поперечного сечения

Р_у = σ•F_cp.

Если нельзя заранее определить требуемое усилие для деформирования пробы материала, необходимо провести предварительное полуцикловое испытание двух проб по разным направлениям до разрыва.

При проведении испытаний регистрируют значения Δℓ при соответствующих Р. Результаты полуцикловых испытаний заносят в форму 5.1 и по этим данным строят графики растяжения проб материалов. Из графиков для каждой пробы определяют значение

Δℓ_у = Δℓ_пол = 0,75Δℓ_р

в продольном и поперечном направлениях и соответствующее им значение усилия Р_у.

Затем вычисляют среднеарифметическое значение Р_у по каждому направлению. Полученное значение Р_у применяют при деформации оставшихся проб материалов для проведения испытаний.

Размеры рабочей части проб для материалов, направление вырезания, их количество, уровень заданного усилия Р_у или деформации Δℓ_у для испытаний при определении П, У, μ приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Материал	Размер рабочей части, мм	Число проб на материале при направлении	Действующая сила (напряжение) или
	Длина	Ширина	Про- дольном	Попе- речном	деформация
Искусственная кожа: на тканой основе					Δℓпол = Δℓу = =0,75 Δℓр
на нетканой основе					σ = 5 МПа
Картон					Р= 180 даН

Проведение испытаний. Определив экспериментально или рассчитав теоретически величину усилия Р_у или деформации Δℓ_у, приступают к проведению испытаний.

При закрытом арретире разрывной машины устанавливают требуемое расстояние между зажимами. Затем выбирают шкалу для измерения усилия. Для испытания мягких искусственных кож и пленочных материалов выбирают шкалу 0-50 даН, для испытания картонов и резин - шкалу 0-100 даН.

Затем проводят заправку пробы материала в зажимы разрывной машины и открывают арретир. Контрольную стрелку 10 на шкале силоизмерителя (рис. 4.3) выставляют на требуемое значение Р_у и на панели разрывной машины нажимают кнопку «Вниз». В тот момент, когда ведущая стрелка 9 совпадет со значением силы контрольной стрелки 10, нажимают кнопку «Стоп», регистрируют значение абсолютного удлинения, которое равно Δℓ_у = Δℓ_пол, а также штангенциркулем измеряют ширину b₁ пробы в средней части с точностью ±0,1 мм.

Для мягких искусственных кож на нетканой основе и войлока при достижении значения Р = Р_у измеряют ширину b₁ пробы в центральной части и нажимают кнопку «Верх». При остановке нижних зажимов закрывают арретир, вынимают пробу и дают время на отдых: для мягких искусственных кож на нетканой основе - 30 мин; для войлока - 20 мин. После отдыха замеряют длину рабочей части пробы ℓ₂.

Пробы мягких искусственных кож на тканой основе деформируются на величину

Δℓ_у = Δℓ_пол.

При достижении данной величины на шкале измерения абсолютной деформации (рис. 4.3) нажимают кнопку «Стоп», определяют величину отрезка, проведенного в центральной части пробы перпендикулярно продольной оси, затем нажимают кнопку «Вверх». При остановке нижних зажимов пробу вынимают из них и дают время на отдых в течение 30 мин, по истечении которого измеряют длину рабочей части пробы ℓ₂.

Измерение ширины пробы (отрезка b₁) должно быть проведено максимально быстро.

Измерение отрезков b и b₁ на пробах картонов проводят между крайними линиями, нанесенными на лицевой стороне (см. рис. 5.1 б).

По формулам (5.2) и (5.3) вычисляют ɛ_пол и ɛ₀. Подставляя значения ɛ₀ и ɛ_пол вычисляют пластичность, а затем по формуле (5.4) — упругость. Зная ширину проб b и b₁ по формуле (5.7) вычисляют ɛ_пол, по формуле (5.6) — коэффициент поперечного сокращения μ.

Результаты измерений и расчетов заносят в форму 5.1. За конечный результат испытаний по определению П, У и μ принимают среднеарифметическое значение параллельных испытаний по каждому направлению.

Форма 5.1

Мате­ риал

Номер образца

Направление выкраивания образца

Толщина h (мм) образца под номером

h ср, мм

Fср, мм2

Рр, даН

Δℓ, мм

ℓ1, мм

ℓ2, мм

Продольное … Поперечное

Продолжение формы 5.1

b, мм	b1 мм	Рy, даН	Δℓу, мм	Δℓпол, мм	ɛпол, %	ɛo, %	ɛупр, %	ɛ, %	П, %	У, %	μ

Выводы: Оценить соответствие испытываемого материала нормативным требованиям стандартов, и определить области его применения.

Вопросы для самоподготовки

1. Какую форму и размер имеют пробы материалов?

2. При каких условиях проводят испытания мягких искусственных кож и картона для определения полной и остаточной деформации?

3. По каким формулам вычисляются пластичность, упругость и коэффициент поперечного сокращения?

4. Для чего необходимо знать показатель полной и остаточной деформации, пластичность, упругость и коэффициент поперечного сокращения материалов?

Лабораторная работа 6