Верификация методики многоцикловых испытаний текстильных материалов

УДК 677.05 : 677.017

ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ МНОГОЦИКЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.Н. Махонь

Разработанный метод циклического комбинированного нагружения (сочетающий деформации многократного растяжения и изгиба) листовых эластичных материалов [1] дает возможность проводить сравнительную оценку текстильных материалов, анализировать работу волокнисто-сетчатой структуры ткани, определять величину циклической формоустойчивости и циклической долговечности, что необходимо при современных методах проектирования изделий, при выборе режимов формования деталей и конфекционировании материалов, при прогнозировании эксплуатационных свойств.

В работах по текстильному материаловедению часто применяется термин «выносливость» в отношении долговечности текстильных материалов при циклических нагружениях. Однако, согласно ГОСТ 23207-78 [2], пределом выносливости служит максимальное по абсолютному значению напряжение цикла (деформация), при которой еще не происходит усталостное разрушение; долговечностью выступает число циклов деформаций, выдержанных объектом до усталостного разрушения. Поэтому одним из исследуемых показателей сопротивления усталости выбран показатель «циклическая долговечность», характеризующий число циклов многократных деформаций, сочетающих изгиб и растяжение, которые образец материала выдерживает до первых признаков разрушения.

Наибольший вклад в развитие теории выносливости текстильных материалов внесли Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев, М.С. Бородовский, М.П. Носов и другие ученые. На фоне обширного материала о выносливости текстильных материалов, изучению взаимосвязи циклических характеристик и строения полотен посвящены немногочисленные работы, основанные на параллельных исследованиях при многократных растяжениях и изгибах. Так, в работах М.И. Павловой,

В.М. Купчиковой, Г.П. Капицы, анализ которых приведен в источнике [3], установлены зависимости выносливости от плотности заполнения и вида переплетений тканей при многократных растяжениях; в работе Н.В. Васильчиковой и А.К. Киселева [4] - при многократном изгибе. Основные выводы, сделанные в этих работах: лучшие показатели устойчивости к циклической деформации тканей достигаются при заполнении по основе и утку 40 - 45 %; ткани производных переплетений имеют более низкую выносливость по сравнению с тканями главных переплетений, особенно с полотняным; предельная нагрузка при многократном изгибе значительно ниже, чем при многократном растяжении; при постоянстве заданной амплитуды циклической нагрузки существует различие в механизме разрушения тканей разной плотности.

В настоящей работе с помощью разработанной методики исследована циклическая долговечность (Щ) тканей при варьировании заданной деформации предварительного растяжения от 0 до 0,15 % от разрывной нагрузки (Рр ) и угле изгиба 300 и 600.

В исследованиях принимали участие льняные ткани поверхностной плотности шх = 130 + 395 г/м . Результаты исследований приведены в таблицах 1 и 2. Циклические испытания продолжались до первых признаков разрушения элементарных проб. Обозначение проб включает их порядковый номер и ориентацию продольного среза пробы относительно одной из систем нитей ткани. Объекты исследования, приведенные в таблицах 1 и 2, подобраны по принципу подобия сырьевого состава (лен 100 %) для установления связи между структурой тканей и циклическими характеристиками в области малых деформаций.

Испытание материалов сопровождалось сложным напряженным состоянием проб, вызванным комбинированным воздействием растяжения и изгиба. Результаты исследований подтверждают вывод о большем вкладе циклического деформирования знакопеременным симметричным изгибом в накопление усталости и увеличение интенсивности снижения долговечности. Так, увеличение заданной амплитуды циклической деформации в диапазоне от 5 до 15 % от величины разрывной нагрузки приводит к снижению N в среднем на 31,4 %. Увеличение интенсивности испытаний с изменением угла изгиба с 30° до 60° приводит к снижению N в среднем на 45,7 %. Можно отметить более интенсивный износ образцов, выкроенных в поперечном направлении, что выражается снижением N по отношению к аналогичным пробам продольного направления.

Таблица 1 - Результаты исследования циклической долговечности льняных тканей при угле изгиба 30°________________________________________________________________

Наименование ткани (М "й § Обозначение элементарных проб Циклическая долговечность, N циклов (• 103), при величине предварительной нагрузки

кн = 0 кн = 0,05 кн = 0,1 %* кн = 0,15 %

Ткань сорочечная 130 1о 47,20 46,17 41,99 9,9 36,04 21,5

1у 38,10 38,09 35,70 6,3 29,06 23,7

Ткань костюмная 240 2о 40,01 39,19 36,81 6,1 31,05 20,8

2у 38,90 37,87 34,90 7,7 28,70 24,2

Ткань костюмная 244 3о 26,60 24,60 22,11 10,2 18,23 25,9

3у 25,0 23,50 20,68 12,0 17,04 27,5

Ткань сорочечная 250 4о 54,90 54,20 49,05 5,1 38,60 28,8

4у 53,40 50,98 46,71 8,4 35,61 30,2

Ткань костюмная 290 5о 50,0 49,06 45,17 7,9 32,80 33,14

5у 36,7 35,03 32,601 6,9 21,45 38,8

Ткань костюмная 395 6о 15,5 14,71 12,40 15,7 8,34 43,3

6у 11,2 9,13 6,86 24,9 3,91 57,2

Среднее значение, % 10,1 31,3

* Приведено уменьшение значений N по отношению к циклической долговечности при кн = 0,05. кн - коэффициент, учитывающий величину предварительного растяжения пробы (°,°5 - °,15).

По принципу подобия сырьевого состава подобрана и вторая группа тканей, сырьевой состав которой включает натуральные и химические волокна в близкой пропорции (хлопок 65 % и ПЭ 35 %), поверхностной плотности шх = 189 + 414 г/м . Результаты эксперимента содержат таблицы 3 и 4.

Результаты исследования циклической долговечности смесовых тканей показывают, что деформация многократного изгиба также играет существенную роль в накоплении усталости, однако химический состав сырья влияет на значения исследуемого показателя. Увеличение величины растягивающей нагрузки в диапазоне от 5 до 15 % от ¥р приводит к снижению N в среднем на 13,7 %. Увеличение интенсивности испытаний с изменением угла изгиба с 30° до 60° приводит к снижению N в среднем на 21,5 %, что значительно ниже, чем в группе льняных тканей.

Таблица 2 - Результаты исследования циклической долговечности льняных тканей при угле изгиба 60°____________________________________________________________________

Наименование ткани 2 "С; §г Обозначение элементарных проб Циклическая долговечность, N циклов (1° ), при величине предварительной нагрузки

кн= 0 кн= 0,05 к н= 0,1 % кн = 0,15 %

Ткань сорочечная 130 1о 44,2 37,99 30,11 20,7 18,18 27,9

1у 36,1 31,06 22,39 27,9 13,60 56,2

Ткань костюмная 240 2о 38,0 34,87 28,04 26,0 18,04 48,3

2у 35,9 32,0 24,04 24,9 15,27 47,8

Ткань костюмная 244 3о 24,9 22,54 17,60 21,9 13,09 41,9

3у 19,22 18,32 15,67 14,5 10,70 44,6

Ткань сорочечная 250 4о 51,9 48,06 41,76 13,1 30,44 36,7

4у 49,65 44,98 34,34 23,7 22,55 49,9

Ткань костюмная 290 5о 42,9 39,42 32,34 18,0 24,35 38,2

5у 34,70 31,09 24,08 22,5 17,09 45,0

Ткань костюмная 395 6о 14,81 12,9 9,95 22,9 6,9 46,5

6у 8,01 6,39 4,08 36,2 1,68 73,7

Среднее значение, % 22,9 46,1

Статистическая обработка результатов усталостных испытаний, осуществленная на основании гипотезы нормального закона распределения, позволила установить, что сырьевой состав оказывает влияние на циклическую долговечность исследуемых тканей, увеличивая количество циклов деформаций до первых признаков разрушения проб из натурального сырья. Так, в группе льняных тканей циклическая долговечность в среднем на 40 % ниже, чем в группе смесовых тканей, в составе которых в среднем 35 % химических волокон.

Наблюдается отсутствие взаимосвязи между шх и ^. Так, в группе льняных тканей самое низкое значение циклической долговечности у пробы 6, имеющей наибольшую из исследуемых тканей поверхностную плотность (395 г/м2); в группе смесовых тканей -низкое значение N у пробы 7, имеющей относительно других меньшую поверхностную плотность (189 г/м ).

Таблица 3 - Результаты исследования циклической долговечности смесовых тканей при угле изгиба 30° ________________________________________________________________

Наименование ткани 2 "С; * Обозначение элементарных проб Циклическая долговечность, N циклов (1° ), при величине предварительной нагрузки

Г N 0 кн = 0,05 кн = 0,1 % кн = 0,15 %

Ткань плащевая «Г рета» 189 7о 80,05 79,14 74,93 5,4 70,04 11,5

7у 74,0 72,7 67,89 6,6 60,11 17,3

Ткань плащевая «Г оризонт» 210 8о 81,06 80,03 76,01 5,0 71,09 11,2

8у 79,5 78,76 73,61 6,5 67,88 13,8

Ткань плащевая 254 9о 83,76 82,17 78,86 4,1 74,83 8,9

9у 81,96 80,72 76,88 6,4 70,91 12,2

Ткань плащевая 259 10о 78,90 77,99 73,24 6,1 67,07 14,0

10у 77,04 74,87 70,51 5,8 61,48 17,9

Ткань плащевая 414 11о 85,4 84,34 80,51 4,5 75,58 10,4

11у 82,9 81,12 77,07 4,9 70,06 13,6

Среднее значение, % 5,5 13,1

Таблица 4 - Результаты исследования циклической долговечности смесовых тканей при угле изгиба 60°_________________________________________________________________

Наименование ткани еч 2 "й $ Обозначение элементарных проб Циклическая долговечность, N циклов (1° ), при величине предварительной нагрузки

к N 0 кн = 0,05 к N 0, 1 % кн = 0,15 %

Ткань плащевая «Г рета» 189 7о 75,12 68,05 56,88 16,4 45,38 33,3

7у 68,43 61,99 49,77 19,7 38,07 38,6

Ткань плащевая «Г оризонт» 210 8о 77,9 71,18 62,02 12,9 51,04 28,3

8у 75,6 70,03 59,11 15,6 47,45 32,2

Ткань плащевая 254 9о 82,06 76,5 68,2 11,1 59,02 22,9

9у 79,96 73,4 64,86 11,6 56,24 23,4

Ткань плащевая 259 10о 70,9 66,12 56,13 15,1 42,64 35,5

10у 69,87 63,91 53,55 16,2 40,18 37,1

Ткань плащевая 414 11о 81,65 77,84 70,05 10,0 61,18 21,4

11у 80,99 75,21 67,56 10,2 59,18 21,3

Среднее значение, % 13,9 29,4

Статистическая обработка результатов усталостных испытаний, осуществленная на основании гипотезы нормального закона распределения, позволила установить, что сырьевой состав оказывает влияние на циклическую долговечность исследуемых тканей, увеличивая количество циклов деформаций до первых признаков разрушения проб из

натурального сырья. Так, в группе льняных тканей циклическая долговечность в среднем на 40 % ниже, чем в группе смесовых тканей, в составе которых в среднем 35 % химических волокон.

Наблюдается отсутствие взаимосвязи между тх и ^. Так, в группе льняных тканей самое низкое значение циклической долговечности у пробы 6, имеющей наибольшую из исследуемых тканей поверхностную плотность (395 г/м ); в группе смесовых тканей -низкое значение N у пробы 7, имеющей относительно других меньшую поверхностную плотность (189 г/м ).

Можно отметить увеличение интенсивности снижения долговечности с увеличением предварительного растяжения кн у всех тканей. Увеличение угла изгиба более ощутимо влияет на протекание процесса накопления усталости, значительно интенсифицируя падение циклической долговечности материалов. Результаты исследования циклической долговечности тканей позволяют сделать вывод о большем вкладе знакопеременного симметричного изгиба в накопление усталости по отношению к растяжению. Так, увеличение заданной амплитуды циклической деформации в диапазоне от 5 до 15 % от разрывной нагрузки приводит к снижению циклической долговечности в группе льняных тканей на 22,2 %, в группе смесовых тканей на 7,8 %; в среднем на 15,0 %. Увеличение интенсивности испытаний с изменением угла изгиба с 30° до 60° приводит к снижению данного показателя в группе льняных тканей на 27,7 %, в группе смесовых тканей на 15,5 %; в среднем на 21,6 %. Установлено, что более интенсивный износ наблюдается у проб, выкроенных в поперечном направлении, что выражается снижением значений циклической долговечности этих проб по отношению к пробам продольного направления той же ткани. Так, у тканей 1, 5, 6, 7, 1° наблюдается значительное различие в накоплении усталости в направлении основы и утка, что сказывается на величине N

Все вышеперечисленное позволило предположить отсутствие значимых различий в физической структуре процесса накопления усталости тканями различного сырьевого состава и строения, для подтверждения чего был проведен дополнительный анализ результатов исследования.

Лабораторные испытания показали, что при циклическом нагружении признаки внешнего износа в меньшей степени наблюдаются у тканей, обладающих равномерностью значений плотности ткани и линейной плотности нитей в продольном и поперечном направлениях. Для установления связи между структурой тканей и показателем циклической долговечности введен коэффициент анизотропии тканей Канз, рассчитываемый по формуле:

П Т

Канз = .. т ,

у у

где По - плотность ткани по основе, количество нитей на 100 мм; Пу - плотность ткани по утку, количество нитей на 100 мм; То - линейная плотность нитей основы, текс; Ту -линейная плотность нитей утка, текс.

Коэффициент анизотропии представляет собой отношение характеристик продольного и поперечного направления ткани, поэтому показатель долговечности точечной пробы N на основании известных рекомендаций [5] рассчитан с помощью среднего геометрического величин N элементарных проб двух направлений. Результаты расчета представлены графически в виде диаграммы рассеивания на рисунке 1 и аналитически в таблице 5.

Таблица 5 - Взаимосвязь циклической долговечности и коэффициента анизотропии тканей

Обозначение элементарных проб М.(*103 ) 1 N.(*103) J Канз

5о 49,06 41,46 1,143

5у 35,03

6о 21,62 14,05 1,556

6у 9,13

4о 54,2 52,57 1,148

4у 50,98

1о 46,17 41,94 1,153

1у 38,09

2о 39,19 38,52 1,167

2у 37,87

3о 24,6 24,04 1,370

Зу 23,5

9о 84,17 82,94 1,087

9у 81,72

11о 84,34 82,71 1,045

11у 81,12

7о 81,14 76,8 1,066

7у 72,7

10о 79,99 77,39 1,014

10у 74,87

8о 80,03 79,76 1,075

8у 79,5

^

' 1 N ♦ ♦'

♦ *

„ -

♦ \

; П 1 ' ♦♦

\ ♦ /

♦

\ ♦\

' ,Ш 1

1 1 1 1 2 1 Ка 3 1 нз 4 1 Б 1

Рисунок 1 - Диаграмма рассеивания значений циклической долговечности и коэффициента анизотропии тканей:

I - хлопок + ПЭ, ткани 7, 9, 10,11; II - лен, ткани 1, 2, 4, 5;

III - лен, ткани 3, 6

Анализ диаграммы позволяет судить о взаимосвязи Канз тканей и циклической долговечности. В группу I на диаграмме входят ткани с Канз = 1,045 + 1,130, то есть со значениями, наиболее близкими к 1. В группу II - ткани с Канз = 1,143 + 1,167; и в группу III со значениями Канз, значительно удаленными от 1. Наличие в тканях химических волокон и нитей, безусловно, повышает значение N однако диаграмма иллюстрирует различие в поведении материалов и в рамках одного сырьевого состава. Так, в группу II и III входят только чистольняные ткани, однако, у ткани 4 при Канз = 1,148 N = 52,5710? циклов, а у ткани 6 при Канз = 1,556N = 14,0510? циклов.

Суждение о существовании корреляции между этими переменными подтверждено проведением корреляционного анализа. Выявлена отрицательная корреляция (с ростом х у уменьшается); коэффициент корреляции г = — 0,83 свидетельствует о значительной степени взаимосвязи переменных.

Критерием оценки Канз выбраны стандартные оценки шкалы желательности [6]

0,8 + 1,0, соответствующие градации качества «отлично». Учитывая тот факт, что значение Канз может быть как меньше, так и больше единицы, критерием оценки данного коэффициента служит диапазон 0,8 + 1,2, характеризующий оптимальное значение данного параметра.

Представляет интерес изучение характера изменения циклической долговечности от величины предварительной нагрузки. Однако непосредственное сравнение N затрудняется различиями в абсолютных значениях данного показателя. Для устранения влияния этих различий на возможность сравнения тканей в работе использован прием перехода к относительным значениям. Сущность его состоит в следующем. Абсолютные значения N, полученные при кн = 0,15 и кн = 0,1, делятся на значение N при тт

значении кн. В результате получаем преобразованный график, в котором значения N при кн = 0,05 будет всегда равно 1. Этот график можно назвать приведенным, так как все ординаты приводятся к первой. Такой график уже не отражает влияние абсолютных значений N , он отражает лишь относительное изменение этого показателя. Это дает возможность сравнивать N различных тканей, учитывая характер изменения этого показателя в зависимости от условий испытаний. Описанный прием позволяет семейство кривых преобразовать в пучок. С другой стороны, использование приведенных кривых дает основание рассматривать все возможные текстильные материалы, полученные одним технологическим способом, как конкретизации одного объекта. Например, все ткани можно рассматривать как конкретизации материала, полученного в процессе ткачества. С таких позиций пучок полученных кривых можно рассматривать как паттерн, то есть узор состояния объекта [7]. Таким образом, совокупность кривых представляет собой набор состояний исследуемых тканей как системы, в которой каждая кривая характеризует элемент этой системы, а пучок (паттерн) характеризует систему в целом.

Пучок приведенных кривых на рисунке 2 наглядно отображает различия в поведении исследуемых тканей в одинаковых режимах испытаний.

N.

Рисунок 2 - Паттерн поведения льняных тканей

Очевидно, что если бы все ткани вели бы себя одинаковым образом, то есть не различались бы по показателю N, то пучок приведенных кривых был бы представлен единственной кривой. Чем больше площадь, занимаемая пучком, тем больше степень различий между динамикой свойств тканей после циклических испытаний.

Проведенные исследования позволили выполнить верификацию методики циклических испытаний тканей, в ходе которой сделаны следующие выводы.

Более высокой деформационной устойчивостью обладают материалы, текстильная структура и механические свойства которых являются сходными в продольном и поперечном направлениях; локализация разрушений происходит, в основном, в поперечном направлении текстильного полотна. Равномерность текстильной структуры предложено оценивать при помощи коэффициента анизотропии Канз.

Выявлено отсутствие значимых различий в процессах накопления усталости в исследуемых тканях. Установлено, что наличие в тканях до 35 % сырья химического происхождения повышает циклическую долговечность в среднем на 40 %.

При помощи паттерн-анализа показана динамика свойств тканей после циклических нагружений. Паттерн (пучок из приведенных кривых) указывает на значительные различия в поведении тканей и участие в этом процессе текстильной структуры. Быстрое разрушение структуры наблюдается у тканей, значение Канз которых не удовлетворяет условию 0,8 < Канз < 1,2.

Список использованных источников

1. Прибор для испытания эластичных материалов и швов : пат. 870 Респ. Беларусь,

МПК А43Б1/00 / А. Н. Буркин, К. С. Матвеев, С. Г. Ковчур,

А. Н. Махонь, О. А. Терентьева ; заявитель Витебск. гос. технол. ун-т. — № и20020265 ; заявл. 17.09.02 ; опубл. 30.02.03 // Афщыйны бюл. / Дзярж. патэнт. кам. Рэсп. Беларусь. — 2003. — № 2. — С. 236.

2. ГОСТ 23207. Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. - Введ. 01.01.79. - Москва : Гос. Комитет СССР по стандартам. -1979. - 48 с.

3. Склянников, В. П. Строение и качество тканей : монография / В. П. Склянников. -Москва : Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 176 с.

4. Васильчикова, Н. В. Проектирование, строение и свойства меланжевых тканей из лавсановискозной пряжи / Н. В. Васильчикова, А. К. Киселев. - Москва : Легпромбытиздат, 1970. - 232 с.

5. Виноградов, Ю. С. Математическая статистика и ее применение в текстильной и швейной промышленности / Ю. С. Виноградов. - Москва : Легкая индустрия, 1970. - С. 76.

6. Исследование непродовольственных товаров : учеб. пособие для студентов вузов / И. М. Лифиц [и др.]. - Москва : Экономика, 1988. - 343 с.

7. Гренандер, У. Лекции по теории образов: Анализ образов : пер. с англ. / У. Гренандер. - Москва : Мир, 1981. - 448 с.

Статья поступила в редакцию 20.02.2013.

Выходные данные

Махонь, А. Н. Верификация методики многоцикловых испытаний текстильных материалов / А. Н. Махонь // Вестник Витебского государственного технологического университета . — 2013. — № 24. — С. 28.