Исследование упруго–пластических свойств материалов и систем материалов для верха обуви

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ методов оценки упругопластических свойств материалов и систем материалов для верха обуви при растяжении

В процессе производства и эксплуатации обуви материалы заготовки подвергаются механическим воздействиям, значительно меньшим разрывных. Поэтому оценка их упругопластических свойств осуществляется в ходе одноцикловых испытаний, при которых деформирование образцов происходит по циклу "нагрузка-разгрузка-отдых". Одноцикловые испытания позволяют изучить закономерности изменения деформационно-напряженного состояния материалов при действии сравнительно небольших усилий и после их прекращения, что во многом определяет стабильность размеров и формы изделия во времени.

При изготовлении и эксплуатации обуви материалы, входящие в заготовку верха, подвергаются растяжению, сжатию, изгибу, кручению. Однако преобладающим видом воздействия является растяжение [50, с.94]. Поэтому одноцикловые испытания на растяжение являются одними из основных методов оценки технологической и эксплуатационной пригодности материалов. Для реализации данных испытаний в настоящее время существует много различных методов, краткая классификация которых представлена на рисунке 3.1.

В соответствии с обозначенной классификацией, методы испытаний различаются по характеру деформации и её направлению, по режиму деформирования и отдыха (релаксации), по задаваемому и поддерживаемому параметру испытания, способу установления задаваемого и поддерживаемого параметра [63, с.66].



Рисунок 1 - Классификация методов испытаний материалов при одноцикловом растяжении

Среди всех существующих методов испытаний наиболее распространенными и часто используемыми в научных исследованиях являются методы испытания материалов в режимах с кратковременной и смешенной релаксацией. При этом испытания в условиях одноосного растяжения наиболее часто используются на практике для оценки качества обувных материалов. Они позволяют получить широкий круг показателей, всесторонне характеризующих упругопластические свойства материалов. Определение отдельных показателей стандартизировано в ряде отечественных и зарубежных стандартов.

Анализ стандартов стран СНГ, международных стандартов серии ISO и ряда стандартов отдельных зарубежных стран, представленный в таблице 3.1, показал, что различие в структуре и свойствах материалов, применяемых в обувном производстве, обусловило особенности их испытаний на растяжение. Отмечаются существенные различия не только в условиях испытаний, размерах и форме используемых образцов, но и в комплексе определяемых при этом показателей.



Таблица 1 -Методы оценки упругопластических свойств материалов при одноосном растяжении



Отечественными стандартами в настоящее время предусмотрена оценка упругопластических свойств при одноосном растяжении только для натуральных кож и трикотажных полотен. При этом определяемый круг показателей зачастую оказывается недостаточным для объективной характеристики технологических и эксплуатационных свойств материалов.

Что касается искусственных, синтетических кож и большинства текстильных материалов для верха обуви, то оценка их упругопластических свойств отечественными стандартами не регламентируется вообще и предусмотрена лишь в стандартах отдельных зарубежных стран.

Помимо стандартных методов испытаний в научных исследованиях используется также большое число разнообразных методов оценки упругопластических свойств обувных материалов, краткая характеристика которых представлена в таблице 1.

Данные методы отличаются значительным разнообразием условий и параметров испытания образцов, а также их формой и размерами. Испытание материалов чаще всего осуществляется на разрывных машинах. Для характеристики упругопластических свойств материалов помимо стандартных показателей дополнительно используются такие показатели как пластичность, упругость, рассеивание (диссипация) механической энергии [73 - 76], соотношение е_ост/ е_упр, отражающее интенсивность пластических преобразований в материалах под действием нагрузки, и обуславливающее их способность формоваться и приформовываться.

Следует отметить, что большинство рассмотренных методов не нашли широкого применения и используются главным образом в отдельных научных исследованиях в зависимости от поставленных целей.

Как известно, преимущественным видом растяжения, возникающим в деталях верха обуви при её изготовлении и эксплуатации, является двухосное растяжение. В связи с этим испытания материалов в условиях одноосного растяжения не всегда позволяют объективно охарактеризовать действительное поведение материала в сложных условиях его технологической обработки и службы. Это обусловило создание целого ряда методов испытаний обувных материалов, основанных на сообщении образцам двухосного растяжения. Основным отличительным признаком данных методов является принцип приложения деформирующих усилий: в плоскости образца, путем давления на образец мембраны, сферического или плоского тела.

Некоторые из этих методов стандартизированы. Причем, как показал анализ нормативно-технической документации различных стран (таблица 2), зарубежные стандарты предусматривают гораздо более полную оценку упругопластических свойств материалов при двухосном растяжении по сравнению со стандартами стран СНГ.



Таблица 2 -Методы оценки упругопластических свойств материалов при двухосном растяжении



В настоящее время в отечественной промышленности стандартизирован только метод испытания натуральных кож на продавливание сферическим пуансоном на приборе ПОИК. В стандартах зарубежных стран для характеристики упругопластических свойств натуральных и искусственных кож используется метод продавливания эластичной мембраной гидравлическим или пневматическим способом на тензометрах "Балли", сферическим пуансоном. При этом испытания могут осуществляться как в нормальных условиях, так и при повышенной температуре.

Для оценки упругопластических свойств используются показатели: линейное (радиальное) удлинение; плоскостное удлинение образца; остаточное линейное и остаточное плоскостное удлинение; отношение остаточного плоскостного удлинения к общему (таблица 2).

Определение показателей упругопластических свойств при двухосном растяжении для текстильных материалов стандартизировано только для трикотажных полотен для верхних изделий по ГОСТ 28239 - 89.

В ряде научных работ разработаны методы оценки упругопластических свойств материалов, основанные на сообщении образцам двухосного симметричного и несимметричного растяжения на приборах В3018, В 3030 конструкции А. Ю. Зыбина, тензометрах "Балли", ПОИК, куполообразном пластометре, ластометре, отличающиеся от стандартных методов условиями и режимами испытания образцов (таблица 2). При этом для характеристики технологической пригодности материалов дополнительно вводятся такие показатели как: коэффициент формоустойчивости, условная пластичность.

Обувные материалы имеют ярко выраженный релаксационный характер поведения при деформации. В связи с этим существенным недостатком методов испытания в режимах с кратковременной и смешенной релаксацией является то, что оценка упругопластических свойств осуществляется на образцах, не достигших технического равновесия (или состояния, близкого к нему), а, следовательно, носят в определенной степени условный характер. Поэтому в научных исследованиях получили широкое распространение методы испытания материалов с режимом длительной релаксации.

К таким методам относятся испытания на релаксацию напряжений и релаксацию деформации. Применительно к оценке эксплуатационных свойств материалов верха обуви наибольший интерес представляют испытания на релаксацию деформации (ползучесть).

Следует отметить тот факт, что имеется сравнительно мало работ, посвященных изучению релаксации деформации натуральных и искусственных кож. Более глубоко изучалась релаксация деформации текстильных материалов.

Для испытаний на ползучесть при одноосном растяжении применяют приборы и установки УР-2М, релаксометры типа "Стойка", релаксометры Шалова, Бродтмана, Бобета, Р-5, РТ-6, прибор ПР-2 и др. Измерение перемещения (удлинения) пробы материала проводят различными способами с использованием измерительных приборов: линейки, оптического микроскопа, электромеханического датчика перемещения. Регистрация изменяющегося размера пробы может быть осуществлена потенциометром, компьютером и другими приборами.

Для исследования ползучести при двухосном растяжении используются релаксометр Флетчера (для определения составных частей деформации трикотажа при двухосном растяжении в плоскости образца), релаксограф МТИ (ПРД-5 - пульсатор, релаксограф двухосный пятиручейный), разработанный Кобляковым А.И. совместно с А.И. Новиковым, для определения составных частей деформации материалов при двухосном сложном растяжении способом продавливания, автоматизированный комплекс "Relax", разработанный в МГУДТ [122 - 124]. Компоненты деформации устанавливают по величине стрелы прогиба или по изменению площади образца.

Наиболее часто употребляемыми дискретными характеристиками релаксации деформации являются: полная деформация, быстрообратимая (условно-упругая), медленнообратимая (условно-эластическая) и остаточная (условно-пластическая) деформации, доли быстрообратимой, медленнообратимой и остаточной деформации в полной деформации материала.

Как известно, результаты испытаний во многом зависят от выбранных параметров. Однако анализ литературных данных, представленный в таблице 3, показал что, несмотря на это, в настоящее время не установлено единых параметров, при которых необходимо изучать изменение деформационных свойств различных материалов во времени. Различные авторы определяют компоненты деформации материалов при различном времени действия нагрузки и времени отдыха после разгрузки. Отсутствует единство взглядов на величину нагрузки, прилагаемой к образцам, и на их размеры, что приводит к невозможности получения сопоставимой оценки реологических свойств различных материалов, входящих в заготовку верха обуви.

Кроме того, следует отметить, что изучение реологических свойств текстильных материалов наиболее часто осуществляется в условиях одноосного растяжения, что не согласуется с реальным характером работы данных материалов при производстве и эксплуатации обуви и, следовательно, не позволяет получить объективную оценку их технологической пригодности. Практически не изучен характер кинетики релаксационных процессов и реологические свойства систем материалов для верха обуви.

Таблица 3. - Методы исследования релаксации деформации материалов



Таким образом, анализ существующих методов оценки упругопластических свойств материалов показал, что в настоящее время отсутствуют единые подходы к методологии определения упругопластических свойств различных материалов для верха обуви. Используемые методики существенно отличаются по способу и условиям нагружения материалов, размерам и форме используемых образцов, комплексу показателей, используемых для оценки качества исследуемых материалов, что значительно влияет на объективность получаемых результатов и не позволяет получить сравнительную характеристику упругопластических свойств различных по структуре материалов, составляющих заготовку верха обуви.

Кроме того, большинство методов предназначены для исследования упругопластических свойств одиночных материалов, в то время как заготовка верха обуви представляет собой систему разнородных по строению материалов, свойства которой будут значительно отличаться от свойств входящих в неё комплектующих. Все это обуславливает необходимость:

- унификации существующих методов испытаний материалов на основе их экспериментального сопоставления и разработки единых подходов к оценке упругопластических свойств различных по структуре материалов для верха обуви с целью выявления оптимальных методов и получения сопоставимых результатов;

- создания новых научно-обоснованных методов оценки упругопластических свойств материалов и систем материалов для верха обуви;

- снижения размерности признакового пространства и выделения минимального количества наиболее информативных показателей, позволяющих получить наиболее полную и качественную информацию о комплексе упругопластических свойств исследуемых материалов, что позволит существенно упростить и сократить сроки проведения испытаний, а также уменьшить материальные затраты на их выполнение.



2. Обоснование выбора методов испытаний и исследуемых материалов

Как обозначалось выше, для характеристики упругопластических свойств обувных материалов используется большое число различных показателей, методики определения которых существенно отличаются для различных по структуре материалов. Для исследования упругопластических свойств материалов были выбраны методы испытаний и показатели, наиболее часто используемые в научных исследованиях и производстве при оценке качества материалов и определяемые при различных видах деформации.

Наиболее часто упругопластические свойства материалов определяются при одноосном растяжении на динамометрах в режиме со смешенной релаксацией. Этот метод широко используется для оценки качества материалов в процессе их производства и при подборе комплектующих на стадии проектирования обуви.

Так как при производстве и эксплуатации обуви преобладающим видом деформации является двухосное растяжение, то представляет интерес исследование упругопластических свойств обувных материалов при двухосном растяжении сферическим пуансоном. Данный метод наиболее точно имитирует реальные воздействия, испытываемые материалами заготовки в процессе производства обуви.

Для исследования упругопластических свойств натуральных и искусственных кож выбран также метод двухосного растяжения сферическим пуансоном на приборе ПОИК. Это наиболее простой и оперативный метод, не требующий значительных материальных затрат и времени, вследствие чего часто используемый при оценке технологической пригодности материалов.

Учитывая то, что продолжительность процессов формования обуви при производстве и степень сохранности ее формы в процессе носки в значительной степени определяются реологическими свойствами материалов, то для их всесторонней оценки представляет значительный интерес исследование процессов релаксации деформации, протекающих в образцах под действием нагрузки постоянной величины в условиях одноосного и двухосного растяжении.

Для исследования были отобраны натуральные, искусственные и синтетические кожи различных структур, наиболее часто используемые в промышленности для наружных деталей верха обуви, а также различные по строению текстильные материалы для межподкладки и подкладки обуви.

Ряд исследуемых текстильных материалов был разработан в УО "Витебский государственный технологический университет". Характеристика исследуемых материалов представлена в таблице 4

Таблица 4 - Характеристика исследуемых материалов

Наименование материалов	Толщина, мм
Для наружных деталей верха
Яловка	1,3
Полукожник эластичный	1,4
Яловка эластичная NEVROR	1,1
Яловка эластичная Наппа	1,4
Яловка эластичная Nero	1,5
Винилискожа-Т обувная	0,8
Искусственная кожа на тканевой основе "Metlak" с лаковым покрытием	0,9
Искусственная кожа на тканевой основе "CAPRETTO P UNDRUSH"	1,0
Синтетическая кожа на нетканой основе "Неве"	1,0
Синтетическая кожа на нетканой основе марки 2	1,0
Синтетическая кожа на нетканой основе "Syn-baby"	0,8
Синтетическая кожа на нетканой основе "POSITANO NAT BRUSH"	1,0
Для межподкладки
Трикотаж для межподкладки с термоклеевым покрытием (поверхностная плотность 172 г/м2)	0,4
Трикотаж для межподкладки с термоклеевым покрытием (поверхностная плотность 130 г/м2)	0,4
Термобязь	0,3
Нетканый материал "Спанбонд" с термоклеевым покрытием (поверхностная плотность 80 г/м2)	0,25
Для подкладки
Ткань обувная подкладочная	0,2
Трикотаж для подкладки экспериментальный (поверхностная плотность 292 г/м2)	0,6
Трикотаж для подкладки экспериментальный (поверхностная плотность 185 г/м2)	0,4
Ткань экспериментальная подкладочная	0,3
Тик-саржа	0,4

Примечание 1 - Основные характеристики трикотажа для межподкладки обуви (поверх. пл-ть 172 г/м²): переплетение - уток 3 - трико с обвивкой; состав: х/б - 15,4 текс (54 %), п/э - 9,3 текс (46 %); термоклеевое покрытие: сэвилен.

Примечание 2 - Основные характеристики трикотажа для подкладки обуви (поверх. пл-ть 292 г/м²): состав: х/б - 15,4 текс (38,5 %); п/э - 12 текс (61,5 %);термоклеевое покрытие: сэвилен.

Примечание 3 - Основные характеристики трикотажа для подкладки обуви (поверх. пл-ть 185 г/м²): переплетение: уток 6 - трико с обвивкой; состав: х/б - 15,4 текс ( 73 %); п/э - 9,3 текс (27 %).

Примечание 4 - Основные характеристики ткани экспериментальной для подкладки обуви: состав: основа - хлопкоэластичная нить (33 текс), уток - хлопкоэластичная нить (33 текс); переплетение: полотняное; поверхностная плотность 151 г/м².



3. Экспериментальное исследование упругопластических свойств материалов и систем материалов для верха обуви в режимах с кратковременным деформированием и длительным отдыхом

3.1 Разработка автоматизированного комплекса для оценки упругопластических свойств материалов при растяжении

Как отмечалось ранее, показатели упругопластических свойств материалов при растяжении определяются в ходе одноцикловых испытаний при воздействии на образец сил, меньших разрывных. Наиболее часто такие испытания реализуются на разрывных машинах с получением графика зависимости Р=f(Дl). При этом в большинстве случаев, диаграммы растяжения строят либо вручную по показателям, снятым визуально с измерительных шкал машины, либо получают на бумаге с помощью устройств для записи диаграмм растяжения разрывной машины. В обоих случаях неизбежны существенные ошибки измерений и большие затраты времени на получение исходной информации о характере растяжения материалов. Контроль за параметрами испытания (пуск и останов машины, своевременная фиксация величины задаваемой нагрузки и времени нагружения и т.п.) также осуществляется вручную, что может отразиться на величинах определяемых показателей. Кроме того, расчет показателей, характеризующих упругопластические свойства материалов, на основе полученных графиков зависимости Р=f(Дl) сопровождается значительными затратами времени и существенной погрешностью расчетов. С целью получения точной информации о наиболее важных характеристиках упругопластических свойств испытываемых материалов в соавторстве с Горбачиком В. Е., Фурашовой С. Л., Давыдько А. П., Ковалевым А. Л. был разработан измерительный автоматизированный комплекс, позволяющий осуществлять измерение, хранение и обработку исходных данных о механических свойствах материалов [4 - А.]. Автоматизированный комплекс состоит из разрывной машины "Frank" (Германия), персонального компьютера со специальным программным обеспечением, предназначенным для получения оцифрованных данных эксперимента и отдачи команд по проведению эксперимента, а также блока оцифровки данных, который имеет канал двусторонней связи с ПЭВМ, четыре аналоговых канала для оцифровки данных эксперимента и две линии по управлению разрывной машиной (рисунок 2). Разрывная машина "Frank", имеет выходные сигналы по напряжению в пределах 0 -5 В по нагрузке и относительному удлинению, а также входные сигналы для управления перемещением зажима материала.

Рисунок.2 - Структурная схема автоматизированного комплекса

Для управления экспериментом и получения исходных данных используется ПЭВМ, включающая аппаратную часть в виде системного блока, монитора, клавиатуры, "мыши", и программную - специальное программное обеспечение для получения оцифрованных данных эксперимента и отдачи команд по его проведению.

Основным связующим элементом всего комплекса является блок оцифровки данных, который имеет канал двусторонней связи с ПЭВМ - RS232C, а также четыре аналоговых канала для оцифровки данных эксперимента, один 4-х разрядный цифровой и две линии по управлению пуском- реверсом-остановом перемещения зажима разрывной машины. Блок оцифровки данных, настраиваемый с помощью ПЭВМ, может изменять: разрядность получаемых данных, период дискретизации сигналов, количество используемых каналов и возможность синхронизации работы по внешнему строб-сигналу.

Основой "блока АЦП" является микросхема АЦП AD7893-5.

AD7893-5 это высокоскоростной и удобный в работе 12 битный АЦП с временем конвертирования 6 мс. На чипе интегрирован усилитель, часы и высокоскоростной последовательный интерфейс передачи информации. Входной диапазон сигнала, подаваемого на АЦП, составляет от 0 В до +5 В. АЦП имеет низкую потребляемую мощность: 25 мВт. При этом используются интегральный стабилизатор питания на 2,5 В и интегральный коммутатор на четыре аналоговых канала.

Для управления работой блока, возможности накопления информации во внутренней памяти, приема настроек и передачи оцифрованных данных используется микроконтроллер типа MCS51 - AT89C52.

В ходе испытаний материалов на растяжение, усилия, возникающие при деформации образца и соответствующие им значения удлинений регистрируются датчиком разрывной машины каждые 250 микросекунд и преобразуются посредством аналогового устройства в цифровые значения, которые передаются ПЭВМ. Полученный массив данных хранится и обрабатывается при помощи программы, написанной на языке программирования "DELPHI".

Основное диалоговое окно программы представлено на рисунке 3.3.

Рисунок 3 - Диалоговое окно "Режим испытаний"



Программа позволяет осуществлять 5 режимов испытаний: растяжение образцов до разрыва; растяжение до заданной нагрузки + выдержка; растяжение до заданного удлинения + выдержка; растяжение до заданной нагрузки + выдержка + разгрузка; растяжение до заданного удлинения + выдержка + разгрузка (рисунок 3). В зависимости от выбранного режима испытания с клавиатуры вводятся следующие параметры: величина задаваемой нагрузки, Н; заданное удлинение, см; начальная (рабочая) длина образца, см; время выдержки в нагруженном состоянии, сек.

Полученные в ходе эксперимента данные могут отображаться в виде трех зависимостей: нагрузка от времени; удлинение от времени; нагрузка от удлинения, и быть представлены на экране монитора в графическом (рисунок 3) или цифровом виде (рисунок Г.1).

Выполнение всех параметров эксперимента (запуск испытания, останов машины, необходимое время выдержки в нагруженном состоянии, дальнейшее продолжение испытаний) осуществляется в автоматическом режиме.

Блок обработки массива исходных данных (рисунок Г.2) позволяет осуществлять вывод на экран монитора и печать графиков зависимости Р = f(l) по отдельно взятому испытанию и по серии испытаний (рисунок Г.3), а также на основании полученных в ходе эксперимента петель гистерезиса, образованных кривыми растяжения и разгрузки материалов, осуществлять расчет ряда характеристик их упругопластических свойств (рисунок Г.4).

Разработанная программа обеспечивает хранение и быструю обработку большого объема исходной информации о механических свойствах исследуемых материалов, производит расчет показателей упругопластических свойств как по одному отдельно взятому опыту, так и по усредненным значениям серии испытаний.

Автоматизированный комплекс дает возможность полной автоматизации эксперимента, обеспечивает регистрацию значений с большой точностью и позволяет осуществлять расчет большого количества показателей, характеризующих механические свойства исследуемых материалов, что способствует объективной оценке их качества и технологической пригодности.

3.2 Упругопластические свойства материалов для верха обуви при одноосном растяжении

Стандартизированные методы испытаний являются основным критерием при оценке качества материалов.

Как отмечалось ранее, в настоящее время среди комплекса показателей упругопластических свойств для натуральных кож при одноосном растяжении в соответствии с требованиями ГОСТ определяются лишь величины полной и остаточной деформации. Для искусственных и синтетических кож, а также текстильных материалов, в рамках существующих стандартов определяются в основном характеристики механических свойств при разрыве. Упругопластические свойства при этом характеризуются лишь частично, хотя именно эти свойства в ряде случаев непосредственно определяют качество изделий. В связи с этим для оценки упругопластических свойств искусственных кож и текстильных материалов использовались общепринятые в научных исследованиях методики.

Испытания проводились на автоматизированном комплексе при скорости движения верхнего зажима v = 100 ± 10 мм/мин с автоматической записью кривой растяжения материалов Р=f(Дl). В соответствии с рекомендациями ГОСТ образцы выкраивались в двух направлениях: для натуральных кож вдоль и поперек хребтовой линии, для искусственных, синтетических кож, трикотажных и нетканых полотен вдоль (0⁰) и поперек (90⁰) рулона, для тканей - по основе (0⁰) и утку (90⁰). Учитывая значительную анизотропию механических свойств искусственных материалов для верха обуви, для синтетических, искусственных кож и текстильных материалов раскрой образцов осуществлялся также в диагональном направлении (под углом 45⁰).

Для характеристики упругопластических свойств исследуемых материалов использовались показатели полной и остаточной деформации образцов.

Полная и остаточная деформация натуральных кож определялись в соответствии с ГОСТ 938.11 - 69 "Кожа. Метод испытания на растяжение" при напряжении у = 10 МПа, времени выдержки в нагруженном состоянии 10 мин. и времени отдыха - 30 мин. Размеры образцов имели форму двусторонней лопаточки с рабочей зоной 50 ? 10 мм. Замеры величины остаточной деформации производились штангенциркулем с точностью до 0,05 мм.

Расчет величин полной е_полн, %, и остаточной е_ост, %, деформации осуществлялся по формулам:

(3.1)

где l_р- длина рабочей части образца, мм;

Дl_полн - удлинение, соответствующее заданному напряжению, мм.

, (3.2)

где Дl_ост= l_ост - l_р -остаточная деформация рабочей части пробы материала, мм;

l_ост -длина рабочей части образца после снятия нагрузки и отдыха, мм.

Полная и остаточная деформация текстильных материалов определялись при сообщении образцам нагрузки, соответствующей удлинению, равному 75 % от разрушающего. Время выдержки образцов под нагрузкой было принято 5 мин., остаточная деформация определялась через 60 мин после снятия действующей нагрузки. Разрывное удлинение определялось: для тканей в соответствии с ГОСТ 3813-72, размеры рабочей зоны образцов составляли 50?200 мм; для трикотажных полотен - по ГОСТ 8847 - 85, размеры рабочей зоны образцов принимались равными 50?100 мм; для нетканых полотен - в соответствии с ГОСТ 15902.3-79 с рабочей зоной образцов 50?100 мм. Полная и остаточная деформация искусственной кожи на тканевой основе определялись при условиях, аналогичных условиям испытания текстильных материалов. Условия испытания синтетической кожи на нетканой основе соответствовали условиям испытания натуральной кожи, однако напряжение на образцах принималось равным 5 МПа. Размеры образов искусственных и синтетических кож в соответствии с ГОСТ 17316-71 составляли 20?220 мм, с рабочей зоной 20?100 мм. Пластические свойства материалов оценивались показателем пластичности П, %, определяемым по формуле:

(3.3)

где е_ост - относительная остаточная деформация материала, %;

е_полн - относительная полная деформация материала, %.

Наряду с показателями полной, остаточной деформации и пластичности для всех исследуемых материалов определялся коэффициент удлинения материала А, %/Н, являющийся универсальной характеристикой деформационных свойств материалов, а для материалов наружных деталей верха обуви также условный модуль упругости Е_у, МПа.

Коэффициент удлинения численно равен относительной деформации пробы любого вида материала при действии на нее силы Р = 100 Н.

Условный модуль упругости, Е_у, МПа, определялся по формуле:



Е_у = (3.4)

где у_у - условное напряжение, МПа.

В соответствии с ГОСТ условный модуль упругости для кож определялся при напряжении у_у = 10 МПа. Для синтетических кож на нетканой основе условный модуль упругости определялся при напряжении у_у =5МПа, а для искусственных кож на тканевой основе - при деформации образца е_у= 0,75?е_разр .

Погрешность определения упругопластических свойств исследуемых материалов не превышала 5 %.

Данные экспериментальных исследований материалов для наружных деталей верха, полученные в соавторстве с Горбачиком В. Е. [5-А., 6-А., 7-А., 8-А., 9-А.], представлены в таблице 5.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что среди исследованных натуральных кож наиболее высокими значениями полной и остаточной деформации характеризуются эластичные кожи. Условный модуль упругости эластичных кож примерно в 1,5 раза ниже, чем у кож хромового дубления.

Остаточные деформации искусственных кож на тканевой основе колеблются в пределах 1,7 - 5 % и несущественно отличаются для различных видов кож. В группе синтетических материалов на нетканой волокнистой основе наиболее высокими пластическими свойствами характеризуется синтетическая кожа "Неве". Ее пластичность составляет 25 - 30 %, что в 1,3 - 1,7 раз превышает пластичность СК "Syn-baby" и в 2 - 2,5 раза пластичность синтетической кожи марки 2. Наибольшей жесткостью и низкими деформационными свойствами отличается синтетическая кожа "Syn-baby".

Данные таблицы 3.5 показывают, что направление раскроя незначительно влияет на величину упругопластических свойств натуральных кож. Деформационные свойства образцов, выкроенных вдоль и поперек хребта, в большинстве случаев отличаются между собой незначительно.

Для искусственных и синтетических кож характерна резкая анизотропия упругопластических свойств. Синтетические кожи на нетканой основе имеют максимальные значения полного и остаточного удлинений в поперечном направлении, минимальные - в продольном направлении. Полная деформация образцов, выкроенных поперек рулона, в 2 - 9 раз превышает деформацию образцов, выкроенных вдоль рулона.

Для искусственных кож наиболее высокие значения общих и остаточных удлинений отмечаются в диагональном направлении, минимальные - в продольном, что обусловлено наличием в их структуре тканевой основы. Величина остаточной деформации образцов, выкроенных по диагонали в 1,3 - 2,5 раза превышает значение остаточной деформации образцов ИК, выкроенных под углом 00 и 900.

Таблица 5 - Упруго-пластические свойства материалов для наружных деталей верха обуви при стандартных методах испытаний



Что касается показателя пластичности, то его величина для искусственных и синтетических кож незначительно меняется при изменении направления раскроя, и в большинстве случаев выше у образцов, выкроенных вдоль рулона.

Практически для всех исследуемых материалов наиболее высокие значения условного модуля упругости отмечаются у образцов, выкроенных в продольном направлении. Наименьшая жесткость у искусственных кож на тканевой основе проявляется при раскрое по диагонали, у синтетических кож на нетканой основе и большинства натуральных кож - при раскрое поперек рулона или хребтовой линии.

Данные экспериментальных исследований текстильных материалов для верха обуви, полученные в соавторстве с Горбачиком В. Е., Сакович А. П. [9 - А.], представлены в таблице 6.

Анализ экспериментальных данных показывает, что характер упругопластических свойств текстильных материалов определяется их строением и существенно зависит от направления раскроя.

Трикотажные и нетканые полотна обладают лучшими деформационными свойствами, чем ткани. Полная деформация трикотажных полотен более чем в 3 раза превышает значение данного показателя для тканей. Величина остаточной деформации трикотажных и нетканых полотен колеблется в пределах 9 - 77 %, тканей - 3 - 11 % в зависимости от направления раскроя.

Таблица 6 - Упруго-пластические свойства текстильных материалов при стандартных методах испытаний

Наименование материала	Направление раскроя, град	Полная деформация, еполн, %	Остаточная деформация, еост, %	Пластичность, П, %	Коэффициент удлинения А, %/Н
Трикотаж межподкладочный (поверх. пл-ть 172 г/м2)	0 45 90	34,30 61,70 146,80	8,96 20,40 62,10	26,12 33,10 42,30	13,00 67,33 129,00
Трикотаж межподкладочный (поверх. пл-ть 130 г/м2)	0 45 90	32,50 45,67 99,00	9,34 15,93 53,37	28,74 34,88 53,91	17,25 43,33 99,00
Термобязь	0 45 90	10,38 26,10 11,55	3,63 7,45 3,01	34,94 28,55 26,06	5,00 31,75 10,50
Нетканый материал "Спанбонд" (поверх. пл-ть 80 г/м2)	0 45 90	45,00 49,00 68,50	10,28 14,05 21,86	22,84 28,67 31,91	15,40 40,67 78,50
Ткань обувная подкладочная	0 45 90	21,63 38,38 17,67	5,85 19,33 6,50	27,10 50,36 36,70	5,58 23,90 7,15
Трикотаж для подкладки (поверх. пл-ть 292 г/м2)	0 45 90	38,58 49,50 74,50	12,75 15,14 19,00	33,05 30,59 25,54	9,00 36,50 63,00
Трикотаж для подкладки (поверх. пл-ть 185 г/м2)	0 45 90	41,00 53,00 42,00	11,78 19,05 19,02	28,74 35,94 45,29	27,17 41,50 35,60
Ткань экспериментальная подкладочная	0 45 90	19,75 36,75 28,38	5,20 11,09 11,12	26,32 30,18 39,18	8,00 35,50 18,00
Тик-саржа	0 45 90	14,00 28,19 12,34	3,84 8,39 3,62	27,42 29,76 29,34	7,83 24,44 8,00

Для тканей наилучшие деформационные свойства и наиболее высокие значения остаточных деформаций наблюдаются в диагональном направлении. Остаточная деформация образцов, выкроенных в диагональном направлении, для большинства исследуемых тканей превышает остаточную деформацию продольных и поперечных образцов в среднем в 2 раза.

Для трикотажных и нетканых полотен наименьшие значения полной и остаточной деформаций характерны для продольного направления. Общая деформация образцов трикотажных межподкладочных полотен, выкроенных вдоль утка, в 3 - 4 раза превышает деформацию продольных образцов, остаточная деформация при изменении направления раскроя от продольного к поперечному возрастает в 6 - 8 раз. Менее существенно эта разница проявляется у трикотажных подкладочных полотен и нетканого материала.

Пластичность большинства исследуемых тканей колеблется в пределах 23 - 35%, и несущественно изменяется с изменением направления раскроя. Для трикотажных межподкладочных полотен характерна ярко выраженная анизотропия пластичности. Пластичность поперечных образцов более чем в 2 раза превышает пластичность образцов, выкроенных вдоль основы. Менее выражена анизотропия пластичности у трикотажных полотен для подкладки и нетканого материала.

Следует отметить тот факт, что стандартные методы испытаний в большинстве случаев не позволяют получить сопоставимых данных об упругопластических свойствах различных материалов, входящих в заготовку верха обуви, так как предусматривают их испытания в различных условиях.

Величина показателей упругопластических свойств в значительной степени зависит от таких факторов, как величина нагрузки, время нахождения образца в нагруженном состоянии и время отдыха после разгрузки. Существенное влияние на значения показателей оказывает также масштабный фактор. Однако, несмотря на важность обозначенных параметров испытания, в стандартных методах испытаний отсутствует единый подход к их величине, вследствие чего сопоставление упругопластических свойств разнородных по структуре материалов значительно затруднено.

Кроме того, для большинства искусственных, синтетических кож и текстильных материалов величины действующих при испытаниях нагрузок оказываются значительно выше усилий, реально испытываемых данными материалами в процессе производства и эксплуатации обуви, что отражается на объективности оценки их технологических и эксплуатационных свойств. Исследования, проведенные в работе [5 - А.], показали, что для многих современных синтетических кож нормируемая величина напряжения в 0,5 МПа оказывается критической, так как находится в области разрывных нагрузок. В результате этого может отмечаться преждевременное разрушение материалов в процессе испытаний. Отдельные виды синтетических кож вообще не выдерживают обозначенных условий испытаний, вследствие чего оценка их упругопластических свойств в рамках существующих методик не представляется возможной.

Так как в заготовке материалы верха, подкладки и межподкладки работают как единая система и подвергаются одинаковым силовым воздействиям, то целесообразно использовать единый подход к оценке упругопластических свойств различных материалов.

Как известно, наибольшее силовое воздействие заготовка верха обуви испытывает при формовании. В связи с этим, исследование упругопластических свойств всех материалов представляется целесообразным осуществлять при действии нагрузки, равной 50 % от разрушающей, так как примерно такие напряжения испытывают материалы верха при формовании заготовки на колодке в процессе производства обуви. Это позволит создать сопоставимые условия испытаний различных материалов, поскольку каждый из образцов будет получать одинаковую долю напряжения от предельно для него возможного.

Учитывая вышеизложенное, наряду со стандартными методами испытаний, упруго-пластические свойства материалов определялись при величине нагрузки, равной 50 % от разрушающей [5 - А., 6 - А., 7 - А.]. Во избежание влияния масштабного фактора размеры всех образцов принимались равными 200?40 мм, с рабочей длиной - 150 мм, которые рекомендуются в качестве оптимальных для испытания материалов и систем в работе.

С целью выявления оптимальных режимов испытания, в соавторстве с Горбачиком В. Е. в работе [10 - А.] были исследованы упруго-пластические свойства различных по строению материалов и систем при времени действия нагрузки ф_нагр = 0; 5 и 10 минут. Замеры величины остаточной деформации осуществлялись через 0,5; 5; 30; 60; 120 и 1440 минут после снятия действующей силы. По результатам испытания строились графики зависимости е_ост = f (ф) (рисунок 3.4).

В ходе эксперимента было установлено, что увеличение времени выдержки образцов под нагрузкой с 0 до 5 минут приводит к росту остаточной деформации в 1,4-2 раза. Дальнейшее увеличение времени выдержки под нагрузкой оказывает незначительное влияние на рост остаточной деформации.

С увеличением времени отдыха образцов после снятия внешней действующей силы отмечается существенное снижение величины остаточной деформации у всех исследованных материалов и систем (в 1,5 - 3 раза). Наибо- лее интенсивное снижение остаточной деформации отмечается в течение первых 60 минут отдыха образцов, в дальнейшем её величина изменяется незначительно.

Таким образом, для объективной характеристики упругопластических свойств обувных материалов и их систем в качестве оптимальных были рекомендованы следующие режимы испытания: время выдержки образцов в нагруженном состоянии - 5 минут, время отдыха после снятия нагрузки - 60 минут.

Для характеристики упругопластических свойств использовались показатели полной и остаточной деформации, пластичности, коэффициента удлинения и условного модуля упругости, определяемого при нагрузке, равной 0,5 от разрывной.

На основе анализа петель гистерезиса, полученных в ходе растяжения материалов (рисунок 5), определялся ряд дополнительных показателей, характеризующих упруго-пластические свойства материалов:

- нагрузка, возникающая при деформации пробы на заданную величину - Р_0, Н;

Рисунок 5 - График зависимости Р = f (Дl)

- работа, затрачиваемая на растяжение образца материала (соответствующая площади фигуры ОАВ, рисунок 5) - S_р, Дж:

S_р= (3.5)

- работа, высвобожденная исследуемым телом при снятии внешней силы (площадь фигуры САВ) - S₂, Дж:

S₂ = (3.6)

- рассеивание (диссипация) механической энергии в материале - S₁,Дж:



S₁ = - (3.7)

- относительная затраченная энергия Z, %, равная отношению механических потерь к общей энергии цикла:

Z = •100% (3.8)

Данные экспериментальных исследований материалов наружных деталей верха представлены в таблице 7.

Анализ полученных данных показал, что общие тенденции, выявленные при стандартных условиях испытаний, проявляются и при испытаниях материалов в одинаковых условиях.

Наиболее высокими значениями условного модуля упругости и низкой деформационной способностью среди исследованных материалов характеризуются искусственные кожи на тканевой основе. Натуральные и синтетические кожи отличаются более высокими значениями полной и остаточной деформации, чем искусственные кожи, и значительно меньшей жесткостью. Значения показателей упругопластических свойств большинства исследуемых материалов находятся в тех же пределах, что и при стандартных условиях испытаний. Лишь у синтетической кожи "Неве" отмечаются более низкие (в 2 - 2,5 раза) значения показателей полной и остаточной деформации. Пластичность натуральных кож колеблется в пределах 27 - 47%, что в среднем почти в 2 раза превышает пластичность синтетических кож, и более чем в 3 раза пластичность искусственных кож на тканевой основе.

Характер анизотропии упругопластических свойств материалов сохраняется тем же, что и при стандартных условиях испытания.



Таблица 7 - Упруго-пластические свойства материалов для наружных деталей верха обуви при единых условиях испытания

Наиболее высокие значения энергии, затрачиваемой на растяжение образцов до нагрузки 0,5Р_разр, отмечаются у натуральных кож. Работа, совершаемая при деформации натуральных кож, колеблется в пределах 2,3 -8,46 Дж и может существенно изменяться в зависимости от направления раскроя.

Величина данного показателя у искусственных материалов для верха обуви несколько ниже и составляет: для синтетических кож 1,3 - 6,7 Дж, для искусственных кож - 0,9 - 4,5 Дж.

В процессе выдержки образцов под нагрузкой происходит существенное рассеивание механической энергии, что свидетельствует об активно протекающих в материалах процессах перестройки внутренней структуры, в результате которых и возникают остаточные деформации. Диссипация механической энергии натуральных кож колеблется в пределах 2,0 - 7,7 Дж, и значительно превышает величину данного показателя для СК и ИК. В целом, в условиях одноосного растяжения, на процессы механического преобразования структуры материалов, сопровождающегося превращением механической энергии в тепловую, затрачивается 87 - 95% всей энергии цикла.

Данные экспериментальных исследований текстильных материалов приведены в таблице 8.

Анализ полученных результатов показывает, что общие закономерности, выявленные при стандартных условиях испытаний, проявляются также и при единой методике испытаний, и лишь в отдельных случаях наблюдаются существенные отличия, связанные с иными условиями работы материалов.

Как и при стандартных условиях испытаний, наилучшие деформационные свойства тканей проявляются в диагональном направлении. Для трикотажных полотен наиболее низкие деформационные свойства проявляются в продольном направлении и существенно возрастают с изменением направления раскроя в сторону утка. При единых условиях испытаний полная деформация продольных и поперечных образцов тканей, как правило, на 2 - 5 % ниже, чем при стандартных испытаниях, а для образцов, выкроенных под углом 45⁰, наоборот, на 1 - 5 % выше. Для трикотажных межподкладочных полотен отмечается снижение величины полной деформации по сравнению со стандартными условиями испытаний по всем направлениям раскроя на 3 - 16% в зависимости от вида материала.

Существенные различия в значениях показателей упругопластических свойств, полученных по двум методикам, отмечаются у нетканого материала. Величина полной деформации по единой методике в 3 - 5 раза ниже значения данного показателя, полученного при стандартных испытаниях.

Для большинства исследуемых материалов величина остаточной деформации мало отличается от значений, полученных при стандартных условиях испытаний.



Таблица 8 - Упруго-пластические свойства текстильных материалов при единых условиях испытаний

Как правило, отмечается некоторое уменьшение данного показателя для образцов, выкроенных по основе и утку, и увеличение для образцов, выкроенных по диагонали. Для нетканого полотна остаточная деформация колеблется в пределах 1,5 - 4%, что в 4 - 6 раза ниже значения данного показателя, полученного при стандартных условиях испытаний.

Значения пластичности текстильных материалов колеблются примерно в тех же пределах, что и при стандартных условиях испытаний и лишь в отдельных случаях на 3 - 10 % отклоняются в большую или меньшую сторону.

Наиболее высокую способность сопротивляться заданной деформации проявляют ткани. Гораздо ниже величина условной нагрузки у трикотажных полотен для подкладки и межподкладки обуви. Наименее жестким среди исследованных текстильных материалов является нетканый материал. Наиболее высокие усилия возникают при деформации продольных образцов, наименьшие - при деформации образцов, выкроенных по утку и диагонали.

Анализ образованных в ходе растяжения и разгрузки материалов петель гистерезиса показал, что работа, затрачиваемая на деформацию текстильных материалов до нагрузки 0,5 Р_раз, колеблется в пределах 0,5 - 4,5Дж.

Наименьшая её величина отмечается у нетканого полотна и термобязи, что связано с низкой прочностью одного, и малой деформационной способностью другого. Наиболее высокие значения энергии затрачиваются на деформацию трикотажных полотен (2 - 4,5 Дж), что в 2 - 3 раза превышает значение данного показателя у подкладочных тканей.

Величина относительной затраченной текстильными материалами энергии составляет 90 - 97%. При этом у тканей наибольшие затраты энергии в цикле характерны для продольных образцов, а у трикотажных полотен и нетканого материала - в поперечном.

В ходе корреляционного анализа экспериментальных данных (таблица Д.1, Д.2) было выявлено, что между показателями упругопластических свойств материалов, полученных при стандартных и одинаковых условиях испытаниях, существует тесная, значимая связь (коэффициент корреляции колеблется в пределах 0,8 - 0, 95). Это свидетельствует о достаточной информативности обоих методов испытаний и позволяет рекомендовать методику испытания образцов при одинаковых условиях для оценки качества материалов в тех случаях, когда невозможно использовать стандартные методы исследований.

3.3 Упругопластические свойства материалов для верха обуви при двухосном растяжении

упругопластический обувь растяжение автоматизированный

Упругопластические свойства материалов при двухосном растяжении определялись двумя способами: при растяжении сферическим пуансоном на приборе В 3030 и при растяжении сферическим пуансоном на приборе ПОИК.

Исследование упругопластических свойств материалов по первому способу проводилось с использованием автоматизированного комплекса для измерения и обработки результатов испытаний. Образцы с рабочим диаметром 60 мм подвергались двухосному растяжению сферическим пуансоном на приборе В 3030, установленному на разрывной машине "Frank". Испытание проводилось при скорости движения верхнего зажима 100 мм/мин.

Величина относительной деформации образцов в соответствии с методикой принималась равной:

- для натуральных, искусственных и синтетических кож - 20%;

- для тканей и нетканых материалов - 10%.

Образцы трикотажных полотен деформировались на 30%, учитывая их высокие деформационные свойства.

Высота подъема пуансона, соответствующая заданному относительному удлинению, определялась из формулы:

е = (3.9)

где е - относительное удлинение образца по меридиану, %;

h - высота подъема полусферы, мм;

R - радиус полусферы, R=25 мм. [130].

При заданной величине деформации 20% высота подъема полусферы h составляла 15 мм; при величине деформации 10 % - h = 10 мм; при величине деформации 30 % - h = 18 мм.

Время выдержки образцов под нагрузкой принималось равным 5 мин.

В ходе испытания осуществлялась автоматическая запись кривых растяжения и разгрузки образцов и их обработка.

Для характеристики упругопластических свойств материалов при двухосном растяжении использовались показатели остаточной высоты полусферы h_ост, мм, и пластичности П, %.

Учитывая то, что в процессе отдыха образцы не всегда сохраняют форму полусферы, показатель пластичности определялся по формуле:

П = (3.10)

где h - высота полусферы при фиксированном подъеме пуансона, мм;

h_ост - остаточная высота полусферы после прекращения действия нагрузки и отдыха образца, мм.

Замер остаточной высоты полусферы образцов осуществлялся через 60 мин. после снятия нагрузки при помощи электронно-цифрового штангенрейсмаса с точностью до 0,01 мм. Погрешность определения упругопластических свойств исследуемых материалов при двухосном растяжении не превышала 5 %

На основании полученных в ходе испытания кривых растяжения и разгрузки материалов дополнительно определялись следующие показатели: нагрузка, возникающая при деформации пробы на заданную величину деформации - Р_0, Н; работа, затраченная на растяжение образца материала - S_р, Дж; работа, высвобожденная исследуемым телом при снятии внешней силы - S₂, Дж; рассеивание (диссипация) механической энергии в материале S₁, Дж; относительная затраченная энергия Z, %, по формулам (3.5) - (3.8).

Показатели упругопластических свойств исследуемых материалов представлены в таблице 9.

Анализ экспериментальных данных показал, что наиболее высокие значения остаточной высоты полусферы характерны для натуральных кож, наименьшие - для искусственных кож на тканевой основе. Пластичность натуральных кож при двухосном растяжении сферическим пуансоном составляет 44,5 - 60 %, что в 1,5 - 3 раза превышает пластичность искусственных и большинства синтетических кож.

Величина пластичности синтетических кож на нетканой основе колеблется в широких пределах. Так, пластичность СК марки 2 соизмерима с пластичностью искусственных кож на тканевой основе, в то время как пластичность СК "Неве" приближается по величине к пластичности натуральных кож и в 5 раз превышает значение данного показателя у СК марки 2.

Наиболее высокую способность сопротивляться заданной деформации проявляют искусственные кожи на тканевой основе. Работа, совершаемая при деформации искусственных кож, в 1,5 - 5 раз превышает значение данного показателя для натуральных и синтетических кож.

Как следует из данных таблицы 3.9, работа пластической деформации искусственных кож на тканевой основе в 2-3 раза превышает значение данного показателя для натуральных и синтетических кож. Относительная затраченная энергия у натуральных кож составляет 63 - 69%, у искусственных и синтетических кож - 69-78%.

Таблица 9 - Показатели упругопластических свойств материалов при двухосном растяжении на приборе В3030