Содержание к диссертации
Введение
1 Статические и динамические методы исследования 9
1.1 Статические методы исследования 9
1.1.1 Получение диаграммы растяжения 10
1.1.2 Проведение испытаний материалов на ползучесть и релаксацию напряжений 19
1.2 Динамические методы испытаний 24
1.2.1 Высокоскоростное растяжение 24
1.2.2 Периодическое воздействие (вынужденные колебания) 28
1.2.3 Свободные продольные колебания 32
1.3 Структурно-технологическая обусловленность упруго-релаксационных свойств ориентированных полимеров 39
1.4 Цели и задачи исследования 42
2 Аппаратура и методики исследования упруго-релаксационных свойств текстильных материалов 46
2.1 Объекты исследования 46
2.2 Статическое приложение нагрузки - деформирования 50
2.2.1 Аппаратура 50
2.2.2 Анализ характера диаграммы растяжения 53
2.3 Основные результаты главы 2 61
3 «Мгновенное» приложение нагрузки 62
3.1 Конструкция прибора для «мгновенного» приложения нагрузки 62
3.2 Методика проведения испытаний в режиме «мгновенного» приложения нагрузки 74
3.3 Разработка программного обеспечения 90
3.4 Возможности прибора 98
3.4.1 Метод свободных колебаний 98
3.4.3 Релаксация деформации 104
3.5 Сопоставление результатов испытаний 105
3.6 Основные результаты главы 3 108
4 Сопоставление статических и динамических характеристик комплексных нитей на основе гибко- и жесткоцепных полимеров 109
4.1 Статические характеристики комплексных нитей 109
4.2 Динамические характеристики комплексных нитей 113
4.3 Сравнение динамических и статических характеристик комплексных нитей121
4.4 Основные результаты и выводы по главе 4 124
5 Использование секущего и касательного модулей жесткости при исследовании деформационных свойств нитей из жесткоцепных полимеров 126
6 Сравнительный анализ механических характеристик крученых нитей 136
6.1 Статические характеристики крученых нитей 136
6.2 Динамические характеристики крученых нитей 143
6.3 Сравнение динамических и статических характеристик крученых нитей 149
6.4 Основные результаты и выводы по главе 6 151
Основные результаты и выводы 153
список использованных источников 156
Приложение 171
Приложение А 172
Приложение Б 175
Приложение В 176
Приложение Г 178
Приложение Д 179
Приложение Е 182
Приложение Ж 185
Приложение 3 186
Приложение И 187
Приложение К 188
Приложение Л 194
- Проведение испытаний материалов на ползучесть и релаксацию напряжений
- Анализ характера диаграммы растяжения
- Динамические характеристики комплексных нитей
- Динамические характеристики крученых нитей
Введение к работе
Актуальность. Высокопрочные синтетические нити на основе ориентированных полимерных материалов применяются для производства технического текстиля в различных областях науки и техники. В условиях эксплуатации текстильные нити чаще всего подвергаются деформации растяжения.
Существующие методы количественного описания деформационных свойств нитей из полимерных материалов в динамических режимах основываются на использовании механических моделей, при создании которых используют параметры, полученные при статических испытаниях. Такой подход не обладает нужным соответствием с результатами динамических испытаний, и, в связи с этим, необходимо экспериментальное изучение процессов динамического деформирования.
Цель работы – разработка метода и аппаратуры для определения деформационных характеристик технических нитей при динамическом воздействии нагрузки, разработка методики сравнительного анализа деформационных свойств нитей в статическом и динамическом режимах.
Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:
разработка схемы прибора, позволяющего «мгновенно» прикладывать нагрузку к образцу и регистрировать деформацию и напряжение, возникающие в образце на стадии нагружения;
разработка методики определения деформационных характеристик технических нитей при «мгновенном» приложении нагрузки;
выявление характера взаимосвязи деформационных характеристик нитей полученных из полимеров с различной жесткостью полимерной цепи;
отработка методики определения секущего и касательного модулей жесткости;
разработка методов анализа взаимосвязи форм диаграмм растяжения, полученных при статических испытаниях, с зависимостью напряжения от деформации, получаемой по результатам динамических испытаний;
апробация разработанных подходов в применении к анализу деформационных свойств нитей из жесткоцепных полимеров;
применение разработанных методов для анализа влияния параметров структуры швейных ниток на их деформационные характеристики.
Методы и средства исследований. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы.
В теоретических исследованиях применялись методы математического моделирования, программирования, системного анализа и графоаналитической обработки данных.
Экспериментальные измерения нагрузки и деформирования производились с использованием сконструированной соискателем установки, а также при помощи универсального испытательного комплекса ИНСТРОН 1122. Результаты, полученные на установке, проходили обработку на разработанном программном комплексе и в программе Origin 6.1. Результаты статических испытаний, проведенных на комплексе ИНСТРОН, проходили процедуру оцифровывания при помощи графической программы Grafula II v.1.2.
Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с помощью программ Origin 6.1 и Microsoft Excel XP. Обработка результатов экспериментов осуществлялась в программной среде Windows XP. База данных испытаний химических нитей разработана с помощью программы Microsoft Access.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена объективной тарировкой, обоснованным объемом выборок, применением методов математической статистики и критериев, согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в разработке аппаратуры и метода для экспериментального изучения механических характеристик нитей технического назначения при «мгновенном» приложении нагрузки, в создании комплекса программ для определения секущего и касательного модулей жесткости в динамическом режиме деформирования, в создании методики сопоставления полученных данных с результатами статических испытаний и с её помощью возможности оценки смены механизмов деформирования на микро- и макроуровне.
В результате проведенной работы были получены следующие результаты:
создана установка, позволяющая осуществлять «мгновенное» приложение нагрузки и фиксировать напряжение и деформацию образца в процессе приложения нагрузки (деформировании образца);
проведены испытания образцов изготовленных из полимеров с различной жесткостью цепи и макроструктуры в статическом и динамическом режимах деформирования;
выявлен характер взаимосвязи наблюдаемых закономерностей упруго-релаксационного поведения технических нитей в статическом режиме с характером зависимостей динамического растяжения;
разработана методика сравнения зависимостей напряжения от деформации, полученных в различных режимах деформирования;
получена первичная информация о коэффициенте динамичности в диапазоне нагрузок;
разработан программный комплекс позволяющий, производить автоматическую обработку результатов испытания;
сформирована открытая база данных испытаний химических нитей с описанием образцов;
разработана методика «Сравнительная оценка деформационных свойств», для проведения лабораторных работ.
Практическая ценность и реализация результатов работы подтверждается внедрением указанной испытательной установки на ОАО «Советская Звезда» в соответствие с признаками полезной модели (патент на полезную модель №68693, приоритет от 21 мая 2007 г. и патентом на полезную модель№74212, приоритет от 29 декабря 2007 г.), о чем имеются акты об использовании предложений от 3 декабря 2007 г. и от 1 июля 2008 г.
Разработана открытая база данных (свидетельство об официальной регистрации базы данных №2008620258 от 12.05.2008г.) с фотографиями, технологическими параметрами, результатами проведенных испытаний, перечнем регламентирующих документов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях:
международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС – 2006, 2007, 2008), г. Иваново (ИГТА);
всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки – 2006, 2008), г. Санкт-Петербург (СПГУТД);
межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК – 2006, 2007, 2008), г. Иваново (ИГТА);
международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2007), г. Москва (МГТУ им. А.М. Косыгина).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в журнале «Дизайн. Материалы. Технология» (1 статья), «Химические волокна» (1 статья), «Известия вузов. Технология текстильной промышленности» (1 статья), входящих в список изданий, рекомендованных ВАК, 11 тезисах докладов на различных конференциях, 2 патентах на полезную модель и 1 свидетельстве об официальной регистрации базы данных.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, 11 приложений. Работа выполнена на 170 страницах, содержит 76 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников состоит из 150 наименований.
Проведение испытаний материалов на ползучесть и релаксацию напряжений
Несмотря на ценность информации, которая может быть получена из анализа характера диаграмм растяжения, в особенности, если они получены для диапазона скоростей деформирования, температур и других параметров испытаний, их бывает недостаточно, чтобы сделать выводы о поведении материала в условиях переработки и эксплуатации.
Как уже было сказано выше, поведение ориентированных полимеров отличается от поведения таких классических материалов, как сталь, стекло и т.д. Их основным отличием является наличие целого комплекса вязкоупругих свойств, которые проявляются различным образом [32-38]. Так, при приложении постоянной нагрузки, образцы не достигают равновесных значений, а продолжают деформироваться во времени. При деформации же нити на постоянную величину, напряжение, возникающее в первоначальный момент, уменьшается - релаксирует. Ползучесть и релаксация напряжений являются одним из проявления релаксационных явлений. Ползучесть - это процесс изменения длинны образца во времени под действием постоянной нагрузки. Для изучения процесса ползучести строится зависимость удлинения образца, вызванного приложением постоянной нагрузки, от времени.
На этапе приложения нагрузки продолжительность которой относительно мала, деформация в текстильных материалах развивается на различных уровнях.
Это деформации, обусловленные изменением межатомных расстояний и валентных углов, конформационными изменениями макромолекул, разрывом некоторых связей и необратимым изменением положения макромолекул.
После полного приложения нагрузки происходит изменение длины образца во времени. Это изменение для высокоориентированных комплексных нитей происходит за счет изменения конформации макромолекул. Начальную деформацию принято считать условно-упругой, она достигается в момент полного приложения нагрузки. Подобный характер воздействий на текстильные материалы встречается в практике. Например, он наблюдается в нитях основы длительно находящихся под нагрузкой на ткацком станке, в изделиях долго остающихся под действием собственного веса (занавеси) различных технических изделий (канаты, тросы и др.), изделий находящихся под давлением (мембраны, паруса, оболочки, фильтры и др.), длительно испытывающие постоянную нагрузку[1].
Релаксация напряжений во времени происходит во всех текстильных материалах при поддержании в них постоянного значения деформации [1]. Данный способ испытания основан на быстром растяжении образца и длительном поддержании постоянной деформации. В дальнейшем производится измерение напряжения в исследуемом образце с течением времени. Процесс релаксации отражается кривой, которая представляет собой падение внутренних напряжений с течением времени при постоянной деформации образца. Подобное по своему характеру воздействие испытывает нить, намотанная на паковку, зафиксированная в петле или узле, изделия натянутые на болванку, обтягивающая одежда и т. д. [1].
Деформация в полимерных материалах развивается за счет конформационных переходов, обусловленных внутренним вращением звеньев полимерной молекулы и смещением цепных молекул друг относительно друга, при этом химические связи в самой молекуле не разрушаются, поэтому полимерные нити обладают нелинейными вязкоупругими свойствами. В связи с этим, разработка методов количественного описания деформирования необходима как с практической, так и с научной точки зрения. С практической стороны такое рассмотрение требуется для описания поведения материала в условиях эксплуатации. С научной позиции, для анализа экспериментальных данных и получения тех или иных характеристик элементарных актов, по которым делается суждение о механизме процесса деформирования. Важно подчеркнуть, что процесс затухающей во времени ползучести можно представить постепенным срабатыванием различных элементов структуры с различными временами релаксации [1, 5, 7, 21].
Для описания процесса деформирования вязкоупругих тел могут быть использованы механические модели, состоящие из пружин и демпферов, соединенных определенным образом. Пружины моделируют упругий механизм деформирования. Демпферы моделируют более сложное конформационное деформирование. Различное сочетание данных узлов позволяет изменять вклад и время вступления каждого механизма деформирования. Получаемые в результате комбинирования системы описываются при помощи математических уравнений, связывающих напряжение а, деформацию є и их производные по времени. Подробное описание приведенных моделей приведено в работе А. А. Аскадского [32].
Модель для описания процессов релаксации, предложенные В.Г.Тирановым [27], приведены на рис. 1.3. Отличительной особенностью предлагаемой модели является предположение о зависимости вязкости жидкости от напряжения. В данном случае используется понятие о неньютоновской жидкости. Общее представление о неньютоновской жидкости дает кривая Оствальда, которая показывает, что с увеличением напряжения вязкость приближается к определенному значению цж, и что характерным свойством неньютоновской жидкости является понижение вязкости с ростом напряжения сдвига.
Благодаря использованию понятия неньютоновской жидкости, модель позволяет отразить зависимость жесткости от приложенного напряжения. При помощи данной модели производится описание большей части диаграммы растяжения [27, 28, 33]. Приведенные выше модели позволяют достаточно точно описать процессы релаксации.
Испытания, проведенные с комплекной нитью СВМ [36, 37] в режиме релаксации напряжений, позволили определить, что при малых деформациях релаксация напряжений практически отсутствует и акустический модуль упругости не зависит от времени. При напряжениях более 1 ГПа появляется релаксация напряжения, а значение акустического модуля с течением времени возрастало. По мнению С. Л. Баженова и А. К. Рогозинского, это объясняется уменьшением дефектов кристалической структуры полимера. При растяжении происходит удаление и перестроение относительно «мягких» фрагментов полимерных цепей в более «жесткие» [36, 37].
Данные методы незаменимы при изучении вязкоупругих свойств различных материалов. Однако они не позволяют изучить быстро протекающие (динамические) процессы, актуальность изучения которых увеличивается в связи с увеличением скорости процессов переработки и эксплуатации.
Анализ характера диаграммы растяжения
Как правило, на основании диаграммы растяжения, получаемой по методу статического деформирования, осуществляется определение начального модуля жесткости, напряжения, удлинения при разрыве и в некоторых случаях производилось определение работы разрыва. Начальный модуль жесткости определяется по начальному участку диаграммы растяжения при деформациях не более 1%. Применение этого модуля ограничено для растяжений, осуществляемых в течение длительного времени, так как в этом случае доля упругой деформации мала по сравнению с полной деформацией. Прочностные характеристики определяются по точке разрыва. Единственной величиной косвенно учитывающей характер диаграммы растяжения от начального участка до точки разрушения является работа разрыва, но данная характеристика не несет в себе достаточной информации о форме диаграммы растяжения. В то время как формы диаграмм растяжения от начального участка до точки разрыва являются разнообразными, как для гибкоцепных полимеров (см. рис. 2.4), так и для жесткоцепных полимеров (см. рис 2.5.) Именно характер диаграммы растяжения содержит информацию о работоспособности и отклике материала на данную величину деформации, о структурных механизмах деформирования и их смене, происходящей по мере растяжения.
К одной из первых работ, в которой были получены качественные диаграммы растяжения текстильных материалов, следует отнести работу Мередита [11]. Кроме перечисленных выше величин он предложил выделить на диаграмме растяжения шерсти критические точки - предел упругости и предел текучести, по аналогии с анализом диаграмм растяжения металлов.
Характер диаграммы растяжения нитей существенным образом зависит от строения, химической природы и параметров надмолекулярной структуры составляющих их ориентированных полимеров. При этом следует отметить, что параметры структуры могут меняться в процессе растяжения. Может меняться степень ориентации, плотность аморфных областей и механизм деформирования. Существенное влияние на прочностные характеристики (ар, єр) оказывает скорость деформирования.
Как уже отмечалось ранее, в работах В. Г. Тиранова, Е. С. Цобкало, А.Г. Макарова много внимания уделяется S-образному типу диаграмм растяжения (капрон, лавсан, СВМ и др.). Такой тип диаграмм характерен для хорошо ориентированных и высокомодульных комплексных нитей. Предполагается, что увеличение податливости волокна объясняется тем, что под действием возрастающих напряжений происходит увеличение сегментальной подвижности, которое происходит из-за увеличения свободного объёма в аморфных прослойках фибрилл [5, 8].
Дальнейшее деформирование приводит к более ориентированному расположению макромолекул в аморфных прослойках и увеличению эффективной плотности проходных макромолекул, что проявляется в увеличении жесткости волокна. Увеличение жесткости может быть вызвано и уменьшением подвижности сегментов при действии значительной растягивающей нагрузки (механическим стеклованием) [23].
При последующем деформировании происходит увеличение податливости связанное с постепенным разрушением образца, которое происходит за счет разрушения перенапряженных несущих элементов и перераспределения нагрузки между оставшимися.
На основании выше сказанного диаграмму растяжения можно разбить на три участка (см. рис. 2.6), на каждом из которых преобладает тот или иной механизм деформирования.
Выводы об изменении в структуре материала были сделаны на основании анализа диаграммы растяжения и подтверждены результатами ИК-спектроскопии, ЯМР-спектров и дифракцией рентгеновских лучей [31].
Представляет интерес объяснение характера диаграмм растяжения шерстяного волокна на основе двухфазной модели - микрофибрилл и матрицы [111]. Изменение характера формы кривой объясняется за счет перераспределения усилия между фибриллами и матрицей при постепенном переходе а - кератина в р - кератин. Информация о структуре целлюлозных волокон была получена Херлом на основании анализа диаграмм растяжения, на которых выделялось два участка. Первый отождествляется с работой кристаллических участков и аморфной матрицы, жестко связанных межмолекулярными связями, второй с деформацией течения аморфной матрицы после разрушения межмолекулярных связей. Предразрывное состояние характеризуется работой «свободной» матрицы с прошедшей под ориентацией цепи. В случае 100% влажности, когда все связи разрушены, предполагается, что работает «свободная» матрица, начиная с нулевого напряжения.
Таким образом, форма кривой растяжения волокон и нитей содержит информацию о структурных процессах, происходящих на различных этапах растяжения материала. На основании анализа этих зависимостей могут быть созданы достаточно простые и доступные методы, позволяющие выявлять структурные изменения, имеющие место в процессе деформирования материалов [31].
Для сравнительного анализа характера диаграммы растяжения, нами предлагается использовать секущий и касательный модули жесткости. Эти величины не являются постоянными, а меняются на протяжении всей диаграммы растяжения и находятся во взаимосвязи с характером диаграммы растяжения
Данные величины были предложены Томпсоном, о чем говорится в работе Белла [10]. Эти характеристики не нашли широкого применения в свое время и в настоящее. Возможно, это связано с трудностями, возникающими при определении перечисленных характеристик.
Для расчета секущего модуля жесткости необходимо найти отношение напряжения к относительному удлинению для точек графика. На основании полученных значений модуля строится зависимость секущего модуля жесткости от деформации.
Построение зависимости касательного модуля жесткости от деформации более трудоемкий процесс. На основании предложенной формулы и геометрического смысла производной, можно сделать вывод, что касательный модуль жесткости для определенного значения деформации равен тангенсу угла наклона касательной, проведенной к точке графика соответствующей этой деформации. Построение большого числа касательных к различным точкам диаграммы растяжения достаточно субъективный и не обладающий большой точностью метод, поскольку радиус кривизны линии графика постоянно меняется, то правильное построение касательной произвести достаточно сложно.
В настоящее время, благодаря развитию вычислительной техники, перечисленные выше операций можно выполнить при помощи персонального компьютера.
Для расчета секущего модуля жесткости диаграмма растяжения, полученная с графопостроителя, оцифровывается. На основании полученных точек диаграммы производится расчет секущего модуля жесткости как отношение значения ординаты к значению абсциссы. Расчет производится автоматически при внесении значений, полученных после оцифровывания диаграммы растяжения, в программу, разработанную автором на кафедре. Применение вычислительной техники позволяет упростить получение зависимости секущего модуля от относительного удлинения.
Метод расчета касательного модуля жесткости также удается упростить, за счет использования вычислительной техники. Полученная диаграмма растяжения аппроксимируется при помощи полиномиальной зависимости. Выбор полиномиальной функции обоснован тем, что она позволяет достаточно точно описывать графики сложного характера (см. рис. 2.7) Полученное выражение дифференцируется, после чего на основании полученного уравнения с помощью ПК производится построение графика зависимости касательного модуля жесткости от относительного удлинения, которая выводится в нужном масштабе. Вычисления и построения графиков производятся при помощи программ, разработанных автором; описание программ и методик осуществления расчетов приведено ниже. Пример графиков секущего и касательного модулей жесткости, построенных на основании диаграммы растяжения, приведен на рис.2.8.
На основании приведенной иллюстрации можно предположить возможную смену механизмов деформирования при растяжении на основании полученных зависимостей. На первом участке до 2,5% значения касательного модуля уменьшаются, что может быть связано с ускорением конформационных перестроек макромолекул под действием возникающих напряжений. Это ускорение можно объяснить увеличением объема аморфных областей и таким образом уменьшение плотности аморфных прослоек. Приложенная сила оказывает активирующее действие на релаксационные процессы (уменьшает времена релаксации и запаздывания).
Динамические характеристики комплексных нитей
Испытания проводились на установке для «мгновенного» приложения нагрузки. Описание установки и методики проведения испытаний приведено выше. Для проведения испытаний использовались комплексные нити, торговых марок капрон, лавсан, армос. Данные материалы были выбраны с целью сравнительной оценки влияния химической структуры материала на его свойства при динамическом режиме деформирования.
Для построения диаграммы растяжения, согласно методике, был проведен ряд испытаний. Нагрузки, прикладываемые к образцам материалов, выбирались в зависимости от усилия разрыва для этого материала. Информация, полученная с осциллографа, обрабатывалась при помощи программ, составленных автором на кафедре.
Согласно методике обработки результатов испытаний, фиксировались максимальные значения напряжения и удлинения, представленные в таблицах 4.2-4.4. Используя полученные значения, для каждого материала строили зависимость напряжения от деформации при «мгновенном» приложении нагрузки. Полученные таким образом диаграммы приведены на рис. 4.5-4.7.
Для анализа характера зависимостей напряжения от удлинения использовались зависимости секущего и касательного модулей жесткости, также как и при обработке статических диаграмм растяжения. Данный подход позволяет косвенно оценить изменение параметров структуры по мере растяжения и сравнить их с прямыми структурными методами.
На основании полученных данных производился расчет секущего и касательного модулей жесткости. По рассчитанным точкам, в координатах Есек от є, строили зависимость изменения секущего модуля жесткости от относительного удлинения. Графики приведены на рис. 4.5-4.7.
Зависимость касательного модуля жесткости рассчитывалось аналогично пункту 4.1. При помощи программы Origin 6.1 производился подбор функции описывающей полученную зависимость между напряжением и деформацией. Для описания диаграмм растяжения использовалась полиномиальная функция, полученное уравнение дифференцировалось. Подставляя значения деформации для каждой точки в полученное выражение, находили значения касательного модуля жесткости. По найденным значениям, приведенным в таблицах 4.2-4.4, строилась зависимость между касательным модулем жесткости и деформацией в координатах Екас от є. Графики приведены на рис. 4.5-4.7.
Анализируя диаграммы колебательных процессов, можно заметить, что пик напряжения опережает пик по деформации, несмотря на то, что в начальный момент именно деформация вызывает реакцию в образце, которая в последствии фиксируется при помощи тензодатчика. Отставание деформации во времени от напряжения вызвано реализацией релаксационных механизмов деформирования [147]. Это рассогласование присутствует при любом методе испытании материалов, обладающих релаксационными свойствами. Так, при получении диаграммы растяжения стараются сократить время проведения эксперимента, либо сделать его постоянным для всех образцов серии испытаний [148], чтобы уменьшить влияние релаксационных вкладов. В случае использования результатов полученных из диаграммы растяжения, данным временным фактором пренебрегают, вследствие его малости. При «мгновенном» приложении нагрузки рассогласование составляет не более 0,02 с. Так как при данных испытаниях вызывали интерес в первую очередь прочностные параметры, а именно максимальное напряжение и деформация, сочлось целесообразным пренебречь данным фактором в проведенных испытаниях [97].
Диаграммы растяжения при «мгновенном» приложении нагрузки, построенные по первым точкам для комплексных нитей капрон и лавсан, а также построенные, на их основе зависимости секущего и касательного модулей жесткости, позволяют разделить процесс деформирования на несколько участков, в каждом из которых преобладает один из механизмов деформирования.
Анализ зависимостей напряжения от деформации, полученных в динамическом режиме деформирования для комплексной нити армос, позволил выявить только один участок. На нем происходит незначительное увеличение секущего и касательного модуля жесткости, и как будет показано ниже, развитие деформации связано с незначительным изменением распрямленности отдельных макромолекул и изменением межатомных расстояний и валентных углов, не связанных с фактором времени.
Аналогичные зависимости, полученные для комплексной нити армос, позволяют выделить только один участок соответствующий упругому взаимодействию, хотя огромное количество высокопрочных нитей имеют нелинейное очертание. За счет сильных межатомных связей макромолекулы при «мгновенном» приложении нагрузки не ориентируются, а сразу обрываются [149].
Из диаграмм растяжения при «мгновенном» приложении нагрузки были определены разрывные характеристики, представленные в таблице 4.5. При увеличении прилагаемой нагрузки в величине общей деформации соотношение вкладов от различных механизмов деформирования изменяется, что хорошо просматривается на зависимости напряжения от деформации и на изменении скорости процесса деформирования.
На основании анализа колебательных процессов рассчитывался логарифмический декремент затухания. Расчет производился по колебаниям напряжения во времени. Полученные значения согласуются с представлениями о влиянии структуры на колебательный процесс: чем жестче материал, тем меньше логарифмический декремент затухания. Приведенные значения несколько выше полученных в работе [85], поскольку рассчитывались на основании колебаний образца, не прошедшего предварительно процесс ползучести, и сохранившего свои релаксационные возможности в полном объёме.
Коэффициенты динамичности, рассчитанные в соответствии с методикой по формуле 3.3, приведены на рисунке 4.8. Приведенные значения позволяют утверждать, что коэффициент динамичности зависит от приложенного напряжения. При этом можно четко выделить диапазон нагрузок, в котором значение коэффициента стремительно меняется, в то время как при расчетах принято принимать его постоянным и не зависящим от величины приложенной нагрузки и структуры материала. На основании полученных зависимостей коэффициента динамичности видно, что чем больше жесткость материала, из которого изготовлена комплексная нить, тем меньше увеличение коэффициента при увеличении величины прикладываемой нагрузки. На величину происходящих изменений в значительной степени влияет количество конформационных перестроений, происходящих при деформировании.
Динамические характеристики крученых нитей
Испытания проводились на установке для «мгновенного» приложения нагрузки. Описание установки и методики проведения испытаний приведено в главе 3. На основе проведенных испытаний были получены зависимости напряжения от деформации, представленные на рис. 6.8, 6.10 и в таблицах 6.2, 6.3, построение зависимости производилось в соответствии с разработанной методикой. Их анализ также производился с использованием зависимостей секущего и касательного модулей жесткости от деформации, представленными на рис. 6.9, 6.11 ив таблицах 6.2 и 6.3. Полученные зависимости коэффициента динамичности от напряжения, возникающего при статическом приложении нагрузки представлены на рис.6.12 и в таблицах 6.2, 6.3. Прочностные характеристики, полученные с диаграммы растяжения, представлены в таблице 6.4.
Форма зависимостей напряжения от деформации для нитей, полученных по различным технологиям, одинакова и соответствует первому и второму участку диаграммы растяжения. Таким образом, можно предположить, что деформирование происходит аналогичным образом, но за счет того, что сцепление волокон у нитей, выполненных по новой технологии выше, они являются более жесткими. Отсутствие третьего участка на диаграммах растяжения полученных в динамическом режиме может быть объяснено более ранним началом процесса разрыва волокон, вследствие сокращения времени протекания релаксационных процессов.
При увеличении линейной плотности, различие механических характеристик для образцов, выработанных различным способом, увеличивается. Данный эффект хорошо просматривается на зависимостях секущего и касательного модулей жесткости, а также на зависимости коэффициента динамичности.
Значение коэффициента динамичности увеличивается при увеличении величины прикладываемой нагрузки, что связано с увеличением скорости падения.
Таким образом, на основании приведенных результатов исследования можно сделать следующие выводы:
-форма зависимостей напряжения от деформации в динамическом режиме деформирования одинакова для нитей, имеющих различную структуру;
-образцы, полученные с использованием стренг, содержащих две комплексные нити, имеют большую жесткость при равных значениях линейной плотности;
-влияние способа получения стренги усиливается при увеличении линейной плотности образцов;
-нити, выполненные с использованием стренг, выработанных по новому способу, обладают лучшими механическими характеристиками при динамическом режиме деформирования.
Похожие диссертации на Разработка метода оценки деформационных свойств технических нитей в динамическом режиме
