Определение характеристик механических свойств

Натуральной кожи

 

Цель: изучить разрывные, релаксационные характеристики натуральной кожи при деформации, приборы и методы их определения; изучить методику определения характеристик механических свойств натуральной кожи при одноосном растяжении до разрыва, определить разрывную нагрузку, предел прочности и разрывное удлинение натуральной кожи по стандартному методу; изучить методы испытания на раздирание кожи, изучить методику определения модуля жесткости и упругости.

 

Литература: [5; 7; 11; 15; 16; 23–30]

 

Приборы и материалы: разрывная машина РТ-250М, РМ-3М; приспособление для закрепления проб; пробы кожи; толщиномер.

 

Вопросы для подготовки:

1. Виды полуцикловых разрывных характеристик, определяемых для натуральной кожи.

2. Факторы, оказывающие влияние на разрывные характеристики натуральной кожи.

3. Какие процессы называют релаксационными?

4. Факторы, влияющие на одноцикловые характеристики растяжения кожи.

5. Дать определение частям полной деформации растяжения: упругой, эластической, пластической.

6. Дать определение устойчивости к раздиранию.

7. Факторы, влияющие на устойчивость кожи к раздиранию.

8. Методы определения показателей изгиба кожи.

9. Метод определения модуля жесткости и упругости.

10. Какие факторы влияют на жесткость кожи?

Содержание работы:

1. Изучить показатели механических свойств натуральной кожи. Изучить способ подготовки проб к испытанию.

2. Изучить методику и определить предел прочности при растяжении; прочность лицевого слоя кожи; удлинение натуральной кожи. Результаты заполнить в табл. 4.1.

3. Изучить методику определения релаксационных свойств натуральной кожи.

4. Изучить методику определения устойчивости натуральных кож на раздирание.

5. Изучить методику определения модуля жесткости и упругости натуральных кож.

 

Краткие теоретические сведения:

1. Определение показателей механических свойств натуральной кожи.

Механические свойства являются одними из основных свойств, характеризующих качество обувных материалов и определяющих их назначение. При изучении механических свойств натуральной кожи определяют следующие показатели: предел прочности при растяжении (разрушающее напряжение), напряжение при появлении трещин лицевого слоя, удлинение (общее, остаточное, упругое при напряжении 10 МПа), условный модуль упругости и жесткость при растяжении.

С помощью этих показателей можно судить не только о прочности и тягучести, жесткости и упругости кожи, однородности механических свойств во взаимно-перпендикулярных направлениях, но также о степени сохранности волокнистой структуры дермы при хранении и консервировании кожевенного сырья и его выделке.

Топографические участки кожи имеют разную микроструктуру. Эти различия обусловливают изменчивость показателей физико-механических свойств по площади кожи. Поэтому необходимо правильно отбирать пробу для исследований. Пробы отбирают по ГОСТ 938.0–75 [28], а подготавливают образцы к физико-механическим испытаниям по ГОСТ 938.12–70 [29].

Так как кожа — гигроскопичный материал, то в зависимости от содержания в ней влаги изменяются ее физико-механические свойства. Перед испытаниями образцы должны быть выдержаны при температуре (20 ± 3) °С и относительной влажности воздуха (65 ± 5) % в течение 24 ч в эксикаторе (ГОСТ 938.14–70) [30].

Испытания проводят на вырубленных образцах кожи для верха или низа обуви, имеющих форму двусторонней лопатки (рис. 2.1). Размеры образцов выбирают в зависимости от вида кожи (ГОСТ 938.11–69) [24]. Один образец вырубают в продольном, а другой – в поперечном направлении относительно хребтовой линии. На вырубленных образцах не должно быть никаких видимых дефектов, которые могут повлиять на точность испытаний. Перед испытаниями образцы размечают и маркируют по ГОСТ 938.11–69 [24].

 

Рис. 3.1. Форма и размер проб для испытания: l – длина рабочего участка пробы; b – ширина рабочего участка пробы; с – длина лопатки; a – ширина лопатки; r – радиус закругленного участка пробы.

 

2. Предел прочности при растяжении (или разрушающее напряжение) — это нагрузка при разрыве, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения образца. Этот показатель нормируется стандартами.

Предел прочности при растяжении (МПа) вычисляют по формуле:

, (2.1)

где Р_р — нагрузка при разрыве, Н;

S— площадь поперечного сечения образца на участке разрыва, мм².

 

, (2.2)

где a – ширина ремешка, мм;

d – среднее значение толщины, мм.

Кожа с непрочным лицевым слоем не выдерживает нагрузок при формовании обуви, и на ее поверхности появляются трещины. Трещины на такой коже возникают и при носке обуви. Прочность лицевого слоя кожи определяют одновременно с пределом прочности при растяжении. Прочность лицевого слоя кожи характеризуют напряжением, при котором появляются первые трещины на лицевой поверхности кожи. Напряжение при появлении трещин лицевого слоя (МПа) вычисляют по формуле:

, (2.3)

где Р_т — нагрузка в момент появления первых трещин лицевого слоя, Н;

S_cp — средняя площадь поперечного сечения образца, мм².

Если во время испытания трещины не образуются, то напряжение при появлении трещин лицевого слоя принимают равным пределу прочности при растяжении кожи.

Удлинение натуральной кожи определяют на тех же образцах, что и предел прочности при растяжении. Общее удлинение при разрыве и при напряжении 10 МПа фиксируют по шкале удлинений в миллиметрах. Чтобы зафиксировать удлинение при напряжении 10 МПа, необходимо предварительно вычислить нагрузку, соответствующую указанному напряжению:

, (2.4)

где σ— напряжение 10 МПа;

S – площадь поперечного сечения, мм².

 

Методика определения разрывных характеристик натуральной кожи:

1. Изучить устройство и принцип работы разрывной машины маятникового типа РТ-250М с постоянной скоростью опускания нижнего зажима.

2. Изучить метод определения разрывных характеристик.

3. Установить параметры испытания.

3.1.Скорость опускания нижнего зажима 100±20 мм/мин, продолжительность опускания 10-30 с, зажимная длина 25 мм.

3.2. Пояс шкалы нагрузок выбирается так, чтобы разрывная нагрузка находилась в пределах от 20 до 80% максимального значения шкалы.

4. Подготовить пробы к испытанию.

4.1. В зависимости от вида кожи выбрать необходимое количество проб.

4.2. При испытании с вырубанием ремешков.

Вырубить необходимое количество проб. Измерить толщину проб на 1, 3 и 5 участках. За толщину 2 и 4 участка принимают среднее арифметическое результатов измерения толщины двух соседних участков. Измерения делают с погрешностью не более 0,03 мм и результаты заносят в табл. 3.1.

4.3. При испытании целой шкурки.

Наметить со стороны мездры контуры пробы (рис.3.1). Толщиномером измеряют толщину кожи.

4.4. Ремешок или участок целой шкурки закрепляют точно посередине зажимов разрывной машины, устанавливая лицевой поверхностью к испытателю так, чтобы геометрическая ось образца расположилась вертикально. Зажимная длина соответствует рабочей части образца.

5. Произвести испытания проб.

5.1. По шкале нагрузок разрывной машины отмечают момент достижения предварительно вычисленной по формуле (4) нагрузки (Н), соответствующей напряжению 10 МПа (0,1 кгс/мм²), а в этот момент отмечают по шкале удлинений удлинение рабочего участка образца в миллиметрах.

5.2.При проведении испытания определяют нагрузку и удлинение, при которых на поверхности кожи появляются трещины.

5.3. В момент разрыва машину останавливают и отмечают разрывную нагрузку и разрывное удлинение (табл. 3.1).

В случае испытания целой шкурки нагрузку по шкале разрывной машины доводят до норматива, указанного в стандарте на данный вид кожи и прекращают испытание.

6. Обработка результатов испытания.

6.1. Предел прочности при растяжении σ_р, МПа (кгс/мм²) вычисляют по формуле (2.1).

6.2. Относительное удлинение при разрыве (%) вычисляют по формуле:

, (2.5)

где Δ l = l ₁- l – удлинение рабочей части ремешка в момент разрыва, мм;

l – начальная длина рабочей части ремешка, мм;

l ₁ – длина рабочей части ремешка в момент разрыва, мм.

Результаты вычислений записывают в таблицу 3.1.

7. Установить нормативные значения разрывной нагрузки, разрывного удлинения, предела прочности и нагрузки при заданном напряжении по ГОСТам технических условий на данный вид кожи [5; 7].

8. Сравнить полученные результаты с нормативными значениями. Сделать вывод о соответствии кожи требованиям.

 

3. Определение релаксационных характеристик натуральной кожи

При выполнении испытаний на растяжение в момент достижения вычисленной нагрузки (по шкале нагрузок) фиксируют удлинение в миллиметрах по шкале удлинений (Δ l _общ). Удлинение, выраженное в процентах по отношению к первоначальной длине рабочей части образца (l =50 мм), называется относительным удлинением (ξ_общ). Общее удлинение равно сумме упругого и остаточного удлинений ( или ).

Во время испытаний на растяжение в момент достижения вычисленной нагрузки, соответствующей напряжению 10 МПа, разрывную машину останавливают. Образец выдерживают под нагрузкой в течение 10 мин, после чего его освобождают из зажимов разрывной машины и на 30 мин оставляют в покое. Затем измеряют длину рабочего участка образца (l ₀) и вычисляют остаточное удлинение (мм) по формуле:

, (2.6)

где l ₀ - длина рабочей части образца после растяжения и сокращения ремешка;

l – начальная длина рабочей части образца, l =50 мм.

Остаточное удлинение – это приращение длины рабочего участка образца, оставшееся к моменту измерения после прекращения действия растягивающей нагрузки. Остаточное удлинение — величина условная и зависит от времени, прошедшего с момента прекращения действия нагрузки до момента измерения длины. Остаточное удлинение кожи обычно определяют при напряжении 10 МПа.

Остаточное удлинение (%) вычисляют по формуле:

, (2.7)

Упругое удлинение — это приращение длины рабочего участка образца, исчезающее к моменту измерения после прекращения действия растягивающей нагрузки.

Упругое удлинение (при напряжении 10 МПа) (мм) вычисляют по формуле:

, (2.8)

Упругое удлинение (%) вычисляют по формуле:

, (2.9)

или как разность между относительным общим удлинением при напряжении 10 МПа (ξ_общ, %) и относительным остаточным удлинением (ξ_о, %):

, (2.10)

Коэффициент равномерности служит для характеристики степени однородности материала в зависимости от направления в отношении предела прочности, удлинения и других показателей. Коэффициент равномерности представляет собой отношение в процентах величины предела прочности при растяжении (удлинения или другого показателя, определяемого при испытании на растяжение) в одном направлении кожи к величинам соответствующего показателя в другом направлении кожи. При вычислении коэффициента равномерности меньшую цифру делят на большую независимо от того, к какому направлению (продольному или поперечному) относится меньшая цифра.

(2.11)

Методика определения релаксационных характеристик натуральной кож:

1. Изучить метод определения остаточного и упругого удлинения [24; 26; 27].

2. Установить параметры испытания. Скорость опускания нижнего зажима 100±20 мм/мин, зажимная длина 25 мм.

3. Подготовить пробы к испытанию.

3.1. В зависимости от вида кожи выбрать необходимое количество проб.

3.2. При испытании с вырубанием ремешков.

Вырубить необходимое количество проб. Измерить толщину проб на 1, 3 и 5 участках. За толщину 2 и 4 участка принимают среднее арифметическое результатов измерения толщины двух соседних участков. Измерения делают с погрешностью не более 0,03 мм и результаты заносят в таблицу 3.1.

3.3. Ремешок или участок целой шкурки закрепляют точно посередине зажимов разрывной машины, устанавливая лицевой поверхностью к испытателю так, чтобы геометрическая ось образца расположилась вертикально. Зажимная длина соответствует рабочей части образца.

4. Произвести испытания проб.

4.1. По шкале нагрузок разрывной машины отмечают значение предварительно вычисленной нагрузки, соответствующей напряжению 10 МПа (0,1 кгс/мм²). В момент достижения заданной нагрузки выключают машину и определяют расстояние между зажимами или абсолютное удлинение.

4.2. Образец выдерживают под нагрузкой в течение 10 мин, после чего его освобождают из зажимов разрывной машины и на 30 мин оставляют в покое. Затем измеряют длину рабочего участка образца (l₀) и вычисляют остаточное удлинение (мм) по формуле (2.6).

5. Обработка результатов испытания.

5.1. Относительное полное удлинение при заданном напряжении (%) вычисляют по формуле:

, (2.12)

где Δ l ₁= l ₂- l – увеличение длины рабочей части ремешка при нагрузке, вычисленной для заданного напряжения, мм;

l ₂ – длина рабочей части ремешка при нагрузке, вычисленной для заданного напряжения, мм;

l – начальная длина рабочей части ремешка, мм.

5.2. Относительное остаточное удлинение вычисляют по формуле (2.7)

5.3. Относительное упругое удлинение вычисляют по формуле (2.10) Результаты вычислений записывают в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Результаты измерений прочностных и релаксационных характеристик натуральной кожи

Вид кожи	Расположение образца на коже	№ образца	Толщина образца на участках, мм	Средняя толщина, мм

Продолжение таблицы 3.1

Средняя площадь поперечного сечения, мм^2	Нагрузка при появлении трещин лицевого слоя, Н	Нагрузка при разрыве, Н	Участок разрыва	Предел прочности при растяжении, (разрушающее напряжение),МПа	Напряжение при появлении трещин лицевого слоя, МПа

Продолжение таблицы 3.1

Удлинение при разрыве, мм	Нагрузка, соответствующая напряжению 10 МПа, Н	Общее удлинение при напряжении 10 МПа	Остаточное удлинение при напряжении 10МПа	Упругое удлинение при напряжении 10 МПа
Δlобщ, мм	ξобщ	Δlо, мм	ξо, %	Δlу, мм	ξу, %

 

6. Сравнить полученные результаты с нормативными значениями. Сделать вывод о соответствии кожи требованиям.

7. Определить коэффициент равномерности кожи. Сделать вывод об однородности материала.

 

4. Определение устойчивости кожи на раздирание

1. Изучить методы определения раздирания кожевенных материалов [25].

2. Подготовить пробы к испытанию.

2.1. Вырезать (вырубить) 2 пробы кожи – одну в продольном и одну в поперечном направлениях, размером 50×25мм. В образцах кож для верха обуви вырубают продольную прорезь (рис. 2.1), а в образцах кож для низа обуви – фигурный вырез (рис. 2.2) длиной 20мм.

2.2. Образцы выдерживают в нормальных атмосферных условиях, затем определяют толщину (d, см) проб в точках M, N, M₁, N₁.

Рис. 2.2. Форма проб для испытания кожи на раздирание

 

2.3. Приспособление закрепляют в зажимах разрывной машины таким образом, чтобы загнутые концы пластинок плотно соприкасались друг с другом.

2.4. Скорость движения нижнего зажима разрывной машины устанавливают 100±20мм/мин.

3. Пробы надевают прорезью на загнутые концы пластинок и проводят испытания до полного раздирания проб.

4. Рассчитывают показатель прочности при раздирании – максимальное сопротивление раздиранию σ_max, Н/см:

, (2.13)

где P_max – максимальная нагрузка при раздирании кожи, Н;

d – среднее арифметическое толщины кожи, измеренное в 4 точках (M, N, M₁, N₁), см.

5. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов испытаний продольной и поперечной пробы.

6. Провести анализ результатов испытания различных видов кожи.

5. Жесткость и модуль упругости кожи вычисляют при напряжении 9,8 МПа. Поскольку кожа относится к упругопластическим материалам и не подчиняется закону Гука, модуль упругости, применяемый иногда для характеристики тягучести и жесткости при растяжении, является условным показателем. Показатель условного модуля упругости используют для характеристики жесткости кож.

Жесткость при растяжении — это способность кожи сопротивляться растягивающим усилиям, прилагаемым к образцу кожи извне.

Условным модулем упругости называют отношение между напряжением и соответствующим ему удлинением.

Условный модуль упругости (Па) вычисляют по формуле:

, (2.14)

где σ –напряжение, равное 10 МПа;

Е –относительное удлине­ние образца (при напряжении 10 МПа), %. Жесткость (Н) вычисляют по формуле:

, (2.15)

гдe E –условный модуль упругости, Па;

F_cp –средняя площадь поперечного сечения образца, м².

Для облегчения подсчетов в приложении ГОСТ 938.11–69 [24] приведены вычисленные значения условного модуля упругости, соответствующие различным удлинениям при напряжении 10 МПа.

 

 

Лабораторная работа № 4

Системы определения размеров обуви. Определение полноты обуви.