纤维力学性质
纤维复合材料的力学性能与损伤分析
纤维复合材料的力学性能与损伤分析纤维复合材料是一种由纤维和基体共同构成的材料，具有轻质、高强度和优异的耐腐蚀性能。
在不同的应用领域中，纤维复合材料的力学性能和损伤分析是非常重要的研究方向。
本文将对纤维复合材料的力学性能和损伤分析进行讨论。
一、纤维复合材料的力学性能1. 弹性模量纤维复合材料的弹性模量是衡量其刚度的重要指标。
由于其内部纤维与基体之间的相互作用，纤维复合材料的弹性模量通常高于传统金属材料。
弹性模量的高低决定了纤维复合材料的应用范围和承载能力。
2. 屈服强度和抗拉强度纤维复合材料的屈服强度和抗拉强度是其抗拉性能的重要指标。
纤维复合材料的屈服强度通常取决于纤维和基体的性质以及它们之间的结合方式。
在不同应力下，纤维复合材料的抗拉性能可以通过实验测试来评估。
3. 疲劳性能纤维复合材料的疲劳性能是其在长期循环加载下的耐久性能。
由于纤维和基体之间的界面不稳定性，纤维复合材料在循环加载下容易产生微裂纹和损伤，从而影响其疲劳寿命。
因此，疲劳性能的评估对于纤维复合材料在实际应用中的可靠性至关重要。
二、纤维复合材料的损伤分析1. 断裂行为纤维复合材料的断裂行为是产生损伤的重要因素。
纤维复合材料的断裂机制通常可分为纤维断裂、基体断裂和界面断裂三种类型。
通过分析纤维复合材料的断裂行为，可以了解材料在拉伸、剪切和弯曲等不同加载情况下的损伤机制。
2. 微观损伤纤维复合材料在受力时，会产生一些微观级别的损伤，如纤维断裂、基体裂纹和界面剥离等。
通过检测和观察这些微观损伤，可以了解材料在不同加载状态下的损伤演化过程，并为材料的优化提供指导。
3. 损伤识别与监测纤维复合材料的损伤识别与监测是为了实时监测材料的损伤状态，以及提前预警材料的损伤发展情况。
通过使用各种非破坏性检测技术，如声发射、热成像和超声波等，可以实现对纤维复合材料损伤的精确定位和实时监测。
总结：纤维复合材料的力学性能和损伤分析是其性能评估和工程应用中的重要内容。
第三章 纤维的力学性质
第三章纤维的力学性质第一节纤维的拉伸与疲劳性能一、拉伸曲线的基本特征表示纤维在拉伸过程中强力和伸长的关系曲线称为拉伸曲线(强力-伸长曲线、应力-应变曲线)。
纤维在拉伸过程中的行为表现和它的结构在拉伸过程中所发生的变化和破坏是有联系的，这样的本构关系可以通过对拉伸曲线的分析加以表述。
拉伸从O′点开始：（1）自O′至O——如果拉伸前纤维未完全伸直，纤维将通过O′O逐渐伸直。
（2）自O至M——曲线基本上是直线段，表示纤维发生的是导致强力与伸长间呈直线相关的虎克变形，纤维中主要是发生了分子内或分子间键角键长的变形。
（3）自M至Q——强力与伸长间关系进入非直线相关阶段，表明纤维中非晶区内大分子链开始发生构象的变化，链与链之间的关系改变。
（4）自Q至S——Q点可称为屈服点，但大多数纤维都没有明晰的屈服点，因为屈服点是结晶物质的特征点，而纤维只有部份结晶态（区）、甚至没有结晶态只有有序区。
自Q点开始，原存在于分子内或分子间的氢键等次价力联系开始破坏，首先是非晶区中大分子的错位滑移，所以，这一阶段，伸长增长快于强力。
（5）自S至A——随拉伸的进行，错位滑移的分子基本伸直平行，并可能在伸直的分子链间创造形成新次价力的机会，同时，纤维的结晶区也开始被破坏。
拉断结晶区与非晶区中分子间联系，需要较大的外力，所以这一阶段强力上升很快，到A点，纤维断裂。
纤维的应力-应变曲线和强力-伸长曲线的特征相似。
表3-1 常见纤维的拉伸性质指标二、表征纤维拉伸断裂特征的指标1．强力强力是指纤维能够承受的最大拉伸力，又名绝对强力、断裂强力。
2．相对强度相对强度是应力指标，简称为强度，用纤维被拉断时单位横截面上承受的拉伸力来表示。
根据采用的表征纤维截面积的指标不同，强度指标有以下几种：（1）断裂应力σ又名强度极限，它是指纤维单位截面积上所能承受的最大拉伸力，单位为N ／mm 2（即兆帕）。
（2）比强度tex P指每特纤维所能承受的最大拉伸力，又称断裂强度，单位为N ／tex 或cN/dtex 。
纤维材料力学性质及其指标
归纳纤维材料力学性质及其指标
一、纤维的拉伸与疲劳性能
（1）表征纤维拉伸断裂特征的指标
1.强力：指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到断裂时
v 所需要的力（单位：牛顿）
断裂应力：σ﹦P∕S(P-纤维的强力 S-纤维的截面积）
2.相对强度：断裂比强度：P tex﹦P/Tt(P-纤维的强力 Tt-纤维的线密度)
断裂长度：L=P/Tt(P-断裂强力Tt-纤维的线密度)
σ=Y×Pte x×1000 σ﹦L*γ*g
3.伸长率与断裂伸长率：ε=（L-L。
）/L。
ε。
=（L1-L。
）/L。
4.断裂功：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功 W﹦∫PdL
5.断裂比功：拉断单位线密度、单位长度纤维所需要的能量Wr﹦W/(Tt*L)
6.功系数: 指纤维的断裂功与断裂强力和断裂伸长的乘积之比We﹦W/Pa×La
7.柔顺性系数：C﹦2/σ10 -1/σ5
不同纤维的应力-应变曲线。
纤维集合体力学
纤维集合体力学引言：纤维集合体力学是研究纤维材料在力学作用下的行为和性能的学科，广泛应用于纤维材料的设计、制备和应用领域。
纤维集合体力学的研究内容包括纤维材料的结构、力学性质、失效机理等方面，为纤维材料的应用提供了理论基础和技术支持。
一、纤维集合体的结构特点纤维集合体是由纤维按照一定的排列方式形成的结构，纤维之间通过力学作用相互连接。
纤维集合体的结构特点取决于纤维的类型、排列方式和连接方式。
纤维可以是金属、陶瓷、塑料等材料，常见的纤维排列方式有平行排列、交叉排列等。
纤维之间的连接方式可以通过粘接、焊接、编织等方法实现。
二、纤维集合体的力学性质纤维集合体的力学性质是指纤维材料在外力作用下的变形和破坏行为。
纤维集合体的力学性质受到多种因素的影响，包括纤维的材料特性、排列方式、连接方式以及外力的大小和方向等。
纤维集合体的力学性质可以通过实验测试和数值模拟等方法进行研究和分析。
三、纤维集合体的失效机理纤维集合体在受到外力作用时，可能会发生失效现象，如断裂、脱落等。
纤维集合体的失效机理是指失效现象发生的原因和机制。
失效机理的研究对于纤维材料的设计和应用具有重要的指导意义。
纤维集合体的失效机理可以通过断口分析、应力分布等方法进行研究。
四、纤维集合体力学的应用纤维集合体力学在多个领域都有广泛的应用。
在材料工程领域，纤维集合体力学可以用于纤维材料的设计和制备，以提高材料的力学性能和使用寿命。
在航空航天领域，纤维集合体力学可以用于研究飞机和航天器的结构强度和耐久性。
在医学领域，纤维集合体力学可以用于研究人体组织的力学性质，为医学诊断和治疗提供依据。
结论：纤维集合体力学是研究纤维材料在力学作用下行为和性能的学科。
纤维集合体的结构特点、力学性质和失效机理是纤维集合体力学研究的重要内容。
纤维集合体力学在材料工程、航空航天和医学等领域都有广泛的应用。
通过深入研究纤维集合体力学，可以提高纤维材料的设计和应用水平，促进相关领域的发展和进步。
第三章-纤维力学性质
互为等效的。
E1 E2
E1 E2 E1E2
0
b
E1
E2
a
c
d’
O
t1
dt
(a)
(b)
(c)
• • 以图5-2E71(a)d模 型E为1E2例， 由其变d形 特点，
可以得E到1 其E2 本dt 构E关1 系E2 式为E :E21 dt
• 由应力松弛和蠕变变形的条件，代入式
中可求得其蠕变方程式为:
• 外力消耗的功为:
W
E
''
2 0
E' 02tg
• 1.画出常用纤维的拉伸曲. 纤维在外力作用下变形后，其回复形变依赖 于哪些因素？ 三种变形量与这些因素的关系如 何？
• 3. 任选一三元件模型，讨论其本构方程的松弛、 蠕变特征以及ε=kt时的应力松弛和蠕变方程， 并求该模型的初始模量。
(t )
c
E1
c
E2
(1 et /2 )
• 应力松弛方程:
(t) E1E2 c(1 E1 et / 1 )
E1 E2
E2
• (4) 四元件模型
• 由两个弹簧和两个粘壶的四元件模型 。
• 该四元件模型的本构关系式是一个二阶微分方 程，其蠕变方程式为:
(t )
0
E1
0
E2
(1 et /
)
• 聚合度越大，分子链间总的次价键力增大， 分子链间不易移动，其抗拉强度、断裂伸长、 冲击韧性等都随之增加。
• (2). 分子链的刚柔性和极性基团的数量
• 分子链存在刚性基团（如涤纶中的苯环和 纤维素纤维中的葡萄糖剩基）时，纤维模量增 加，刚性增加。分子链上有较多极性基团时， 分子链间的次价键力增大，纤维会具有较高的 模量和断裂强度。
第七章 纤维的力学性质
• 弱环定理：当纤维或纱线试样长缩短时， 最薄弱环节被测到的机会下降，测得了
一部分次薄弱环节的断裂强度，从而使 测试强度的平均值降低。
作业（十）
• 1、解释下列名词：断裂强力、断裂应力、断裂强度、断裂长度和 断裂伸长率，推导纤维强度三个指标之间的换算式。
• 2、有一批纺织纤维，它们的细度及测得的平均单纤维强力值如下， 计算并列出断裂长度、相对强度和断裂应力三种指标的大小和顺序。
第一节 纤维的拉伸性质
• 一、拉伸断裂性能的基本指标
–1、绝对指标
• (1)断裂强力(绝对强力)：P（N，cN，mN, gf， kgf）
• (2)断裂伸长：ΔL=La-L0(mm)
第一节 纤维的拉伸性质
• 一、拉伸断裂性能的基本指标
–2、相对指标
• (1)断裂应力：σ=P/A（ N/mm2，N/m2） • (2)断裂强度(相对强度)：
• 蠕变：由于随着外力作用时间的延长，不断克 服大分子之间的结合力，使大分子逐渐沿着外 力方向伸展排列，或产生相对滑移而导致伸长 增加，增加的伸长基本上都是缓弹性和塑性变 形。
• 松弛：由于纤维发生变形时具有内应力，使大 分子逐渐重新排列，在此过程中部分大分子链 段间发生相对滑移，逐渐达到新的平衡位置， 形成新的结合点，从而使内应力逐渐减少。
第一节 纤维的拉伸性质
• 六、影响因素
–1、纤维结构 • 聚合度：聚合度高，分子间作用力大，强度高 • 取向度：取向度高，受力的大分子根数多，强度 高；大分子滑动量少，断裂伸长率小 • 结晶度：结晶度高，纤维大分子排列越规整，分 子间作用力大，强度高
第一节 纤维的拉伸性质
• 六、影响因素
–2、环境温湿度
• 缓弹性变形
第5章 纤维的力学性质
纤维的力学性质
纤维的拉伸性质
拉伸性能指标 拉伸曲线 拉伸断裂机理及其影响因素 拉伸性质的测量
纤维力学性能的时间依赖性
应力松弛与蠕变 动态力学性能 纤维的弹性 纤维的疲劳
纤维的弯曲、扭转与压缩 纤维的表面力学性质
应力松弛(stress relaxation)
定义：在一定变形条件下，纤维内力随时间 增加而逐渐衰减的现象
纤维的力学性质
纤维的拉伸性质
拉伸性能指标 拉伸曲线 拉伸断裂机理及其影响因素 拉伸性质的测量
纤维力学性能的时间依赖性
应力松弛与蠕变 纤维的弹性 纤维的疲劳
纤维的弯曲、扭转与压缩
支点
重锤杆 L
上夹头
指针 标尺
纤维 G1
下夹头
G 转动机构
摆锤式强力仪
种类：Y161型单纤维强力机，Y162束纤维强力机， Y371型缕纱强力机和Y361型单纱强力机等
力传感器
上夹头 试样 v
下夹头
处
显示
理
单 元
打印绘图仪
换算单元 △l=vt
电子强力仪
Instron材料试验机（万能材料试验机），属于等速伸长型。 备有不同负荷容量的传感器，可以分别测定纤维、纱线、织 物或绳索的拉伸性能。 配有不同形式的夹头装置和附件，可以作拉伸、压缩、剪切、 弯曲和摩擦等性能。 可以进行定负荷或定伸长反复拉伸疲劳实验。 配有专门小气候，可在不同湿度条件下进行力学性能测定。
羊毛纤维在不同温度下的蠕变
伸长 (%)
负荷 (cN)
时间 (s)
羊毛纤维在不同负荷下的蠕变
提高温度和相对湿度可使纤维中大分子链间的次 价键力减弱，促使蠕变和应力松弛过程加速完成。
生产上可用高温高湿来消除纤维材料的内应力。
纺织物理 第三章 纤维的力学性质
亚麻 苎麻 棉 涤纶 锦纶 锦纶 蚕丝 腈纶 粘胶 醋酯 羊毛 应变 醋酯
以纤维的断裂强力和断裂伸长率的对比关系来分，拉伸曲线可分为三类： 1. 强力高、伸长率很小的拉伸曲线，如棉、麻等天然纤维。 2. 强力不高、伸长率很大的拉伸曲线，如羊毛、醋酯等。 3. 强力与伸长率介于一、二类之间的拉伸曲线，如蚕丝、锦纶、涤纶等。
• 断裂功指标 a． 断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，即负荷-伸长曲线下 的面积，表示材料抵抗外力破坏所具有的能量 。 b．断裂比功：是指拉断单位体积纤维或单位重量纤维所需作的功。实际应 用中，断裂比功用拉断单位线密度，1cm长纤维所需的功（N· cm）表示， 即断裂比功=断裂功/(线密度×夹持长度)，其中断裂比功单位： N/tex； 断裂功单位： N· cm；线密度单位：tex；夹持长度单位：cm
聚乙烯(Polyethylene,PE)结晶度和性能的关系
结晶度% 密度kg· -3 软化点k 断伸率% m 65 75 85 95 0.92 0.94 0.96 0.97 373 383 393 403 500 300 100 20 冲击强度J· -1 抗张强度MPa m 854 427 214 160 137 157 245 392
五、纤维的结构不匀对拉伸性能的影响
• 纺织纤维存在不均匀性，如纤维与纤维之间，以及在同一纤维的 长度方向上，其大分子链排列的聚集态结构和横截面面积的变异 很大，纤维内部的结晶和无定形区的尺寸大小，结晶的完整程度 千差万别。 • 单纤维的断裂强力是由这根纤维的最弱截面处的强力决定的，试 样长度越长，最弱截面（弱环）出现的概率越大，纤维的强力也 越低。 • 1926年皮尔斯提出“弱环定律”：试样长度与断裂强力的理论关 系。
(3)分子链堆砌的紧密程度、结晶度
纤维的拉伸曲线特征
Chap3 纤维力学性质
纺织物理
Chap3 纤维力学性质
（4） 断裂功指标 a． 断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力
所作的功 。 b．断裂比功：是指拉断单位体积纤维或段
位重量纤维所需作的功。
纺织物理
Chap3 纤维力学性质
3、常见纤维的拉伸曲线
比应力
亚 麻 苎麻 棉
涤纶
锦纶 锦纶 蚕丝
a
c
d’
O
t1
dt
(a)
(b)
(c)
以图5-27(a)模型为例，由其变形特点，可以得到其本构关系式为： E1 d E1E2 d
E1 E2 dt E1 E2 E E21 dt
纺织物理
Chap3 纤维力学性质
由应力松弛和蠕变变形的条件，代入式中可 求得其蠕变方程式为：
(t )
c
0
0 0
cos
sin t
0
0 0
sin
cost
纺织物理
Chap3 纤维力学性质
令 有
0 cos E ' 0
0 sin E '' 0
E' 0 sin t
E '' 0 sin(t
(3).分子链堆砌的紧密程度、结晶度 紧密的堆砌，分子链作用力大，纤维有较高的强度和屈服应力。结晶度 增加，其屈服应力、强度、模量和硬度等均会提高，而断裂伸长和冲击 韧性下降。
(4). 取向度 纤维分子链取向度增加，纤维轴向断裂强度、模量增加而断裂伸长降低。
(5). 交联
纺织物理
Chap3 纤维力学性质
张力
间逐渐减小的
现象。
∞
t1
t
纤维力学性能
第七章纺织纤维和纱线的力学性质讨论纺织纤维与纱线的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型，纤维弹性、动态力学性质及疲劳，以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。
第一节纤维的拉伸性质一、纤维的拉伸曲线与性能指标1．拉伸曲线纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－伸长△l 曲线和应力σ－应变ε曲线。
2．拉伸性能指标（1）强伸性能指标强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变。
图7-1 纺织纤维的拉伸曲线a．强力P：又称绝对强力、断裂强b力。
它是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)。
b．断裂强度(相对强度) Pb：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d）。
c．断裂应力σb：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕Mpa)表示。
：纤维重力等于其断d．断裂长度Lb裂强力时的纤维长度，单位为km。
（2）初始模量初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即σ- ε曲线在起始段的斜率。
(5-10)初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。
（3）屈服应力与屈服伸长率图7-2 纤维屈服点的确定纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形。
而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的塑性变形。
（4）断裂功指标a．断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。
b．断裂比功Wv ：一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2。
另一定义是重量断裂比功Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功。
c．功系数η：指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(Δlb)的乘积之比。
第五章力学性质
拉伸曲线反映的指标: 1.断裂强力（或断裂强度） 2.断裂伸长（或断裂伸长率）
Pb b 600 0.4 0.12 s 0.06 a Y (y,y) 试样长度 20 mm 线密度 0.3 tex 纤维密度 1.5 g/cm3 0 0 0 0 Δla 0.1 10 2 0.2 20 4 Δl 伸长(mm)
L
v 重锤 G 支点
l R
称杆 上夹头 l0 纤维 下夹头
称杆上的重锤以等速v左移，使纤维受力拉伸， 上夹头上移量就是试样的伸长。
重锤左移产生力矩: M=Gl+G1L/2 纤维受力矩: M=P· R P=（Gl+G1L/2）/R
3．电子强力仪
力传感器
上夹头 试样 v
处 理 单 元
显示 打印绘图仪
下夹头
应力 σ (N/mm2=MPa)
300
比应力 p (N/tex)
0.2
Pa
0
负荷 P(N)
ε=应变 ε=应变率(%)
3.初始模量E
定义：纤维拉伸曲线上起始一段直线部分的斜率， 或伸长率为1%时对应的强力。
反应纤维在小负荷作用下变形的难易程度，它反映
了纤维的刚性。 E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较 好，其制品比较挺括； E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形，刚性较 差，其制品比较软。 天然纤维：麻>棉>丝>毛； 再生纤维：富纤>粘胶>醋纤； 合成纤维：涤纶>腈纶>维纶>锦纶
三、常用纺织纤维的拉伸曲线
麻纤维断裂强度，初始模量大， 断裂伸长率和断裂比功小——硬 而脆 粘胶断裂强度、初始模量、断裂 比功均较低——软而弱 涤纶断裂强度、断裂伸长、初始 模量、断裂比功均较大——挺而 韧 涤纶断裂强度、断裂伸长、断裂 比功均较大，初始模量小——软 而韧 毛断裂强力低，断裂伸长高—— 韧性好
纺织材料学 10 纤维力学性能
表示纤维抵抗扭转破坏能力的指标是捻 断纤维时的加捻角。见表10-3
2020/4/25
第十章 纤维的力学性质
25
表 10-3 各种纤维的断裂捻角
纤维
断裂捻角 (度)
种类
短纤维
长丝
棉
34~37
c.大分子的结晶度： 纤维的结晶度愈高，纤维的断裂 强度、屈服应力和初始模量表现得较高。 (2)温湿度
a.温度：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，大分子 热运动提高，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱。 拉伸强度下降，断裂伸长率增大。初始模量下降。
2020/4/25
第十章 纤维的力学性质
9
第一节 拉伸性质(续)
料屈服流动。两物体间的接触面不断增大。
2020/4/25
第十章 纤维的力学性质
28
第五节 表面摩擦与抱合性质（续）
三、纤维抱合性能的表征指标
1．抱合系数
可用单位长度纤维的抽出阻力来表征这一集束 能力，并定义该比值为抱合系数h(cN/mm):
除压后剩余变 637 形(%)② 65.1 48.5 56.2 35.2 66.4 33.1 62.4 47.2 66.2 55.6 55十章 纤维的力学性质
12
第二节 压缩性能（续）
纤维集合体在压缩时，压力与纤维集合体密度关系如 图10-3纤维集合体的压力与密度间关系所示。当纤维集 合体密度很小，或纤维间空隙率很大时，压力稍有增大， 纤维间空隙缩小，密度增加极快。当压力很大，纤维间 空隙很小时，再增大压力，集合体密度增加极微。
第十章 纤维的力学性质
第三章--纤维的力学性质(原文)
第三章纤维的力学性质第一节纤维的拉伸性质纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作用，要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力。
纤维的强度也是纤维制品其他物理性能得以充分发挥的必要基础，因此，纤维的力学性质是最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义。
纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的主要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标。
一、拉伸曲线及拉伸性质指标1．纤维的拉伸曲线特征纤维的拉伸曲线由拉伸试验仪得到，图3-1是一试样长度为20cm，线密度为0.3 tex，密度为1．5R/cm3的纤维在初始负荷为零开始一直拉伸至断裂时的一根典型的纤维拉伸曲线。
它可以分成3个不同的区域：A为线性区(或近似线性区)；B为屈服区，在B区负荷上升缓慢，伸长变形增加较快；C为强化区，伸长变形增加较慢，负荷上升较快，直至纤维断裂。
图3-1 纤维的拉伸曲线纤维的拉伸曲线可以是负荷-伸长曲线，也可以将它转换成应力-应变曲线，图形完全相同，仅坐标标尺不同而已。
纤维拉伸曲线3个不同区域的变形机理是不同的。
当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。
所以，A区的变形是由于分子链键长(包括横向次价键)和键角的改变所致。
变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的，服从虎克定律。
当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将回复到原来位置，是完全弹性回复。
由于键的变形速度与原子热振动速率相近，回复时间的数量级是10-13s，因此，变形的时间依赖性是可以忽略的，即变形是瞬时的。
当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形而不能承受施加于它们的力而发生键的断裂。
这样，允许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分配，使其他的横向连接键受力增加而断裂，分子链进一步伸展。
在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢。
第五章 纤维的力学性质
三、纤维拉伸性能的测量 1 摆锤式强力仪 属等速牵引式强力仪； 属等速牵引式强力仪； 力的施加呈非线性，试样 力的施加呈非线性， 的拉伸变形无一定规律。 的拉伸变形无一定规律。
支点
重锤杆 L
θ
上夹头 G1 纤维 下夹头
指针
标尺
G
转动机构
图 5-5
摆锤式强力仪
2．杠杆式强力仪 属等加负荷型强力仪； 属等加负荷型强力仪； 卜氏（pressly)强力仪和Uster公司的Dynamat 卜氏（pressly)强力仪和Uster公司的Dynamat 强力仪和Uster公司的 自动单纱强力仪均属此类。 自动单纱强力仪均属此类。
纤维断裂机理： 纤维断裂机理： 大分子主链的断裂 大分子之间的滑脱 纤维断裂过程： 纤维断裂过程： 脆断 韧断
B A A
C B A
C B
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图 5-8
纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面
2 影响纺织纤维拉伸性质的因素
内因： 内因： 大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）； 大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）； 聚集态结构（取向度、结晶度）； 聚集态结构（取向度、结晶度）； 形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性） 形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性） 外因： 外因： 温湿度； 温湿度； 测试条件： 测试条件： a.试样长度 a.试样长度 b.试样根数 b.试样根数 c.拉伸速度 c.拉伸速度
(a)
(b)
图 5-2
纤维屈服点的确定
屈服点高，即屈服应力和应变高， 屈服点高，即屈服应力和应变高，纤维不易产生塑 性变形，拉伸回弹性好，纤维制品尺寸稳定性好。 性变形，拉伸回弹性好，纤维制品尺寸稳定性好。
纤维的力学性质
第7章纤维的力学性质教学内容： 拉伸指标及性能 粘弹性能 弹性性能 疲劳破坏 弯曲性能（了解）第1节纤维的拉伸性质1. 拉伸曲线负荷p —伸长△ I 曲线 应力匚-应变曲线2. 拉伸性能指标 2.1强伸性能指标强伸性能是指纤维断裂时的强力（或相对强度）和伸长 （率）或应变。
（1） 强力P b ：又称绝对强力、断裂强力。
――是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到 断裂时所需要的力，单位为牛顿 （N ）。
纤维常用cN 强度指标（2） 比强度（相对强度）p b ：或称比应力――是指每特（或每旦）纤维能承受的最大拉力，单位为 N/tex ，常 用 cN/dtex （或 cN/d ）。
（3） 断裂应力（T b ：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单 位为帕Pa （N/m 2），常用兆帕MPa （N/mm 2）表示。
（4） 断裂长度L b ：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为 km 。
三类相对强度的表达式分别为：)_M_=mNpb力应 力应比R P d =-^ P b 单位为N P t 单位为N/tex N tex N denPb hiL b N mg-b=Pb-b = P 103A(5)断裂伸长率纤维拉伸至断裂时的伸长率(或应变) ，；,100%L0表示纤维断裂时的伸长变形能力的大小2.2 初始模量初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即二-;曲线在起始段的斜率。
初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。
小变形情况下(<1 %),晶区大分子基本不发生形变，只有非晶区分子链发生形变——主要取决于非晶区分子链的取向度。
影响材料的保形、弹性及刚度：大，制品挺括；小，柔软2.3屈服应力与屈服伸长率屈服点：在纤维拉伸曲线上伸长变形随应力增大突然变大时的转折点。
对应屈服点处的应力或伸长率就是屈服应力和屈服伸长率屈服点前后变形情况对比：(1)之前：主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切一一基本上是可恢复的急弹性变形。
第五章 纤维的力学性质
亚麻
0.87
1.51
1166.2
4.96 10-4
普通粘胶
0.75
1.52
515.5
2.03 10-4
强力粘胶
0.77
1.52
774.2
3.12 10-4
富强纤维
0.78
1.52
1419.0
5.8 10-4
涤纶
0.91
1.38
1107.4
5.82 10-4
腈纶
0.80
1.17
670.3
1
2.
单纤维拉伸性能与束纤维拉伸性能间数学关系。即：
(5-16)
著的粘弹性特征或称时间依赖性(time dependent)。典型的粘弹性表现有应力松弛、蠕变以及在交变载荷作用下应变落后应力的滞后性即动态力学性能。
一
1
纤维在拉伸变形恒定条件下，应力随时间的延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。
(5-21)
令
有 (5-22)
式中 为动态弹性模量； 为动态损耗模量。
图5-22 动态拉伸性能应力、应变和模量关系图
并由此可得复模量E*为： (5-23)
动态损耗为： (5-24)
纤维动态力学性质的时间依赖性表现为其动态力学性质指标E*、 、 和tg是交变负荷频率(即时间)的函数。象一般光谱图一样，力学内耗峰的位置和形状是有其“指纹”特征的。
（4）断裂功指标
a．断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。
(5-11)
b．断裂比功Wv：一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2。
(5-12)
另一定义是重量断裂比功Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功，其计算式为：
复合材料纤维材料的力学性质研究
复合材料纤维材料的力学性质研究复合材料已经在各个领域中得到了广泛的应用，比如航空航天、汽车、体育器材等等。
那么，复合材料为什么能够取代石油化工材料呢？答案就在于它具有更好的力学性质。
在复合材料中，纤维材料是其中十分重要的一部分。
纤维材料分为多种类型，比如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等等。
不同类型的纤维材料具有不同的力学性质，因此我们需要对它们进行仔细的研究。
首先，我们需要知道纤维材料的力学性质是由哪些因素决定的。
通常情况下，纤维材料的力学性质受到以下几个因素的影响：1.纤维本身的强度和刚度2.纤维的取向和密度3.矩阵材料的性质4.纤维和矩阵材料的相互作用其中，纤维本身的强度和刚度是最为重要的因素之一。
不同的纤维材料具有不同的强度和刚度，因此它们所组成的复合材料的力学性质也是不同的。
例如碳纤维具有很高的强度和刚度，因此它们所组成的复合材料具有更好的力学性能。
除此之外，纤维的取向和密度也会对复合材料的力学性能产生影响。
如果纤维的取向合理，可以使得复合材料的强度和刚度都更高。
而纤维的密度越高，则可以使得复合材料的强度越大。
另外，矩阵材料的性质也是决定复合材料力学性质的重要因素之一。
矩阵材料一般是树脂类材料，而不同的树脂所具有的性质也是不同的。
例如环氧树脂具有很高的强度和刚度，因此它们可以被用于制造高强度、高刚度的复合材料。
最后，纤维和矩阵材料的相互作用也会对复合材料的力学性质产生影响。
通常情况下，纤维和矩阵材料的相互作用会影响到复合材料的界面性能。
如果纤维和矩阵材料之间的黏结不好，就会导致复合材料的强度和刚度受到影响。
因此，对于复合材料的力学性质研究，我们需要做到以下几点：1.对纤维材料的强度和刚度进行仔细的研究和测试，了解它们的力学性质。
2.分析纤维取向和密度等因素对复合材料的力学性质的影响。
3.研究不同种类的树脂材料对力学性能的影响。
4.研究纤维和矩阵材料的相互作用，了解其对复合材料力学性能的影响。
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（2）屈服点确定：
（3）功Work
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1.4典型拉伸曲线分析
O'→O：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直； O→M：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧； Q→S：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复， 模量相应也逐渐变小； S→A：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有 所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。 Q：屈服点； A：断裂点。
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1.6常见纤维的有关拉伸性质指标
纤维品种
断裂强度（N/tex） 干态 湿态 0.53-0.62
钩接强度 （N/tex）
断裂伸长率 （%） 干态 18- 28 湿态 18- 28
初始模量 （N/tex）
定伸长 回弹率（%） （伸长3%）
涤纶
高强低 伸 型 普通型 锦纶6 腈纶 维纶 丙纶 氯纶 粘纤 富纤 醋纤 棉
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1.5常见纺织纤维拉伸曲线
拉伸曲线可分为三类： （1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等 纤维素纤维）——拉伸曲线近似直线，斜率较大 （主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高 的缘故）； （2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋 酯纤维等）——表现为模量较小，屈服点低和强 力不高； （3）初始模量介于1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦 纶、蚕丝等纤维）。
1.2标准测试条件举例 环境条件：Temperature: 20±3℃; Relative humidity (R.H.): 65±5%
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1.3指标体系
断裂强力；断裂强度；断裂伸长率 1.3.1断裂强力（绝对强力）P ——是纤维能够承受的最大拉伸外力。单
位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。 对不同粗细的纤维，强力没有可比性。
0.53-0.62
0.35-0.44
6.17-7.94 97
0.42-0.52 0.38-0.62 0.25-0.40 0.44-0.51 0.40-0.62 0.22-0.35 0.18-0.26 0.31-0.40 0.11-0.14 0.18-0.31 0.09-0.15 0.26-0.35 0.49-0.57 0.04-0.09
第一节 单纤维拉伸性质 测试标准的重要性 标准测试条件举例 指标体系 典型拉伸曲线分析 常见纺织纤维拉伸曲线 常见纤维拉伸性质指标 纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素 拉伸性能测试 纤维拉伸破坏形态
第五章 纤维力学性质
1.1测试标准的重要性 （1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不 同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条 件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环 境； （2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环 (或称为缺陷) 存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前 提下，必须标准化纤维待测区段长度； （3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是 严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方 式，必须标准化加载条件； （4）纤维间性质差异性，要取得统计意义上的平均值， 必须有足够的纤维根数。 Back
1.3.2强度 用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。 根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种： （1）比强度（相对强度）(specific strength 或tenacity)— —是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。 单位为：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。 其计算式为： Ptex P / N tex
纤维强度的三个指标之间的换算式为：
Ptex 9 Pden
Ptex 9 Pden L p Ptex / g 9 Pden g GPa g d 11.33 N tex
式中：γ——纤维的密度（g/cm3）； Ptex——纤维的特数制断裂强度（gf/tex）； Pden——纤维的旦数制断裂强度（gf/d）； g——重力加速度（等于9.8m/s2）； LR——纤维的断裂长度（km）。 可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤 维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂 强度才具有可比性。
0.42-0.52 0.33-0.53 0.22-0.35 0.35-0.43 0.40-0.62 0.22-0.35 0.11-0.16 0.25-0.29 0.07-0.09 0.22-0.40 0.07-0.14 0.19-0.25 0.51-0.68 0.03-0.09
Pden P / N den 式中：Ptex——特数制断裂强度（N/tex；cN/dtex； gf/dtex）； Pden——旦数制断裂强度（N/d；cN/d；gf/d）； P——纤维的强力（N；cN；gf）； Ntex ——纤维的特数（tex，dtex）； Nden——纤维的旦数（d）。
（2）断裂应力（强度极限）——指纤维单位截面 上能承受的最大拉力。 单位为N/mm2（即MPa）。 其计算式为：
P S
式中：σ——纤维的断裂应力（MPa）； P——纤维的强力（N）； S——纤维的截面积（mm2）。
（3）断裂长度（Lp）——是指纤维的自身重量与其断裂 强力相等时所具有的长度。 即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度即为断 裂长度。 其计算公式为： P Lp N m g 式中：Lp——纤维的断裂长度（km）； P——纤维的强力（N）； g——重力加速度（等于9.8m/s2）； Nm——纤维的公制支数。
1.3.3断裂伸长率ε
L L0 100% L0
1.3.4其他指标 （1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能 力，载荷－伸长曲线(或应力－应变曲线)起始直 线段斜率。 量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa) P L E L N tex 式中：E——初始模量（N/tex）； P——M点的负荷（N）； △L——M点的伸长（mm）； L——试样拉伸测试区段（mm）； Ntex——试样线密度（tex）。