纤维的力学性质 (2)
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。
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
名词解释 (2)
差别化纤维：在原来的纤维组成基础上进行物理或化学的改性处理，使性状上获得一定改善的纤维。
复合纤维：将两种或两种以上的高聚物或者性能不同的同种聚合物，通过一个喷丝孔纺成的纤维。
异形纤维：指纤维截面形状非实心圆形而具有某种特殊形状的纤维。
原纤：纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状物质，统称原纤。
两相结构：纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，大分子可以穿越几个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小，为10nm数量级，分子链在晶区是规则排列的，在非晶区则为完全无序堆砌。
结晶度：纤维中结晶部分占纤维整体的比率。
取向度：大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度。
聚合度：大分子中重复结构单元的数目。
成熟度：纤维胞壁的增厚的程度，胞壁越厚，成熟度越高。
纤维长度界限或称界限长度（mm）：是在某特定纤维含量值C（%）条件下的纤维长度Lc,即超出此长度Lc纤维的含量只有C。
特克斯Tex：1千米长的纤维或纱线在公定回潮率时的质量克数。
(Nt=1000Gk／L)旦尼尔ND：9000米长的纤维在公定回潮率时的质量克数。
(Nt=9000Gk／L)公制支数Nm：在公定回潮率时1g纤维或纱线所具有的长度米数。
(Nm=L／Gk)英制支数Ne：在英制公定回潮率下，1磅重的棉纱线所具有多少个840码长度的倍数，即多少英支。
（Ne=L′／840Gk′）公定重量：纺织材料在公定回潮率时的重量，也叫标准质量。
品质支数：在公定回潮率下，羊毛实际可纺的长度。
主体长度LM:一批棉样中含量最多的纤维的长度。
品质长度：比主体长度长的那部分纤维的重量加权平均长度，又称右半部平均长度。
滑脱长度Lc：短纤纱受力断裂时，从断面中抽出的最长纤维的长度。
马克隆值:棉纤维在规定仪器和条件的流量大小,用国际认可的马克隆刻度表示;它是棉纤维成熟度和细度的综合反映.吸湿性：纤维材料从气态环境中吸着水分的能力。
纤维的浸润：纤维与液体发生接触时的相互作用的过程。
芯吸：纤维集合体内（纤维间）或单纤维体内（孔洞）对液体的毛细吸水的现象。
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。
纺织材料学参考试卷
√ √一名词解释 06级纺织工程 纺织材料学（B ） 2008.06.10上午 一、 名词解释（3×10=30分） 1、品质长度 2、滑脱长度 3、327B 4、极限氧指数 5、热定型 6、回潮率 7、吸湿微分热 8、松弛 9、结晶度 10、纬密 二、简答题（5×6=30分，任选6题） 1、纺织纤维是如何分类的？ 2、纤维的长度和细度对纱线性能有何影响？ 3、试述影响纤维吸湿的机制及理由。
4、不同吸湿性的纤维吸湿后力学性质有何变化？并解释。
5、讨论加捻对纱线结构和性能的影响。
6、画出纱线变异——长度曲线，并作说明。
7、织物的透通性包含什么方面内容？ 8、介绍织物起毛起球的过程。
三、问答题（4×10=40分，任选4题） 1、试比较常见纤维素纤维在结构和性能上的异同点。
2、何谓羊毛的缩绒性？分析其产生的机理，防止缩绒性有何方法？ 3、纤维受热时，力学状态发生变化或转变的基本机理及解释。
4、纺织纤维在加工和使用过程中为何会产生静电现象？说明纤维带静电的危害。
减少和防止静电的方法有哪些？ 5、试述织物的拉伸断裂机理，分析影响织物拉伸强力大小的诸因素。
6、试定义非织造布，从结构和特性方面介绍非织造布。
1、品质长度:试样中长度超过主体长度的那部分纤维的重量加权平均长度；2、滑脱长度：纱线受力断裂，从断面中抽出的最长纤维的长度；3、327B：指3指锯齿白棉，手扯长度为27mm，马克隆直B级；4、极限氧指数：氧气体积/（氧气体积+氮气体积）；5、热定型：温度大于玻璃化温度，外力作用下变形，保型冷却，变形固定；6、回潮率：水重/干重，百分率；7、吸湿微分热：纤维吸着一克水，放出热量；8、松弛：受力恒定，变形随时间延长的现象；9、结晶度：结晶区占整个材料的体积，百分比；10、纬密：经向，单位长度纬纱根数。
二、简答题1、纺织纤维是如何分类的？天然，化学纤维，略向下展开；2、纤维的长度和细度对纱线性能有何影响？越长越细→纱线强力，高细度小，均匀度好；3、试述影响纤维吸湿的机制及理由。
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。
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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。
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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
纺织材料学
2.合成纤维结构一般比较致密，而天然纤维组织中有微隙，这也是天然纤维的吸湿能力远大于合成纤维的原因之一。
纤维大分子中，亲水基团的多少和极性强弱均能影响其吸湿能力的大小。数量越多，极性越强，纤维的吸湿能力越高。如：羟基（-OH）、 酰胺基（-NHCO-)、羧基（-COOH）、氨基(-NH2)等。纤维素纤维：如棉、麻 粘胶，大分子中的每一葡萄糖剩基含有3个-OH，所以吸湿性较大。蛋白质纤维主链上含有亲水性的-COOH，侧链中含有-OH，-NH2，-COOH等亲水性基团，因此吸湿性很好。合成纤维含有亲水基团不多，所以吸湿性都较差，可见天然纤维的吸湿性大分子合成纤维。
1·导热系数拉姆达越大，而天然纤维和粘胶的拉姆达较小，因而它们的抗熔孔性较好。而锦纶和涤纶拉姆达比较高，所以它们的抗熔孔性较差
2.吸湿能力越高，其抗熔孔性越好
纤维无定形区内缝隙孔洞越多越大，纤维吸湿能力越强。而天然纤维组织中有微隙，可见其吸湿性好。而合成纤维结构一般计较致密，所以吸湿性较差。
拉伸断裂机理
1.纤维中各结晶区之间的非晶区内较短的大分子链段伸直、变长；
2.随着拉伸力的增大，大分子的键长度增长，键角增大，较长的大分子链段也伸直、变长；
3.拉伸力继续增大时，将可能使原先无定形区中较短的大分子链段断裂，也可能将它从结晶区中逐渐地抽拔出来。
4.各个结晶区逐步产生相对移动，大分子由结晶区中抽拔
意义：纤维的热定型一般采用高于玻璃化温度低于软化温度的热处理。（待定）
纤维拉伸变形的三部分
1急弹性变形
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。
纺织材料学：第六章 纤维的力学性质
➢ 试样根数 ➢ 应变率（拉伸速度） ➢ 拉伸方式
(c/mm2)
P0 (cN/dtex) L (cN/tex)
-57
21 99 177
温度对涤纶拉伸性能的影响 回潮率一定，温度↑，纤维大分子热运动↑，大分子柔曲性 ↑，分子间结合力(次价键力)↓→纤维断裂强度↓，断裂伸 长率↑，初始模量↓，
0Sint
0Sin(t d )
d
作用
称为动态弹性模量，代表材料的弹性部分
称为动态损耗模量，代表材料中粘性流
动的响应，产生能量损耗
E″ 越大，粘弹性材料的能量损耗越大，因此称E″为动态 损耗模量，E′为贮能模量。
正切损耗
tgd
E // E/
六、线性粘弹性力学模型mechanical model
力学模型的基本单元
E
η
胡克弹簧
牛顿粘壶
d dt
（一）Maxwell模型－应力松弛
1 2
本构关系：d
dt
d1 dt
d 2 dt
1 d dt
根据应力松弛的特征：＝0＝常数 初始条件：t＝0时，＝ 0＝E·0 解微分方程得
ln t c
t
0e
t
0e
/，为 应力松弛时 间，其物理 含义是当应 力衰减为初 始应力的1/e 倍时所需的 时间，它是 代表材料粘 弹性比例的 参数，τ值越 大，材料的 弹性表现越
大小 。
2屈服点（yield point ）
在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时的转折点 称为屈服点。
超过屈服点后，纤维将产生较高比例的塑性变形
屈服点的求法
➢ 曼列狄斯(Meredith)法(Ym)、考泼伦(Coplan)
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。
纤维力学性质
纤维力学性质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。
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：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：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：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。
纤维强度的三个指标之间的换算式为：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。
1.3.3断裂伸长率ε1.3.4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。
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：
第三章-纤维力学性质
一、拉伸性能
• 1. 纤维的拉伸曲线特征
• 当较小的外力作用时，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。
• 当施加外力增大时，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的力 而断裂，分子链进一步伸展。
• 当进一步增加外力时，由于纤维中许多大分子 链经过屈服流动后，分子链因充分伸直，进一 步拉伸比较困难，这时主要是纤维大分子链键 长和键角的改变而引起。
• 2.拉伸性能指标
• （1）强伸性能指标 • a. 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）。 • b每. 断 旦裂 ）强 纤度 维（所相能对承强受度的最pt ）大—拉—力是。指单每位特为（：或 N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。 • c受. 断的裂最应大力拉（力σ。b 单）位—为—N指/m纤m维2（单即位M截P面a）上。能承 • d其. 断 断裂 裂长 强度力（相L等b 时）所—具—有是的指长纤度维。的单自位身为重k量m与。
0
变形
t1
t
0
(t)
或 P(t)
张力
∞
t1
t
• 3．描述纤维粘弹性的几个力学模型
• 对上述粘弹性现象的定量描述常采用力 学模型模拟。
• 线性粘弹性力学模型是指用虎克弹簧和 服从牛顿粘滞定律得粘壶组成的力学模 型，它能直观、形象地描述高聚物的粘 弹性现象，并有利于深入研究和理解粘 弹性的本质。
• (1) 马克思威尔(Maxwell)模型 • 将虎克弹簧和牛顿粘壶串联，可以用来模拟应
E1
E1 E2 E1E2
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第一节 纤维的拉伸性质
纺织加工和纺织品使用过程，要求纤维具一定抵抗外力的能力。
• 纤维的力学性质是最主要的性质。 • 纺织纤维一般是长径比>1000的细
长柔性体，轴向拉伸是其受力的主 要形式，强伸性质是衡量其力学性 质的重要指标。
一、拉伸曲线及拉伸性能指标
1、纤维的拉伸曲线
A：线性区； B：屈服区；负荷上升缓慢，伸长变形
4. 三阶导数法：分别做应力-应变曲线的三阶导数曲线，其和应变轴的交 点，即为屈服伸长率，进而得到屈服点。
• 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
增加较快
C：强化区；负荷上升较快，伸长变形 增加较慢
线密度0.3tex，密度1.5g/cm3，长20cm
应力/MPa 比应力/N t·ex-1 负荷/N
600 0.4 0.12
B
300 0.2 0.06
A
0
0
0
2
0
0.1
0
10
C
4 伸长/cm 0.2 应变 20 伸长率/%
• 纤维拉伸曲线不同区域的变形机理：
1.强力高、伸长率小
• 这类纤维取向度、结晶度和聚合度都比较高，大分子属刚性分子链。取向 度高：绝大多数大分子沿纤维轴向排列，几乎没有伸直变形的过程，大分 子之间可能产生的滑移量减少，故表现为纤维强力高、伸长小；结晶度高： 分子间以较强键连接的部分占较大比例，缝隙空洞少，故能提高强力、屈 服应力和初始模量，而伸长率减少；聚合度在一定范围内增大会增加分子 间结合力而强度增加，并因此使伸长率变形减少。
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
几个术语：
1. 材料的“软-soft”和“硬-hard”，或“柔-flexible”和“刚-stiff”用于区 分模量（modulus）的低或高；
2.强力不高、伸长率很大 • 这类纤维的大分子柔曲性高，结晶度和取向度较差，虽然聚合度不一定低，
但因大分子间不能形成良好的排列，过长的分子链反而增加了自身的卷曲。 大分子空间结构改变的过程比较长，分子间滑脱的比例较大，故伸长率很 大，表现为模量较少，屈服点低和强力不高。 3.强力与伸长率介于二者之间 • 结晶度和取向度等介于前二者之间。如：锦纶因分子链的柔曲性较大，故 初始模量小，而刚性分子链的涤纶因初始模量大，故在拉伸图上，涤纶的 曲线在锦纶之上。
• B区域的变形源于，当施加外力增大时，无定形区中部分横向连接键因变形 较大而不能承受施加的外力而断裂，分子链进一步伸展。该阶段伸长变得 容易，应力上升缓慢，应力-应变曲线斜率较小，纤维呈现屈服现象。由于 断裂后的横向连接键不能回到原始位置，或在新位置建立新的横向次价键， 故外力去除后变形的回复不完全。
b ptex 103 或 b pden 9103
Lb
p t ex g3
e．断裂伸长率（应变）：纤维拉伸至断裂时的伸长率(或应变)称为断裂伸长率
b(%)(或断裂应变b)
b (%)
lb l0 l0
100
f.初始模量：纤维拉伸曲线的起始直线部分应力与应变比值，即 - 曲线在
• 拉伸曲线可采用负荷-伸长、应力-应变等表示，仅坐标变化。
• A区域的变形源于分子链键长（包括横向次价键）和键角的改变。当较小的 外力作用时，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。变形的大小和外力 正比，应力-应变为线性关系，符合虎克定律（Hooke’s Law，σ=Eε），外 力去除分子链和横向连接键将回复到原来的位置，即完全弹性回复，且变 形速率和回复时间很短，约10-13s，即变形对时间的依赖可以忽略。
起始段的斜率。当纤维拉伸曲线起始部分非直线时，初始模量常取伸长 率1%（或0.5%）的应力值，按定义初始模量=应力/应变，即割线模量。
g.屈服应力与屈服伸长率：在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时 的转折点称为屈服点。对应的应力和伸长率(或应变)称屈服应力和屈服 伸长率(或应变)。实践表明，纤维屈服点后，将产生比例较大的塑性变 形，力学性质将发生很大变化，故屈服点是材料的重要特征。
2、拉伸性能指标
a. 断裂强力（绝对强力）P：纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）； 厘牛（cN）；克力（gf）。
b. 断裂强度（相对强度pt ）：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。
c. 断裂应力（σb ）：纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位N/mm2（MPa）。 d. 断裂长度（Lb ）：纤维的自身重量与其断裂强力相等时具有的长度。单位km。 • 三类相对强度的相互关系（g为重力加速度；γ为密度g/cm3）：
常用的屈服点确定方法（p74，图3-3）：
1. 角平分线法：用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点，做两 切线的角平分线，并与应力-应变曲线的交点为屈服点。
2. 考泊兰(Coplan)法： 用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点， 做平行于应变轴的直线，与应力-应变曲线的交点为屈服点。
3. 曼列叠斯(Meredith)法 ：用和原点和断裂点连线的平行线与应力-应变曲 线的切点，作为屈服点，分别对应屈服应力和屈服应变。
• C区域的变形源于，当进一步增加外力时，由于纤维中许多大分子链经过屈 服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸比较困难，这时主要是纤维大 分子链键长和键角的改变而引起，直至发生断裂。
常用纺织纤维的拉伸曲线
比应力
亚麻 苎麻
棉
涤纶
锦纶 锦纶 蚕丝
腈纶
粘胶 醋酯
羊毛
醋酯 应变
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。