第三章纤维的力学性质

❖ 2、相对强度P40
❖
是应力指标，简称强度，用纤维拉断时单位横截面上承受的拉伸
力来表示，可用来比较不同粗细纤维的拉伸断裂性能。
❖ （1）断裂应力
❖ 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／mm2（即兆帕）。其计算式为：
P
S
式中的σ为纤维的断裂应力（Mpa或 N/mm2），P为纤维的强力（N）， S为纤维的截面积（mm2）。
0.26-0.35 0.19-0.25 0.49-0.57 0.51-0.68 0.04-0.09 0.03-0.09
15- 25 0.40-0.41 1.5- 2.3
450- 800
27- 33 2.0- 2.4
4.41
54- 55（伸长5%）
17.64- 22.05
48（伸长2%）
95- 99 （伸长50%）
Breakage zones in nylon bristle 破坏分五个区域：A－起始，B－延伸，C－滑移，D－裂纹快速增加，E－最终破坏。
影响纤维断裂的其它因素 一、 温、湿度 二、 试样长度 试样愈长，强力愈低。因为沿纤维长度方向，强度是不均一的， 纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率 越大，越容易发生断裂，强力下降） 三、 纤维根数 束纤维中的纤维根数愈多，由束纤维强力计算得的平均单纤维 强力愈低，而且比单根测量时的平均强力低。
L - 拉伸后纤维长度（mm）；
L0 - 拉伸前纤维长度（mm）;
L1为断裂时的纤维长度（mm）。
❖ 三、表征纤维拉伸变形特征的指标P44 （1）初始模量是指纤维拉伸曲线上起始一段直线部
分的应力应变比值，即产生单位应变（1%伸长率） 时的应力值。
量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa)
间结合力消弱，因此，
纤维强度降低，断裂伸
长率增大，拉伸模量下降。
❖ 多数纤维随相对湿度提高，含水分增多， 分子间结合力越弱，结晶区越松散，纤维 强度降低，伸长增大、初始模量下降。涤 纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长 率几乎不受相对湿度的影响。
纤维断裂的可能情况有两种： •分子链断裂 •分子链滑移。
❖ 标准测试环境条件：Temperature: 20±3℃; Relative humidity (R.H.): 65±5%
❖ 指标体系
❖ 1.强力P40
❖
指纤维能够承受的最大拉伸力，又名绝对强力、断裂强力，
法定单位为牛顿（N），有单纤维强力和束纤维强力之分，它们分别
为拉伸根纤维和一束纤维至断裂时所需的力。
1—亚麻 4—涤纶 7—蚕丝 10—醋酯
2—苎麻 3—棉 5 、6—锦纶 8—腈纶 9—粘胶 11—羊毛 12—醋酯
P39图3-2
拉伸曲线可分为三类： （1）强力高，伸长率很小（棉、麻等纤维素纤维）
——拉伸曲线近似直线，斜率较大； （2）强力不高，伸长率很大（羊毛、醋酯纤维等）
——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）。
四、 拉伸速度（弱环定律） 一般随拉伸速度增加，断裂强力，初始模量，屈服应力(测试结 果）均会提高，而断裂伸长无一定规律。 五、 拉伸形式（或仪器类型） （1）等速牵引（CRT） （2）等加负荷（CRL） （3）等速伸长（CRE），此方法现在为国际推广方法
影响纺织纤维拉伸性能的主要因素:p50
1内部结构
luster
abrasion resistance
moisture absorption
第一节 纤维的拉伸与疲劳性能p38
一、拉伸曲线的基本特征P38图3-1
❖ 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
6.00- 8.20
定伸长 回弹率（%） （伸长3%）
97
100 89- 95 70- 80 96- 100 70- 85 55- 80 60- 85 70- 90 74（伸长2%）
绵羊毛
0.09-0.15 0.07-0.14
25- 35
25- 50
2.12- 3.00
86- 93
家蚕丝 苎麻 氨纶
第三章 纤维的力学性质
at a competitive price
fiber properties
Primary fiber properties
Required for manufacturing or processing the fiber into yarn or fabric.
length to width ratio strength flexibility
Rℇ——弹性恢复率（％） L0——纤维或纱线加预加张力时的长度 L1——纤维或纱线加负荷伸长后的长度 L2——纤维或纱线去负荷后加预张力的长度
六、纤维的疲劳破坏p47
小应力长期作用下发生的破坏，就叫疲劳。
或：纤维在远低于断裂应力或断裂应变的条件下，经受反复施 力而破坏，称为疲劳破坏
影响疲劳的因素主要有： （1）纤维的结构与性能（分子链的变形能力及变形后的恢复 能力大，则耐疲劳） （2）负荷大小 （3）作用方式 :作用时间，恢复时间，频率等 （4）温湿度
聚合度 取向度
结晶度
❖2、外因 ❖1）温湿度 ❖温度提高，纤维强度下降伸长增大； ❖相对湿度的提高，一般纤维，强度下 降而伸长增大；棉、麻纤维强度增大伸 长增大。
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。
拉伸曲线：纤维在拉伸过程中强 力和伸长的关系曲线。
O
图3-2 各种纤维的应力——应变曲线 P39
E PL L Nt
❖ 式中：E——初始模量（N/tex）； P——M点的负荷（N）； △L——M点的伸长（mm）； L——试样拉伸前长度（mm）； Tt——试样线密度（tex）。
（2）屈服点确定：p43
（3）功Work
❖拉伸曲线
❖1、负荷伸长曲线 以负荷为纵坐标， 伸长为横坐标的拉 伸过程图。（如图）
大分子共价键断裂机理 分子链断裂原因：∑氢键>∑共价键，分子间滑移所需的力>分子链断裂所需的力。 分子链断裂条件：纤维的聚合度高、取向度、结晶度高，即分子间作用力小。
弱环定理——弱点断裂机理 定理：强力决定于纤维上最弱的一环。
其断裂机理是由于大分子排列的不整齐性，纤维上存在薄弱 环节，当纤维受力时，会在此处首先断裂，然后缺口逐渐扩展， 直至纤维断裂。适用于弱环断裂机理的纤维有：天然纤维素纤 维（麻、棉），这一事实可由以下得以证明：
棉纤维实际强力比其理想强力小得多 棉纤维的湿强力>干强力 水有润滑作用，能缓和应力不匀，部分消除弱点 分子间建立交联，强度下降。
分子链及单元结构的相对滑移
❖ 纤维破坏形态 由Hearle and Cross发现的尼龙纤维的破坏
形态：
Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle
强度 延伸度 屈服点
初杨氏 模量 评价
麻 高 低 无
高
硬脆
棉 中 低 无
中
硬强
粘胶 低 高 有
低
软弱
❖ 四、 三种变形p45
❖ （一）急弹性变形. 它是由于纤维大分子的键长、 键角变化引起。
❖ （二）缓弹性变形: 它是由于弯曲的大分子逐渐伸 直，倾斜的大分子沿纤维轴向排列形成的变形。
❖ （三）塑性变形: 它是由于纤维大分子间相互滑移 造成的不可恢复的变形。
❖ 第二节：纤维拉伸曲线的基本特征和纤维 断裂机理P48
拉伸断裂机理 1。原因：主链断裂；分子间滑脱。 2。影响纤维拉伸性能的因素 （一）内因： （1）大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的 聚合度）：大分子的平均聚合度↑，大分子结 合力↑，不易产生滑移，纤维的强度高而伸度 小。
（二）外因：
❖ （1）温湿度：在纤维回潮率一定的条件下， 温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔 曲性提高，分子
表征纤维疲劳特性的指标是耐久度或坚牢度，即指纤维能承受 “加负荷、去负荷”反复循环的次数。
常见纤维的有关拉伸性质指标P40
纤维品种
高强低伸
涤
型
纶 普通型
断裂强度（N/tex）
干态
湿态
0.53-0.62 0.53-0.62
0.42-0.52 0.42-0.52
锦纶6 腈纶 维纶 丙纶 氯纶 粘纤 富纤 醋纤
❖2、应力应变曲线 以相对负荷（通常 以牛/特表示）为纵 坐标，伸长率为横 坐标得到的曲线。
（二）拉伸图上的有关指标： 1、断裂点的指标 2、初始模量：纤维材料拉伸曲线的起始较直部分伸直延长线上 的应力与应变之比。
3、屈服点 拉伸曲线
由伸长较小部分转向伸长较 大部分的转折点
对棉、麻和粘胶纤维的以下几个参数进行比较:
二、表征纤维拉伸断裂特征的指标P40 测试标准
❖ （1）环境条件会引起材料被测力学性质指标的差异； ❖ （2）不同横截面或不同长度纤维弱环存在几率不一样，
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。
❖ （2）比强度P41
❖ 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。其计算式为：