13.纺织材料的基本力学性质.

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再继续拉伸,结晶区更松散,许多基原纤和大分子由于长 距离抽拔,有的头端已从结晶区中拔出而游离,部分大分 子被拉断,头端也游离。
最后,在整根纤维最薄弱的截面上断开(一部分基原纤和 大分子被拉断,其余全部从对应的结晶区中抽拔出来), 达到图10-1拉伸曲线的断裂点(a点)。
例如,涤纶短纤维可以有高强低伸(棉型)、低强高伸(毛 型)等等。
Baidu Nhomakorabea
一、拉伸断裂性能的基本指标
拉伸变形曲线有关指标如下:
1. 初始模量 图10-1中Ob线段斜率较大,斜率即拉伸模量E:
E d d
因此,在曲线Ob段近O点附近,模量较高,为初始模量, 它代表纺织纤维、纱线和织物在受拉伸力很小时抵抗变形的 能力。
公斤力
0.101972 1.01972×10-6
1 10-3
克力
101.972 1.01972×10-8
1000 1
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
2.相对强度 纤维粗细不同时,强力也不同,因而对于不同粗
细的纤维,强力指标无可比性,为了便于比较, 可以将强力折合成规定粗细时的力,这就是相对 强度。 纤维的相对强度因折合的细度标准不同而有很多 种,最常用的有以下三种。
①角平分线法 ②考泊兰(Coplan)法 ③曼列狄斯(Meredith)法
图10-3 纤维屈服点的确定
一、拉伸断裂性能的基本指标
过屈服点后,纺织材料伸长率明显增加,其中不可 恢复的伸长率和恢复缓慢的伸长量占较大的比例, 因此,在其他指标相同的情况下,屈服点高的纤维 不易产生塑性变形,织成的织物尺寸稳定性较好。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
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。
纤维的初始模量大,其制品比较挺括;反 之,初始模量小,制品比较柔软。
一、拉伸断裂性能的基本指标
(二)拉伸变形曲线和有关指标
纺织材料在拉伸过程中,应力和变形同时发展, 发展过程的曲线图叫“拉伸图”。
纺织材料学
第十章 纺织材料的基本力学性质
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第十章 纺织材料的基本力学性质
纺织材料的基本力学性质是指纤维、纱线、织物 在外力作用时的性质,总体包括了拉伸、压缩、 弯曲、扭转、摩擦、磨损、疲劳等各方面的作用。 这是纺织材料服用性能的重要物理性能之一。
第一节 拉伸性质
一、拉伸断裂性能的基本指标
强力的法定计量单位是牛顿(N),纤维以往曾用
的单位是kgf(公斤力)和gf(克力)。 在海拔高度在海平面时这些力的单位之间的换算
关系,见表2-11 。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
表2-11 力的单位换算表
牛顿
1 10-5 9.80665 9.80665×10-3
达因
105 1 980665 980.665
强力余效(%)= [(σa-σ1)/σa]×100 伸长余效(%)=[(εa-ε1 )/εa]×100
第二个屈服点强伸余效与服用性能密切相关,强伸余效愈高,服用性
能愈好。
一、拉伸断裂性能的基本指标
3.断脱强度和断脱伸长率
材料拉伸中,一部分材料在拉伸过程中达到最大力点(图 10-1中a)之后,并未直接断脱,而缓慢下降一段之后应 力才急剧下降并断脱。 因此,在断裂点a之外,还有一个断脱点(d)(rupture point)。 这点的强度称为断脱强度(rupture tenacity), 其伸长率称断脱伸长率(rupture elongation)。
纤维的线密度是Nt(tex)或Nd(den),强力是P(cN)时, 则

P
P
pot Ntex
pod Nden
式中:P0t——断裂比强度(cN/tex);

P0d——断裂比强度(cN/den)。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
(3)断裂长度L: 纤维悬挂重力等于其断裂强力时的长度,单位为km。
区内长度最短的大分子链伸直,即成为接近于与纤维轴线 平行而且弯曲最小的大分子(甚至还有基原纤)伸直(这 一段一般在拉伸预加张力范围内,在拉伸图中不显示)。
其后,这些大分子受力拉伸,使化学价键长度增长、键角 增大。在此过程中,一部分最伸展、最紧张的大分子链或 基原纤逐步地从结晶区中抽拔出来。此时,也可能有个别 大分子主链被拉断。

L P 1000
Nt g
式中:g ——重力加速度(m/s2),海平面处为9.80665。
断裂长度L与断裂比强度的关系为

L
p0t g
103
9
pg0d
103
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
(4)强度指标之间的换算
p0t 103
9 p0d 103

L0 —试样原长(mm);

La —试样拉断时的长度(mm)。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
4、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 - 曲线在
起始段的斜率。
E0

Pa l0
la N tex
E0为初始模量(N/tex,N/mm2,MPa,或N/den)。
一、拉伸断裂性能的基本指标
初始模量的简便求法:伸长率为1%时的纤维应力的100倍, 即为初始模量,单位为cN/tex或cN/dtex。
一般用E0表示。
它的大小与纤维材料的分子结构及聚集状态有关,如: 麻类(苎麻)纤维E0为176~220cN/dtex, 棉纤维的E0为60~82cN/dtex, 绵羊毛纤维的E0为8.5~22cN/dtex, 原因之一是由于麻纤维聚合度高(约为3万左右),而棉
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
(1)断裂应力σ:为纤维单位截面积上能承受的
最大拉伸力。 这是各种材料通用的表示材料相对强度的指标,
一般用σ表示,标准单位为N/m2 (帕pa), 常用N/mm2 (兆帕Mpa)表示。
由于纺织纤维的截面形状的不规则性,真正的截面积很难求测,故实 际应用中很少使用断裂应力指标,但在理论研究时,常用其进行分析。 亦称体积比强度(在相同体积下比较材料之间强度的差异)。
图10-2 不同纤维应力应变曲线
一、拉伸断裂性能的基本指标
不同材料的拉伸变形曲线形状不同,如图10-2所示,基本上 分为三类:
①高强低伸型:例如麻、棉纤维,表现出脆性特征; ②高强高伸型:例如锦纶、涤纶纤维,表现出延展性特征; ③低强高伸型:例如羊毛纤维,表现出弹性特征。
当然上述分类并不很严格,对于化学纤维的加工工艺不同, 加工条件不同,它的拉伸变形曲线也会不同。
一、拉伸断裂性能的基本指标
4. 断裂功和断裂比功
在直接测定中,所得的拉 伸如图10-4所示。曲线oa 下的面积就是拉断纤维、 纱线或织物过程中外力对 它作的功,也就是材料抵 抗外力破坏具有的能量即 “拉伸断裂功”。
因此,有时将拉伸图称为 示功图。
1a
W 0 pdl
式中:W—拉伸断裂功(cN·㎜即10-5J)。
纺织材料在外力作用下破坏时,主要和基本的方式是被 拉断。表达纺织材料抵抗拉伸能力的指标很多,基本的 有下述四类。
(一)拉伸断裂强力和拉伸断裂比强度
应力 σ (N/mm2=MPa) 比应力 p (N/tex) 负荷 P(N)
Pb
600
0.4
0.12
b s
300
0.2
0.06
试样长度 20 mm
纤维聚合度略低(为1~1.5万左右),分子链伸展并且氧 六环刚硬;毛纤维分子链柔软,且有螺旋,聚合度也低 (100-300)。 它与纺织制品的手感、悬垂、起拱性能等关系密切,毛织 物的手感较柔软。
一、拉伸断裂性能的基本指标
2. 屈服应力和应变 图10-1中曲线上的b点为屈服点(yield point),这一点
二、纺织材料拉伸断裂机理及主要影响因素
各结晶区逐步产生相对移动,结晶区之间沿纤维轴向的距 离增大,在非结晶区中基原纤和大分子链段的平行度(取 向度)提高,结晶区的排列方向也开始顺向纤维轴,而且 部分最紧张的大分子由结晶区中抽拔后,非结晶区中大分 子的长度差异减小,受力的大分子或基原纤的根数增多。
如此,大分子或基原纤在结晶区被抽拔移动越来越多,被 拉断的大分子和拔脱的大分子端头也逐步增加,如图10-5
p0t 9 p0d
L

p0t g
103

9
pg0d
103
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
3.断裂伸长率
纤维拉伸到断裂时的伸长率(应变率),叫断裂 伸长率,用εa表示,单位为百分数。
断裂伸长率可表示纤维承受最大负荷时的伸长变 形能力。

εa

La L0 L0
100
式中: εa—拉伸断裂伸长率(%);
此后纤维中的大部分基原纤和松散的大分子都因抽伸滑移 作用而达到基本上沿纤维轴向伸直平行的状态[如图10-5 的(5)],结晶区也逐步松散。
二、纺织材料拉伸断裂机理及主要影响因素
这时,由于取向度大大提高,大分子并拢靠近,大分子之 间侧向的结合力可能又有所增加,所以大多数纤维拉伸曲 线的斜率又开始有所上升,出现第二屈服点。
当横坐标为伸长率ε(%),纵坐标为拉伸应力 (σ、p0或L)时,拉伸曲线称为应力应变曲线, 典型曲线如图10-1所示。
断裂点(breaking point)a对应的拉伸应力σa就 是断裂应力;
断裂点对应的伸长率εa就是断裂伸长率。
图10-1 拉伸应力曲线伸长率曲线图
图10-1 典型纤维的应力应变曲线
一、拉伸断裂性能的基本指标
有些纤维如锦纶在拉伸过程中会出现第二个屈服点,如图 10-2中锦纶的二次屈服点。
如不同类型的锦纶纤维,虽然细度相同,拉伸变形曲线完 全不同,尤其是第二个屈服点存在着显著差异,为了考核 这一性能引入强伸余效(强力余效和伸长余效的总称)的 指标。
强伸余效为断裂强伸值与第二个屈服点强伸值之差对断裂 强伸值的百分数。
所示。
图10-5 纤维拉伸示意图
二、纺织材料拉伸断裂机理及主要影响因素
如此继续进行,大分子或基原纤间原来比较稳定的横向联 系受到显著破坏,使结晶区中大分子之间或基原纤之间的 结合力抵抗不住拉伸力的作用(例如氢键被拉断等)从而 明显地相互滑移,大批分子抽拔(对于螺旋结构的大分子 则使螺旋链展成曲折链),伸长变形迅速增大,此时出现 图10-1中bc段的现象。
一、拉伸断裂性能的基本指标
图例为10η-4,中称,为当“曲充线满oa系下数的”面,积断占裂矩功形的op计aa算la的式面可积以的写比成:

W=palaη
纱线或纤维的粗细不同时,拉伸断裂功不能反映材料的 相对强弱,故为比较起见,要取它的相对值,即折合成 单位体积(mm3)时拉断纤维或纱线所需作的功(即折 合成同样截面积,同样试样长度时的断裂功),这叫拉 伸断裂比功。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
断裂应力的计算式为:

σP
A
式中 σ ——断裂应力(pa);

P——断裂强力(N);

A——截面面积(㎡)。
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
(2)断裂比强度P0:
比强度是指纤维1特粗细时能承受的拉伸力。
单位为N/tex,常用cN/dtex,简称比强度或重量比强度 (相同重量材料的强度)。
对应的拉伸应力为屈服应力(σb),对应的伸长率就是屈服 应变(εb)。
其定义为在拉伸变形曲线上,由斜率较大转向斜率较小时 的转折点,或者说纺织材料经过弹性变形区后进入到黏弹 性区域(在此区域变形迅速增加),从弹性变形到黏弹性 变形的转折点。
一、拉伸断裂性能的基本指标
纤维材料的屈服点不明显,往往表现为一区段。由作图法定出,目前 有三种方法:
Wd

W S Lo
Wd—拉伸断裂比功(cN·mm/mm3即10-5J/mm3); W—拉伸断裂功(cN·mm即10-5J); S—试样实际截面积(mm2); L0—试样拉伸时的名义隔距长度(mm)。
二、纺织材料拉伸断裂机理及主要影响因素
(一)纺织纤维的断裂机理及主要影响因素 1.纺织纤维的断裂机理 纤维受力开始时,首先是纤维中各个结晶区之间的非结晶
Pa
a Y (y,y)
线密度 0.3 tex
纤维密度 1.5 g/cm3
0
0
0 Δla
2
4 Δl 伸长(mm)
0
0.1
0.2 ε=应变
0
10
20 ε=应变率(%)
一. 纤维拉伸断裂性能的指标
1.拉伸断裂强力 强力,即纤维受外力直接拉伸到断裂时所需要的
力,是表示纤维能承受最大拉伸外力的绝对值的 一种指标,又称绝对强力、断裂强力。
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