第五章力学性质

注意单位取值
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，断裂应力和断裂强度才具
有可比性。
3．断裂伸长率 ε——应变
定义：纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率。 它表示纤维承受拉伸变形的能力。 其计算公式为： ε =（L-Lo）/ Lo 式中： Lo——纤维加预张力伸直后的长度（mm）； L ——纤维断裂时的长度（mm）；
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
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)
六、纤维拉伸性能的测试
1.摆锤式强力仪
支点
M=(G1/2+G)L· sin+f
M=R· P
重锤杆
L

上夹头 G1 纤维 下夹头
指针 标尺
试样上的负荷P与重锤杆 摆动角θ的正弦成正比。 摆锤式强力仪属于等速牵 引式强力仪，由上下夹头 同时以不同速度下降，力 施加亦呈非线性
G
转动机构
2.秤杆式强力仪
(c/mm2)
-57
21
99 177
温度对涤纶拉伸性能的影响
P0 (cN/dtex) L (cN/tex)
(c/mm2)
相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响
P0 (cN/dtex)
L (cN/tex)
②测试条件： a.试样长度：L↑，出现弱环的机会↑ b.试样根数：根数↑，纤维断裂不同时性↑， 折算成单纤维强度↓ c.拉伸速度：v↑，强力↑，ε↓，E↑
（2）断裂比功Wa
定义：拉断单位体积或单位质量纤维外力 所作的功。便于不同纤维之间进行比较。
Wa=W/(Ntex*L0)
（3）功系数We（功充满系数）
定义：实际所作功（即断裂功W，相当于 拉伸曲线下的面积）与假定功 （即断裂强力*断裂伸长）之比。 其计算式为： We=W/(Pa*△L) We值越大表明这种材料抵抗拉伸断裂的能 力越强。 各种纤维的功系数大致在0.46-0.65间。
三、应力松弛（变形一定，F-t关系）
0
变形
t1
t
0
张力
(t)
或 P(t)
∞
t1 t
定义：
在一定温度下，拉伸变形保持一定，纺织 材料内的应力随时间的延续而逐渐减小的现象 称为应力松弛。 产生原因： 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，形成新 的结合点，从而使内应力逐渐减小。
一、纤维的拉伸变形
P P0
O
t1
t2
t
t 2 4 1
O t1
3 31
5
t2 t
纤维拉伸变形的组成 急弹性变形3：加（或去除）外力后能迅速变形。 缓弹性变形4：加（或去除）外力后需经一定时间 后才能逐渐产生（或消失）的变形。 塑性变形5 ：纤维材料受力时产生变形，去除外力 后，不回复的变形。（绝对值） 可回复的变形：急弹性+缓弹性 不可复的变形：塑性变形
4.屈服应力与屈服应变
屈服点：曲线由伸长较小部分转向伸 长较大部分的转折点。 屈服应力：屈服点处所对应的应力。 屈服应变：屈服点处所对应的应变。
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。
其计算式为： Ptex=P/Ntex Pden=P/Nden
式中：Ptex——特数制断裂强度（N/ tex；cN/dtex） Pden——旦数制断裂强度（N/d；cN/d） P ——纤维的强力（N；cN） Ntex ——纤维的特数 （tex; dtex) Nden——纤维的旦数(d)
(2)断裂应力σ
固定拉伸率（%）
时间 (s)
羊毛在不同相对湿度下的应力松弛
涤纶在不同拉伸率下的应力松弛
P
四.纤维的弹性
（1）定义：指纤维变形的恢复能力。 （2）常用指标： a.弹性回复率Re（或称回弹率） O Re =（L1-L2）/（L1-L0）
(a) CRE 等速伸长
纤维变形：ε=ε急+ε缓+ε塑 三种变形同时产生，所占比例受纤维的性质、 加负荷的大小、负荷的作用时间的影响。
二、蠕变
定义：指一定温度下，纺织材料在一定 外力作用下，其变形随时间而变 化的现象。 产生原因：随着外力作用时间的延长，不断克 服大分子间的结合力，使大分子逐渐沿着外 力方向伸展排列，或产生相互滑移而导致伸 长增加。
换算单元
△l=vt
下夹头的位移量基本 上就等于试样伸长变 形量△l，从而直接根 据移动速度v与时间t 的积，得出△l。
固定梁上装有电阻应变丝，上夹头受到试样传送来的拉伸 力，引起电阻应变丝的微小变形，而改变电阻值。通过电 阻应变仪对信号的检测放大后，直接显示出拉伸力的大小。
第二节 纤维的蠕变、松弛和疲劳
显著特征：横向次价键未破坏，大分子不发生相对 运动
①分子链伸展 ②分子链及次价 键键长键角变化
屈服区（YS）
纤维伸长较容易
应力上升缓慢 形变不能完全回复（次价键断裂及重新生成，大分 子质心发生相对运动） 变形机理——氢键等次价力断裂，分子链伸展
次价键断裂 分子链伸长
重新生成的次价键 发生断裂的次价键
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
（1）断裂功W 定义：指拉断纤维过程中外力所作的功，或纤维受 拉伸到断裂时所吸收的能量。 W是强力和伸长的综合指标，用来有效评价纤维的坚 牢度与耐用性能。 W大，说明断裂时吸收的能量大，纤维的韧性好，耐 疲劳性能强，能承受较大的冲击。 在负荷-伸长曲线上，断裂功就是曲线下所包含 的面积。 l
W 0 Pdl
比容 (cm3/g)
粘胶纤维 醋酯纤维
比应力 (gf/tex)
屈服应力 (N/cm2)
增加取来自百度文库度
结晶度 (%)
伸长率 (%)
不同取向度纤维的应力应变曲线
聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响
初始模量 (N/cm2)
断裂点轨迹
g/den
N/tex
外因： ①温湿度
a.温度↑→分子热运动↑→分子间力↓→断裂 强度↓，断裂伸长↑ b.湿度↑→分子间结合力↓→断裂强度↓，断 裂伸长↑ 棉纤维湿强大，分子间力↓→分子张力均匀 性↑→断裂强度↑
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。
纤维强度三个指标之间的换算式为：
σ = Υ*Ptex*103=9*Υ*Pden*103 Ptex=9*Pden LR = Ptex= 9*Pden
式中： σ——纤维的断裂应力（kgf/mm2）； Υ——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（m）。
二、 拉伸曲线的基本性质
纺织纤维在拉伸外力作用下产生的应力应变 关系称为拉伸性质。
1、 拉伸曲线定义 负荷-伸长曲线：表示纤维在拉伸过程中的负 荷和伸长的关系曲线。 应力-应变曲线：表示纤维在拉伸过程中的应 力和应变的关系曲线。
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)
影响纤维流变性质的因素
①纤维本身的结构：分子量增加，分子链的极 性、交联和结晶增加，蠕变松弛减少。 ②外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛 也增加
负荷 (cN)
伸长 (%)
定张力
伸长 (%)
时间 (s)
温度
羊毛纤维在不同负荷下的蠕变
时间 (s)
羊毛纤维在不同温度下的蠕变
应力 (N/mm2)
空气相对湿度
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
第五章
纤维的力学性质
第一节 单纤维的拉伸性质
一、表示纤维拉伸性能的指标 指标有：断裂强力； 断裂强度； 断裂伸长率
1. 绝对强力
断裂强力P
定义：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。
2. 相对强度 —具有可比性
(1)断裂强度Ptex/Pden 断裂强度是用以比较不同粗细纤维的拉伸 断裂性质的指标。也叫比强度，比应力。 表示纤维抵抗外力破坏能力的指标。 定义：每特（或每旦）纤维所能承受的最 大拉力。 单位：N/tex（cN/dtex）；N/den （cN/den)。
定义：指纤维单位截面上能承受的最大拉力。 单位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）。 其计算式为： σ = 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——以长度形式表示的相对强度指标
定义：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，该长度为断裂长度。） 其计算公式为： LR=（P/g）*Nm 式中：LR——纤维的断裂长度（km）
丝断裂强度中等，断裂伸长较高， 断裂比功较高——强韧
四．纤维拉伸断裂机理
纤维断裂原因有： 大分子主链的断裂 大分子之间的滑脱
拉伸曲线特征及变形机理
弹性区/线性区（OY）
初始模量较大
服从虎克定律（线性） 变形可以完全恢复
变形机理——分子链键长和键角的变化（包括分 子链及横向次价键）
p 1 2 Y Yc
p Y


(a)
纤维屈服点的确定
(b)
角平分线法，是在屈服点前后 作拉伸曲线的切线1和2，再作 两切线1、2交角的角平分线， 交拉伸曲线于Y点，Y即为屈服 点
考泊兰法：作坐标原点和 断裂点连线ob的平行线， 且与拉伸曲线转折区域相 切点Y点，Y即为屈服点
5．断裂功、断裂比功和功系数
强化区（SB）
应力应变曲线的斜率增大
变形机理——大分子链基本伸直，拉伸 变形主要是大分子链键长和键角的变化
分子链伸直 分子链键长 键角变化
五．影响纤维拉伸性能的因素
内因：
①大分子结构（大分子的聚合度、大分子的柔曲性）；
聚合度↑→分子间次价键力↑→断裂强度↑ ②超分子结构（取向度、结晶度）； 取向度↑→分子共同承担外力→断裂强度↑，屈服应力↑ 取向度↑→分子相对滑动少→断裂伸长↓ 结晶度↑→分子排列规整，分子间力↑→断裂强度↑ ③形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性） 裂缝孔洞缺陷↑→应力集中→断裂强度↓
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(%)
一般纤维负荷-伸长曲线
图中： 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）：类似弹簧；变形可回复；大应力，小变形； Q：屈服点 Q→S（屈服区）:变形显著且不易回复，小应力，大变形； S: 强化点。 S→A（增强区）：大分子主链受力，大应力，小变形。 A：断裂点。