第五章纤维的力学性质

第五章纤维的力学性质 mechanical property

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

纺织纤维的拉伸曲线（load - elongation curve ）

1、断裂强力（breaking strength ）Pb • 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：N，cN，gf • 2、断裂强度（ breaking tenacity） pb • 简称比强度或比应力，指单位线密度纤维所能承受的拉伸力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d） • 3、断裂应力（breaking stress ）sb • 指单位纤维横截面上纤维所那承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)，常用MPa(N/mm2) • 4、断裂长度（breaking length）Lb • 纤维本身重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为km

纤维相对强度指标间的关系

纤维相对强度指标间的关系 L p－－纤维的断裂长度（km）； P－－纤维的强力（克力）； σ－－断裂应力（kgf/ mm2 ）； Nm――纤维的公制支数； Ptex－－特数制断裂强度（gf/tex）； Pden－－旦数制断裂强度（gf/d）； γ－－纤维的密度（g/cm3）。

3、断裂伸长率（extension at break ） 表示纤维承受最大负荷时的伸长变形能力 4、初始模量（initial modulus）定义：纤维应力－应变曲线初始阶段的斜率表征在小变形条件下，纤维受外力时抵抗变形能力的大小

5、屈服点（yield point） • 纤维拉伸曲线上“虎克区”和屈服区的转变点 • 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 • 曼列狄斯法、考泼伦法、角平分线法、导数法

考泼伦法曼列狄斯法 屈服点的确定方法

Pa dl La • 6、功（work） • 断裂功（work of rupture）W（cN·mm）：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。 • 断裂功的大小与试样粗细和长度有关

断裂比功（ specific work of rupture） • 拉断单位体积纤维所需作的功，单位为N/mm2，即折合成同样截面积，同样试样长度时的断裂功。 • 重量断裂比功，N/tex，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功

功系数η • 纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长的乘积之比 • 各种纤维的功系数在0.46～0.65之间

纤维的力学性质 • 纤维的拉伸性质 • 拉伸性能指标 • 常见纤维拉伸曲线 • 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

常见纤维的拉伸曲线 麻涤纶锦纶蚕丝棉腈纶粘胶羊毛醋纤

产业用纤维的应力-应变曲线

拉伸曲线可分为三类： • 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； • 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； • 介于上述之间的拉伸曲线 • 涤纶、锦纶、蚕丝等纤维。

纤维的拉伸破坏机理 虎克区OA ：大分子链键长和键角的变化，基本符合虎克定律；屈服区AB ：大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易恢复，模量相应逐渐变小；增强区BC ：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，曲线斜率增大至断裂。

纤维的断裂： 1、非结晶区中大分子从结晶区抽拔出来或被拉裂。 2、结晶区大分子结合力被破坏，大分子产生相对滑移，结晶区逐步松散。纤维的伸长： 1、大分子的伸直、伸长（键长键角的增大，取向度的提高） 2、大分子之间的相互滑移。

纤维拉伸破坏形态 • 伸长较小的弹性纤维 • 如玻璃纤维，表现为经典的脆断模式，断裂面光滑。 • 粘弹性纤维 • 如锦纶和涤纶，在拉伸过程中除断裂扩展外，开始时先形成一”V”字型缺口（A），并扩展（A→B），最后断裂（B→C）。

影响纤维拉伸性能的因素（1） • 纤维结构－内因 • 相对分子质量（或聚合度） • 分子链的刚柔性和极性基团的数量 • 分子链堆砌的紧密程度、结晶度 • 分子链的取向（取向度） • 交联

聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响

不同取向度纤维的应力应变曲线

影响纤维拉伸性能的因素（2） • 测试条件－外因 • 温湿度 • 隔距或试样长度（弱环定律） • 试样长度越长，弱环出现的概率越大，纤维的强力越低 • 试样根数 • 应变率（拉伸速度） • 拉伸方式

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↓，

相对湿度对富强纤维和棉的影响 相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响

试样长度 • 弱环定律(weak-link theory ) • 纤维长度方向上各处截面的面积和结构不均匀，因而同一根纤维上的截面的强度不完全相同，断裂总是发生在纤维最弱处。当试样长度长时，最弱的弱环被测到的机会就多，则平均强力偏低。这一概念称为～。 • 试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强度越低。

试样根数 • 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。 P为束纤维强力机测得的束纤维平均断裂强力(cN)；f 为单纤维强力机测得的单纤维平均断裂强力(cN)；n为束纤维中的单纤维根数；NB和Nf分别为束纤维和单纤维的线密度；k为修正系数。

拉伸速度 • 拉伸速度v大(即拉伸至断裂经历的时间短)，纤维强力偏高，初始模量E0偏大，断裂伸长率b无规律。 • 拉伸试验机类型 • 等加负荷型 CRL(Constant Rate of Load) • 等速伸长型 CRE(Constant Rate of Elongation)－国际推广型 • 等速牵引型CRT(Constant Rate of Transverse)

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 • 属于等速牵引式强力仪，上下夹头同时以不同速度下降，力施加呈非线性，试样的拉伸变形无一定规律。

秤杆式强力仪 • 又称杠杆式强力仪，如早期采用的测定棉纤维的卜氏(Pressley)强力仪，Uster公司生产的Dynamat自动单纱强力仪(斜面式) 。 • 下夹头不动，上夹头上移量就是试样的伸长。属于等加负荷型。

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。

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 • 图例

蠕变creep • 定义：纤维在一定负荷作用下，变形随时间而逐渐增加的现象 • 图例 • ε1、ε3，急弹性变形，与时间无关 • ε2、ε4，缓弹性变形，与时间有关 • ε5，塑性变形

纤维变形机理 • 形变e3 ：由纤维大分子链键长键角改变引起，形变产生和消失的时间很短，称为急弹性形变 • 形变e4 ：与大分子链之间的次价键不断破坏与重建有关，外力除去后，由于分子的热运动，分子链依靠内旋转能克服次价键使变形回复，这部分变形需要一定时间才能完成，称为缓弹变形 • 形变e5 ：在外力作用下，大分子链间产生不可逆的位移，即分子链在新的状态下重新建立较强的次价键，使分子链节的热运动不可能克服新的次价键力而回复，即产生了塑性变形。

对时间和温度的依赖性 羊毛在不同相对湿度下的应力松弛羊毛纤维在不同温度下的蠕变

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。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。 • 如织造或针织前对纬纱的蒸纱或给湿可以促进加捻时引起的内应力消除，防止织造时纱线的退捻和可能形成的纬缩甚至小辫子等疵点。

纤维的动态力学性质 • 动态力学性质：纤维在交变负荷(或形变)作用下的应力与应变关系及由此表现出来的力学性能特征 • 对于纤维高聚物，在动态交变应力作用下，其应变总是落后应力一相位角δ，且0<δ<π/2

称为动态弹性模量，代表材料的弹性部分作用 • 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 • 单位体积粘弹性体材料在一个周期的正弦交变后，所消耗的功（W）为 • 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

纤维的动态力学性质指标－复数形式

线性粘弹性力学模型mechanical model 力学模型的基本单元胡克弹簧牛顿粘壶 E η

Maxwell模型 • 本构关系： Maxwell模型及其应力松弛曲线

Maxwell模型－应力松弛 • e＝ec＝常数 • 初始条件：t＝0时，s＝ s0＝E·ec • 解微分方程得 • t=h/E，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，材料的弹性表现越显著

Maxwell模型－蠕变 • 当应力s＝ sc ＝常数时，由本构关系和初始条件（当t=0时，e（0）＝ sc\ E），可以得到模型的蠕变方程式为 • 该式表明，Maxwell模型在恒定应力作用下，变形是无止境的，且不能回复，本质上是一个粘流体，不能用来描述纤维的蠕变行为

Voigt or Kelvin 模型 • 本构关系伏欧脱模型及其蠕变和蠕变回复曲线

Voigt or Kelvin 模型－蠕变 • 本构方程： • s=sc=常数 • 初始条件：t=0时，e=0 • 蠕变方程 • 在恒定应力下，模型的应变随时间t增加按指数规律递增，当t→∞时，应变达到一恒定值sc/E • tk＝h/E为推迟时间，是当变形值达到恒定值的（1－ 1/e ）倍时所需的时间，它也是表示材料粘弹性本质的一个参数

第五章 纤维的力学性质