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1、第五章 纤维的机械性质 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. 断裂强力（绝对强力） 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 相对强度是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，相对强度指标 有以下几种: （1）断裂强度（比强度） 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)； gf/dtex。 其计算式为： Ptex=P/Ntex Pden
2、=P/Nden 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） 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）；kgf/mm2。 其计算式为： = P/S 式中：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（LR） 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
3、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） 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： = *Ptex=9*Pden Ptex=9*Pden LR = Ptex= 9*Pden 式中： 纤维的断裂应力（kgf/mm2）； 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
4、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。 3断裂伸长率 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： =（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）； 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。 一般纤维负荷-伸长曲线 图中： OO：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸
5、 直 OM（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； QS（屈服区）：大分子间产生相对滑移，在新的位 置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量相应 也逐渐变小； SA（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。 2.拉伸曲线反映的指标 负荷伸长曲线 应力应变曲线 1278dtex（250旦）粘胶长丝 233dtex（30旦）锦纶长丝 上图所能反映的指标有： 1.断裂强力（或断裂强度） 2.断裂伸长（或断裂伸长率） 3-5见后页 3.初始模量E 定义：纤维负荷
6、-伸长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。 其大小表示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 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。 屈服点以下的变形：可回复的弹性变形 。 5断裂功、断裂比功和功系数 （1）断裂功W 定义：指拉断纤维过程中
7、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。 W= （2）断裂比功Wa 定义：拉断单位细度、单位长度纤维外力 所作的功。 Wa=W/(Ntex*L0) 纤维密度相同时，它对不同粗细和不同 试样长度的纤维材料具有可比性。 （3）功系数We 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
8、力越强。 各种纤维的功系数大致在0.36-0.65间。 三、常用纺织纤维的拉伸曲线 拉伸曲线可分为三类： （1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（ 棉、麻等纤维素纤维），表现为拉伸曲 线近似直线，斜率较大（主要是纤维的 取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故 ） （2）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； （3）初始模量介于12之间的拉伸曲线 （涤纶、锦纶、蚕丝等纤维） 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 五影响纤维拉伸性能的因素 内因： 大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度 ）； 超分子结构（取向度、
9、结晶度）； 形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性 外因： 温湿度； 测试条件： a.试样长度：L，出现弱环的机会 b.试样根数：根数，折算成单纤维强度 c.拉伸速度：v，强力，E 六、纤维拉伸性能的测试 1.摆锤式强力仪（见下图） 2电子强力仪 第二节 纤维的蠕变、松弛和疲劳 一、纤维的拉伸变形与弹性 1.纤维拉伸变形的组成 纤维变形包括：可回复的弹性变形（急弹性+缓弹 性）和不可复的塑性变形 急弹性变形：加（或去除）外力后能迅速变形。 缓弹性变形：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：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）
10、 纤变形： l=l急+l缓+l塑（绝对值） =急+缓+塑 （相对值） 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。 2.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） Re =（l急+l缓）/（l急+l缓+l塑） =（L1-L2）/（L1-L0） 式中： L0纤维加预加张力使之伸直但不伸长时 的长度（mm） L1纤维加负荷伸长的长（mm） L2纤维去负荷再加预张力后的长度（mm ） b. 弹性功率 We 图中：ec急弹性变形； cd缓弹性变形； do塑性变形； We =弹性恢复功/拉伸所作的功 = Acbe
11、 / Aoae 3.影响纤维弹性的因素： （1）纤维的结构：分子链的柔曲性、分子间 力的大小 （2）相对湿度； （3）测试条件； 纤维的弹性是织物获得好的尺寸稳定性与抗 皱性的主要因素。 二、纤维的流变性质（或粘弹性质 ） 定义：纤维在外力作用下，应力应变随时 间而变化的性质。 包括蠕变和应力松弛 1蠕变 (1)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。 （2）曲线： （3）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，增加的伸长基本上都是缓 弹性和塑性变形。 2应力松弛（变
12、形一定，F-t关系） （1）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。 （2）曲线：见上页 （3）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。 3影响纤维流变性质的因素 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。 外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、 松弛也增加 三、纤维的疲劳特性 1.定义：纺织材料在较小外力、长时间反复作 用 下，塑性变形不断积累，当积累的塑性 变形值达到断裂伸长时，材料最后出现 整体破坏的现象。 疲劳破坏包括：分子滑移、分子断裂、裂缝的 产 生与扩散、应力集中。 疲劳形式有：蠕变、重复伸长、重复压缩、重 复 弯曲及重复扭曲。 2.指标和测定方法 (1)纤维在一定条件下拉伸至断裂时，所经历 的循环次数（耐久度或坚牢度）； (2)经过一定负荷、一定次数的反复作用，测 其剩余伸长的大小。 3.纤维结构和性能与疲劳的关系 纤维分子量增加，结晶度提高，耐疲劳性好 ； 取向度增加，耐疲劳性差。 屈服强度高，屈服伸长大，断裂功大，耐疲 劳性好。 第三节 纤维的弯曲、扭转与压缩 特性 一、纤维的弯曲 1.纤维弯曲时受力情况： 外侧
