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=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： 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（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： σ = Υ*Ptex=9*Υ*Pden 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（km） 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，断裂长度和断裂强度才具 有可比性 3．断裂伸长率 ε 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）； 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： 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 2.拉伸曲线反映的指标 负荷－伸长曲线 应力－应变曲线 1——278dtex（250旦）粘胶长丝 2——33dtex（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-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1—2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、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↑，ε↓，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） 纤变形： l=l急+l缓+l塑（绝对值） ε=ε急+ε缓+ε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 / 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 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 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——受拉，伸长 内侧——受压，压缩 2.纤维抗弯刚度Rf 定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力 公式： Rf=πEr2ηf/4 式中：r——实际截面积折算成正圆形时的 半径（mm） E——纤维的弯曲弹性模量（cN/cm2） ηf——截面性状系数（它等于实际的惯性 矩与正圆形截面惯性矩之比） Rf大——纤维不易弯曲，不易成圈编织，耐磨 性差，特别是曲磨，其织物较挺爽，有身骨 Rf小——纤维易产生弯曲，易于成圈编织，其 织物较软糯 常用纤维Rf由大到小的次序为： 苎麻→玻纤→涤纶→富纤→腈纶→维纶→蚕丝 →棉→锦纶→羊毛 纤维种类截面形状系数 ηf 密度（g/cm3）初始模量E （ cN/tex） 相对抗弯刚度 Rf(104.cN.cm2 ） 长绒棉0.791.51872.13.66 细绒棉0.701.50353.12.46 苎麻0.801.522224.69.32 亚麻0.871.511166.24.96 细羊毛0.881.31220.51.18 粗羊毛0.751.29265.61.23 桑蚕丝0.591.32141.92.65 粘胶纤维0.751.52515.52.03 涤纶0.911.381107.45.82 锦纶60.921.14205.81.32 锦纶660.921.14214.61.38 腈纶0.801.17670.33.65 维纶0.781.28596.82.94 玻璃纤维1.002.522704.88.54 异形纤维比圆形纤维Rf大（同品 种相同旦数） 纤维锦纶聚酯丝 截面 形状 ○△◇ 三 叶 形 Y○△△ 抗弯 刚度 31.8 39.4 34.9 44.0 38.1 112.6 131.5 40.1 2．纤维Rf的测定 用日本风格仪KES； 测定结节强力与钩接强力； 二、纤维的扭转 抗扭刚度Rt：纤维抵抗扭转变形的能力。
Rt=Et*Ip 式中：Et——剪切弹性模量； Ip——截面极惯性矩 Rt大——加捻时阻力较大，易遭到破坏或 产生塑性变形，且有较强的退捻趋势 各种纤维的扭转性能 纤维种类扭转截面形状系数 ηt 相对剪切弹性模量 Etl(gf/tex) 相对抗扭刚度 Rf(10- 4·gf·cm2/tex) 棉0.711657.9 羊毛0.98856.7 桑蚕丝0.8416810.2 柞蚕丝0.352306.0 苎麻。