第五章纤维的力学性质 讨论纺织纤维的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型,纤维弹性、动态力学 性质及疲劳,以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。 第一节纤维的拉伸性质 纤维的拉伸曲线与性能指标 1.拉伸曲线 纤维的拉伸曲线有两种形式,即负荷P-伸长△l曲线和应力σ一应变c曲线。 2.拉伸性能指标 (1)强伸性能指标 强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变 试样长度20mm Y(aEy) 线密度0.3tex 纤维密度1.5g c=应变 图5-1纺织纤维的拉伸曲线 a.强力Pb:又称绝对强力、断裂强力。它是指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,单位为牛顿(N)。 b.断裂强度(相对强度)Pb:简称比强度或比应力,它是指每特(或每旦)纤维能承受的最 大拉力,单位为Ntex,常用cN/dtex(或cNd) c.断裂应力oh:为单位截面积上纤维能承受的最大拉力,标准单位为Nm(即帕)常用 /m2(即兆帕Mpa)表 d.断裂长度Lb:纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度,单位为 e.三类相对强度的表达式分别为: (5-1) (5-2)
1 第五章 纤维的力学性质 讨论纺织纤维的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型，纤维弹性、动态力学 性质及疲劳，以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。 第一节 纤维的拉伸性质 一、纤维的拉伸曲线与性能指标 1．拉伸曲线 纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷 p－ 伸长△l 曲线和应力－应变曲线。 2．拉伸性能指标 （1）强伸性能指标 强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变。 a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa负荷 P(N) Δla 2 4 0 Δl 伸长(mm) 0 0.1 0.2 0 10 20 ε=应变 ε=应变率(%) 比应力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 应力 σ (N/mm 2=MPa) 0 300 600 试样长度 20 mm 线密度 0.3 tex 纤维密度 1.5 g/cm3 图 5-1 纺织纤维的拉伸曲线 a．强力 Pb：又称绝对强力、断裂强力。它是指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，单位为牛顿(N)。 b．断裂强度(相对强度) Pb：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最 大拉力，单位为 N/tex，常用 cN/dtex（或 cN/d）。 c．断裂应力 σb：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为 N/m2 (即帕)常用 N/mm2 (即兆帕 Mpa)表示。 d．断裂长度 Lb：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为 km。 e．三类相对强度的表达式分别为： b b A P = (5-1) den b den tex b tex N P p N P p = = (5-2)
B (2)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σ-E曲线在起 始段的斜率 Eo fa×lo 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 (3)屈服应力与屈服伸长率 图5-2纤维屈服点的确定 纤维在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。 (4)断裂功指标 a.断裂功W:是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。 W=l PdI b.断裂比功W:一是拉断单位体积纤维所需作的功W,单位为Nmm2。 W E A·lo 另一定义是重量断裂比功Ww,是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功, 其计算式为: (5-13) lo c.功系数η:指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(△)的乘积之比: (5-14) 断裂功是强力和伸长的综合指标,它可以有效地评定纤维材料的坚牢度和耐用性能
2 g m b b N P L = (5-3) （2）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。 a tex a 0 0 l N P l E = (5-10) 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。 （3）屈服应力与屈服伸长率 Y Yc p 1 2 (a) Y p (b) 图 5-2 纤维屈服点的确定 纤维在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。 （4） 断裂功指标 a．断裂功 W：是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。 = l W Pdl 0 (5-11) b．断裂比功 Wv ：一是拉断单位体积纤维所需作的功 Wv，单位为 N/mm2。 = = b 0 0 v d A l W W (5-12) 另一定义是重量断裂比功 Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功， 其计算式为： = = b 0 tex 0 w pd N l W W (5-13) c．功系数 η：指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(Δlb)的乘积之比： b b P l W = (5-14) 断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定纤维材料的坚牢度和耐用性能
二、常见纤维的拉伸曲线 比应力 亚苎麻 0.5 涤纶 锦纶 锦纶 腈纶 粘胶 醋酯 应变(%) 图5-3不同纤维的应力应变曲线 2 18a 凯夫拉 l20 聚酯 玻璃 尼龙 图5-4产业用纤维的应力-应变曲线 三、纤维拉伸性质的测量 1.摆锤式强力仪 Y161型单纤维强力机, Y162束纤维强力机 Y371型缕纱强力机, Y361型单纱强力机等都是摆锤式强力仪 秤杆式强力仪 卜氏( Pressley)强力仪, ser公司生产的 Dynamat自动单纱强力仪(斜面式)都属于这一类型
3 二、常见纤维的拉伸曲线 羊毛 醋酯 粘胶 醋酯 腈纶 蚕丝 锦纶 棉 涤纶 锦纶 比应力 亚 麻 苎麻 应变 (%) 图 5-3 不同纤维的应力-应变曲线 应变 (%) 尼龙 聚酯 凯夫拉 玻璃 人造丝 应力 (g/d) 钢丝 应力 (g/tex) 图 5-4 产业用纤维的应力-应变曲线 三 、 纤维拉伸性质的测量 1．摆锤式强力仪 Y161 型单纤维强力机， Y162 束纤维强力机， Y371 型缕纱强力机， Y361 型单纱强力机等都是摆锤式强力仪。 2．秤杆式强力仪 卜氏(Pressley)强力仪， Uster 公司生产的 Dynamat 自动单纱强力仪(斜面式)都属于这一类型
支点 重锤杆 上夹头 标尺 纤维 下夹头 转动机构 图5-5摆锤式强力仪 称杆 上夹头 重锤 纤维 下夹头 图5-6秤杆式拉伸仪 3.电子强力仪 英斯特朗( Instron)材料试验机。 力传感器 上夹头 x打印绘图似 试样 下夹头 △Fv 算单元 图5-7电子强力仪的测试原理示意图 四、拉伸断裂机理及影响因素 1.纤维的拉伸破坏机理 纤维开始受力时,其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸,即键长、键角的变形。拉 伸曲线接近直线,基本符合虎克定律。当外力进一步增加,无定型区中大分子链克服分子 链间次价键力而进一步伸展和取向,这时一部分大分子链伸直,紧张的可能被拉断,也有 可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位 滑移,纤维变形比较显著,模量相应逐渐减小,纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分
4 上夹头 下夹头 纤维 重锤杆 支点 标尺 转动机构 指针 L G1 G 图 5-5 摆锤式强力仪 下夹头 纤维 上夹头 v 称杆 G l0 重锤 支点 图 5-6 秤杆式拉伸仪 3．电子强力仪 英斯特朗(Instron)材料试验机。 上夹头 处 理 单 试样 元 显示 打印绘图仪 v 换算单元 △l=vt 力传感器 下夹头 图 5-7 电子强力仪的测试原理示意图 四、拉伸断裂机理及影响因素 1. 纤维的拉伸破坏机理 纤维开始受力时，其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形。拉 伸曲线接近直线，基本符合虎克定律。当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子 链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有 可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位 滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分
子链基本伸直平行时,大分子间距就靠近,分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸 纤维,产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏,进入强化区,表 现为纤维模量再次提高,直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂,致使纤维解体 图5-8纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面 2.影响纺织纤维拉伸性质的因素 (1)纤维的内部结构 聚合度:提高聚合度是保证高强度的首要条件 b.纤维大分子的取向度:取向度增大,纤维断裂强度增加,断裂伸长率降低。 c.结晶度:纤维的结晶度愈高,纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高 粘胶纤维 醋酯纤维 断裂点轨迹 增加取向度 伸长率(% 图5-9不同取向度纤维的应力应变曲线
5 子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸 纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，进入强化区，表 现为纤维模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。 C B A C B A A B (a) (b) (c) (d) (e) 图 5-8 纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面 2. 影响纺织纤维拉伸性质的因素 (1) 纤维的内部结构 a．聚合度：提高聚合度是保证高强度的首要条件。 b．纤维大分子的取向度：取向度增大，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。 c．结晶度： 纤维的结晶度愈高，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高。 g/den 伸长率 (%) 增加取向度 醋酯纤维 粘胶纤维 比应力 (gf/tex) 断裂点轨迹 N/tex 图 5-9 不同取向度纤维的应力应变曲线