第七章-纤维的力学性质

第七章纤维的力学性质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。第七章纤维的力学性质•第一节纤维的拉伸性质★•第二节纤维力学性能的时间依赖性•第三节纤维的弯曲、扭转和压缩第一节纤维的拉伸性质•拉伸外力与纺织材料的形态变化之间的关系称为纺织材料的拉伸性质。•拉伸性质是纺织材料最重要的力学性质，它对纺织品的拉伸强度、耐磨强度等坚牢度指标，以及对纺织品的弹性、抗皱性、褶裥保持性、悬垂性等服用性能都有很大的影响。第一节纤维的拉伸性质•一、拉伸断裂性能的基本指标•二、拉伸曲线及其指标•三、常见纤维的拉伸曲线•四、拉伸性能的测量•五、拉伸断裂机理•六、影响因素第一节纤维的拉伸性质•一、拉伸断裂性能的基本指标–1、绝对指标•(1)断裂强力(绝对强力)：P（N，cN，mN,gf，kgf）•(2)断裂伸长：ΔL=La-L0(mm)第一节纤维的拉伸性质•一、拉伸断裂性能的基本指标–2、相对指标•(1)断裂应力：σ=P/A（N/mm2，N/m2）•(2)断裂强度(相对强度)：–Ptex=P/Ntex（N/tex，cN/dtex）–Pden=P/Nden（N/den，cN/den）•(3)断裂长度：L=P×Nm/g（km）•(4)断裂伸长率(应变)：ε=ΔL/L0第一节纤维的拉伸性质•一、拉伸断裂性能的基本指标–3、换算关系•σ=γ×Ptex=9×γ×Pden•L=Ptex/g=9×Pden/g–γ为纤维的密度(g/cm3)–Ptex为纤维的特数制断裂强度(mN/tex)–Pden为纤维的旦数制断裂强度(mN/den)第一节纤维的拉伸性质断裂长度：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度(km)NmgPNgGmLgGmLNmm1000)()()()(NmgPkmL)(gPgG1000)(ggGNGP1000)()(第一节纤维的拉伸性质•二、拉伸曲线及其指标–1、定义：是指在拉伸过程中拉伸力与纺织材料的伸长变形之间的关系曲线。–2、类型•(1)负荷伸长曲线(P-ΔL)•(2)应力应变曲线(σ-ε)第一节纤维的拉伸性质负荷伸长曲线是以被测试样的伸长长度为横坐标、拉伸力为纵坐标所作的曲线，它可由带有绘图装置的强力仪直接得到。应力应变曲线是以被测试样的伸长率即应变为横坐标、试样每单位细度所承受的拉伸力即应力为纵坐标所作的曲线，它可由负荷伸长曲线、被测试样拉伸前长度、细度计算后得到。aY(y,y)sPbb0.060.12Pa负荷P(N)Δla24Δl伸长(mm)000.10.201020ε=应变ε=应变率(%)比应力p(N/tex)00.20.4应力σ(N/mm2=MPa)0300600试样长度20mm线密度0.3tex纤维密度1.5g/cm3纤维的拉伸曲线第一节纤维的拉伸性质•二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（1）强伸性(P、ΔL、σ、Ptex、ε)•（2）初始模量–定义：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(E=dσ/dε)–物理意义：表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。–小：产品柔软，如羊毛、醋酯、粘胶纤维–大：产品挺括或粗硬，如涤纶、麻纤维第一节纤维的拉伸性质•二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（3）屈服点Y：σy，εy–定义：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。对应屈服点处的应力和应变就是屈服应力和应变。–作图方法：角平分线法，考泊兰法，曼列狄斯YYcp12(a)Yp(b)屈服点的确定第一节纤维的拉伸性质•二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（3）屈服点Y：σy，εy–应用：材料在屈服点以前的变形主要为可回复的弹性变形，屈服点之后的变形中则包含有弹性变形和塑性变形两部分。一般屈服点高的纤维的纺织产品不易产生塑性变形，因而拉伸弹性、尺寸稳定性好。(P101)第一节纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（4）功指标(是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量)–断裂功W：拉伸纤维至断裂时外力所作的功P-△L图中，拉伸曲线下的面积。lPdlW0第一节纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（4）功指标(是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量)–断裂比功:σ-ε图中，拉伸曲线下的面积。»Wv：拉断单位体积纤维所需作的功»Ww：拉断单位线密度和长度纤维所需作的功bdlAWWv00bpdlNWWtexw00第一节纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（4）功指标–功系数η：又称“功充满系数”。指断裂功与断裂强力和断裂伸长之乘积的比值。在负荷伸长曲线中就是负荷伸长曲线下方的面积与过断裂点的直方形的面积之比LPW第一节纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标–3、指标•（4）断裂功指标–断裂功、断裂比功和功系数大的大纤维，在受到拉伸等外力作用时能吸收较多的能量，即破坏该纤维需要施加较大的功，它的产品比较抗拉伸，耐磨损，比较坚韧(P101)。第一节纤维的拉伸性质•三、常见纤维的拉伸曲线羊毛醋酯粘胶醋酯腈纶蚕丝锦纶涤纶棉锦纶比应力苎麻亚麻应变(%)第一节纤维的拉伸性质•三、常见纤维的拉伸曲线–1、高强低伸型：棉、麻–2、低强高伸型：羊毛、醋酯–3、中强中伸型：大部分纤维羊毛醋酯粘胶醋酯腈纶蚕丝锦纶涤纶棉锦纶比应力苎麻亚麻应变(%)第一节纤维的拉伸性质•四、纤维拉伸性能的测量（P102自学）–摆锤式强力仪–称杆式强力仪–电子强力仪第一节纤维的拉伸性质•五、拉伸断裂机理–纤维中各结晶区之间的非晶区内较短的大分子链段伸直、变长；–随着拉伸力的增大，大分子的键长度增长，键角增大，较长的大分子链段也伸直、变长；–拉伸力继续增大时，将可能使原先无定形区中较短的大分子链段断裂，也可能将它从结晶区中逐渐地抽拔出来。–各个结晶区逐步产生相对移动，大分子由结晶区中抽拔–最后，由于大分子的断裂、大分子之间的滑脱而使纤维断裂。第一节纤维的拉伸性质•五、拉伸断裂机理–纤维受到拉伸直至断裂，其内部结构的变化是比较复杂的。简单地说，纤维受到拉伸时，首先是纤维内部无定形区中较短的大分子链段伸直并沿纤维轴向排列，随着拉伸力的增大，将使大分子的键长增长、键角增大而使该段大分子长度增加。逐渐地，无定形区的那些较长的大分子链段也伸直、变长。拉伸力继续增大时，将可能使原先无定形区中较短的大分子链段断裂，也可能将它从结晶区中逐渐地抽拔出来。最后，由于大分子的断裂、大分子之间的滑脱而使纤维断裂。第一节纤维的拉伸性质•六、影响因素–1、纤维结构•聚合度：聚合度高，分子间作用力大，强度高•取向度：取向度高，受力的大分子根数多，强度高；大分子滑动量少，断裂伸长率小•结晶度：结晶度高，纤维大分子排列越规整，分子间作用力大，强度高第一节纤维的拉伸性质•六、影响因素–2、环境温湿度•温度•随着温度的提高，纤维内大分子的热运动增强，从而削弱大分子间的作用力，导致纤维的强度下降。•湿度•水分能使大分子间的氢键作用力降低，一般会使强度降低。第一节纤维的拉伸性质•六、影响因素–3、试验条件•试样长度•根据弱环定理，试样越长，强度越低•试样根数•根据单纤维断裂的不同时性，根数越多，强度越低•拉伸速度•速度大，时间少，强度越高•弱环定理：当纤维或纱线试样长缩短时，最薄弱环节被测到的机会下降，测得了一部分次薄弱环节的断裂强度，从而使测试强度的平均值降低。作业（十）•1、解释下列名词：断裂强力、断裂应力、断裂强度、断裂长度和断裂伸长率，推导纤维强度三个指标之间的换算式。•2、有一批纺织纤维，它们的细度及测得的平均单纤维强力值如下，计算并列出断裂长度、相对强度和断裂应力三种指标的大小和顺序。纤维细度强力(cN)棉6000Nm5.6毛21um4.2苎麻200Nm268.8粘胶2.78dtex(2.5D)7.5锦纶3.33dtex(3D)17涤纶2.78dtex16.8腈纶6.67dtex(6D)22.2作业•3、应力一应变曲线与拉伸一变形曲线(负荷伸长曲线)有何异同?如何由拉伸一变形曲线转换成应力一应变曲线?在应力一应变曲线上可计算出哪些指标?如何计算？与纤维能有什么关系?•4、试述纤维的断裂机理，并对影响纤维强度的内、外因素作分析。SNtexNPmmSPmmNtextex)/()()/(22)(1000)()(1001)(1000100)()(22cmScmLgGPmmSmLgGPtextex)/()/(3texmNPtexcmg)/()()()()(kgNgNPkmLkgGkmLNmgNtexNPgNNPkmLm/1000)(/)()(gtexmNPtexgtexNPtex/)/(/1000)/(蠕变图(P107图5-16)松弛图(P107图5-15)第二节纤维力学性能的时间依赖性•一、蠕变和松弛–1、定义•蠕变：在一定负荷作用下，变形随时间而逐渐增加的现象•松弛：在一定变形条件下，内部应力（张力）随时间而逐渐衰减的现象第二节纤维力学性能的时间依赖性•一、蠕变和松弛–2、纤维拉伸变形的三部分•急弹性变形–加拉伸力，几乎立即产生的伸长变形；去除拉伸外力，几乎立即产生回复的变形–由纤维内大分子的键角、键长变化而引起•缓弹性变形–是指拉伸力不变的情况下产生的伸长变形；去除外力后缓慢回复的变形–由纤维内弯曲的大分子伸直、倾斜的大分子趋向于与纤维轴向平行而形成•塑性变形–是指拉伸外力去除后不能回复的变形–由纤维内大分子间的滑移引起。第二节纤维力学性能的时间依赖性•一、蠕变和松弛–3、原因（由于纤维中大分子重新排列引起的）•蠕变：由于随着外力作用时间的延长，不断克服大分子之间的结合力，使大分子逐渐沿着外力方向伸展排列，或产生相对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。•松弛：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，逐渐达到新的平衡位置，形成新的结合点，从而使内应力逐渐减少。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在不同温度下的蠕变羊毛在不同负荷下的蠕变第二节纤维力学性能的时间依赖性•一、蠕变和松弛–4、实际应用•（1）危害–织布机在非平综状态下长时间停机，经纱就会因长时间的张力紧张而逐渐松弛变长，再开车时可能会开口不清而造成织疵；–纱线等的卷装若经长时间搁置，可能会因松弛而松烂；–服装在长时间坐着等状态的穿着过程中，膝部、肘部、臀部等会因蠕变而产生起拱变形，影响美观。第二节纤维力学性能的时间依赖性•一、蠕变和松弛–4、实际应用•（2）解决：改变温度、湿度、张力以及采用某些化学的方法，可以改变纤维内大分子间的结合力，达到促进蠕变的产生、降低内部应力等目的第二节纤维力学性能的时间依赖性二、纤维的弹性–1、定义：是指纤维变形的恢复能力–2、指标：•弹性回复率：急弹性变形和一定时间内可恢复的缓弹性变形之和占总变形的百分率•弹性功回复率：弹性回复功占总功的百分率等速伸长和等加负荷试验机拉伸图Te43Te43面积面积oabecbeWWeew第二节纤维力学性能的时间依赖性二、纤维的弹性–3、影响因素•（1）纤维结构–大分子的柔曲性–氢键数目–交联结构–卷曲数第二节纤维力学性能的时间依赖性二、纤维的弹性–3、影响因素•（2）测试条件–初始拉伸应力或伸长率较大时，弹性回复率较小–负荷停顿的时间较长，塑性变形有充分的时间产生，弹性回复率较小–去负荷后停顿的时间较长，缓弹性回复充分，弹性回复率较小第二节纤维力学性能的时间依赖性•大分子的柔曲性–羊毛纤维的大分子是α螺旋结构，大分子柔曲性好，弹性好–锦纶-CH2-CH2-链段柔曲性好，弹性好–纤维素纤维大分子刚性强，柔曲性差，弹性差•氢键数目–纤维素纤维分子链间氢键比较多，弹性差•交联结构–羊毛纤维的大分子链间有二硫键，形成网状结构，弹性好第二节纤维力学性能的时间依赖性三、纤维的疲劳–1、定义：指在小于断裂强度的恒定拉伸负荷的