第七章 纤维和纱线的机械性质

1、第七章 纤维和纱线的机械性质2本章主要内容本章主要内容第一节第一节 纤维和纱线的拉伸性质纤维和纱线的拉伸性质第二节第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳第三节第三节 纤维和纱线的弯曲、扭转和压缩纤维和纱线的弯曲、扭转和压缩 第四节第四节 纤维与纱线的摩擦与抱合纤维与纱线的摩擦与抱合3第一节第一节 纤维和纱线的拉伸性质纤维和纱线的拉伸性质一、拉伸性能基本指标一、拉伸性能基本指标（一）断裂强力（一）断裂强力 P Pb b l定义：将纤维或纱线拉伸至断裂时所需的力，定义：将纤维或纱线拉伸至断裂时所需的力，又称绝对强力、断裂强力。又称绝对强力、断裂强力。l单位：牛顿（单位：牛

2、顿（N N）、厘牛（）、厘牛（cNcN）、克力（）、克力（gfgf） 对不同粗细的纤维或纱线，没有可比性。对不同粗细的纤维或纱线，没有可比性。 4（二）强度（二）强度 用以比较不同粗细的纤维或纱线拉伸断裂性用以比较不同粗细的纤维或纱线拉伸断裂性质的指标。相对强度指标有以下几种：质的指标。相对强度指标有以下几种： 1.1.断裂应力断裂应力纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。 = =Pb / S 标准单位标准单位N/mN/m2 2( (帕帕) )，常用，常用N/mmN/mm2 2( (兆帕，兆帕，M MPaPa) ) 。 生产上应用较少，多应用于理论研究中。

3、生产上应用较少，多应用于理论研究中。 52.2.比强度（相对强度）比强度（相对强度）每特（每旦）纤维或纱线能承受的最大拉力。每特（每旦）纤维或纱线能承受的最大拉力。denbdentexbtexNPpNPp/单位为单位为N/texN/tex，常用，常用cN/dtexcN/dtex（或（或cNcN/den/den） 63.3.断裂长度断裂长度Lb 纤维或纱线的自身重量与其断裂强力相等纤维或纱线的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。时所具有的长度。 式中：式中：Lb断裂长度（断裂长度（Km）；）； Pb强力（强力（N）；）； g g重力加速度。重力加速度。 gmbbNPL 注意P357公式7-3

4、、7-4中，p、g的单位，分别为克、克/米。7各指标间的换算关系：各指标间的换算关系： 绞纱的绝对强度（公斤力）绞纱的绝对强度（公斤力）1000textexNQD333310910910910gpgpLppppdentexpdentexdentex 4.品质指标品质指标 式中单位：式中单位： N/mm2; g/cm3; Lpkm;8（三）断裂伸长率（三）断裂伸长率( (应变率，或应变应变率，或应变) )a 式中：式中：L0试样原长；试样原长； La试样拉断时的长度。试样拉断时的长度。%100000LLLLlaa9（四）拉伸变形曲线和有关指标（四）拉伸变形曲线和有关指标1. 拉伸变形曲线拉伸变形

5、曲线（1）负荷）负荷伸长曲线伸长曲线(P l )： 负荷为纵坐标，伸长为横坐标。负荷为纵坐标，伸长为横坐标。 对不同粗细和不同试样长度的材料没有可对不同粗细和不同试样长度的材料没有可比性。比性。 10（2 2）应力）应力- -应变曲线应变曲线( ( - - ) ) 相对负荷为纵坐标，伸长率为横坐标。相对负相对负荷为纵坐标，伸长率为横坐标。相对负荷单位统一和材料密度相同时，各材料有可比性。荷单位统一和材料密度相同时，各材料有可比性。 11 2.2.有关指标有关指标（1 1）断裂应力）断裂应力a a ：断裂断裂点点a a对应的拉伸应力。对应的拉伸应力。（2 2）断裂伸长率）断裂伸长率a a：断：断

6、裂时的伸长率。裂时的伸长率。 应力应力伸长率伸长率(%)12 2. 有关指标有关指标（3 3）初始模量）初始模量 纺织材料应力纺织材料应力- -应变曲应变曲线上初始一段直线部分的线上初始一段直线部分的应力应变比值。应力应变比值。（直线不明（直线不明显时，以应变显时，以应变1 1处的点来求）处的点来求） /tgE物理意义：表示材料在小负荷下变形的难易程物理意义：表示材料在小负荷下变形的难易程度，即材料的刚性。度，即材料的刚性。(小，柔软小，柔软,如锦纶、粘胶等如锦纶、粘胶等)应力应力伸长率伸长率(%)13(4) 屈服点：屈服点：拉伸曲线图上线的坡度由较大转向较拉伸曲线图上线的坡度由较大转向较小时

7、的转折点。小时的转折点。 屈服点所对应的应力和伸长率为屈服应力和屈屈服点所对应的应力和伸长率为屈服应力和屈服伸长率。服伸长率。 意义：屈服点以前的变形是弹性变形，屈服点意义：屈服点以前的变形是弹性变形，屈服点以后的变形既有弹性变形也有塑性变形。屈服点以后的变形既有弹性变形也有塑性变形。屈服点高，弹性好。高，弹性好。 应力应力伸长率伸长率(%)14屈服点屈服点Y Y的求法：的求法： 纺织材料屈服点不明显，而是一区域，常用纺织材料屈服点不明显，而是一区域，常用作图法求屈服点。作图法求屈服点。l分角线法，图分角线法，图(a)(a)；l/X/X轴法，图轴法，图(a) (a) ；l/OA/OA法，切点为

8、法，切点为Y Y点点，图图(b) (b) 。 Y Yc p 1 2 (a)Y p (b)OAOA15(5) (5) 断裂功指标断裂功指标a.a.断裂功断裂功 拉伸纤维或纱线至断裂时外力所作的功，是材拉伸纤维或纱线至断裂时外力所作的功，是材料抵抗外力破坏所具有的能量，单位料抵抗外力破坏所具有的能量，单位cNmm。b.b.断裂比功断裂比功 拉断单位体积的纤维或纱线所需作的功，单位拉断单位体积的纤维或纱线所需作的功，单位N/mm2 。16c.c.功系数（充满系数）功系数（充满系数） 断裂功断裂功/（强力强力断裂伸长）。断裂伸长）。意义：断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以意义：断裂功是强力和伸长的综

9、合指标，它可以有效地评定材料的坚牢度和耐用性能。大，韧性有效地评定材料的坚牢度和耐用性能。大，韧性好、耐磨损、坚牢度好。好、耐磨损、坚牢度好。 17（6）常见纤维的拉伸曲线）常见纤维的拉伸曲线 如图：如图： 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 (%) 常见纤维的拉伸曲线常见纤维的拉伸曲线18 三、纤维拉伸断裂机理三、纤维拉伸断裂机理（一）纤维拉伸断裂机理（一）纤维拉伸断裂机理 纤维开始受力时，无定形区中长度最纤维开始受力时，无定形区中长度最短的大分子伸直，外力进一步增加大分子键长、键角短的大分子伸直，外力进一步增加大分子键长、键角增大。此过程中

10、一部分伸直，紧张的大分子可能被增大。此过程中一部分伸直，紧张的大分子可能被拉断拉断，也，也有可能从不规则的结晶区中抽拔出来。有可能从不规则的结晶区中抽拔出来。次价键的断裂次价键的断裂使非结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，模量逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的大分子链基本量逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的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，产生的变形主要又是分子链的键长、价键。这时继续拉伸，产生的变形主要又是分子

11、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，直至达到大分子主链和大多次价键断裂，致使纤再次提高，直至达到大分子主链和大多次价键断裂，致使纤维解体。维解体。19 综上：综上： 纤维的断裂：无定形区大分子的断裂和大分纤维的断裂：无定形区大分子的断裂和大分子间结合力的破坏而引起；子间结合力的破坏而引起； 纤维的伸长：大分子的伸直、伸长、取向度纤维的伸长：大分子的伸直、伸长、取向度的改善以及大分子的滑移等引起。的改善以及大分子的滑移等引起。20（二）影响纤维强伸性的因素（二）影响纤维强伸性的因素1. 纤维的内部结构纤维的内

12、部结构 聚合度聚合度n：随：随n而而 （不易滑移、抽拔），但增（不易滑移、抽拔），但增加到一定值再继续加到一定值再继续时，强度不再时，强度不再 。 取向度取向度：取向度增大，断裂强度增加，断裂伸长：取向度增大，断裂强度增加，断裂伸长率降低。如麻的取向度大，强度高。率降低。如麻的取向度大，强度高。 结晶度结晶度：结晶度愈高（缝隙孔洞少，分子结合力：结晶度愈高（缝隙孔洞少，分子结合力大），断裂强度、屈服应力和初始模量较高，伸大），断裂强度、屈服应力和初始模量较高，伸长小，脆性大。长小，脆性大。 21聚合度聚合度22取向度粘胶纤维粘胶纤维lFlash文件粘胶拉伸图_.exe取向度取向度23结晶度结晶

13、度聚丙烯纤维聚丙烯纤维 比容 (cm3/g) 初始模量 (N/cm2) 屈服应力 (N/cm2) 结晶度 (%) 242.温湿度温湿度 温度高温度高 强力减小，伸长率增加强力减小，伸长率增加 温度升高，大分子热运动能高，柔曲性提高，温度升高，大分子热运动能高，柔曲性提高，分子间结合力削弱，强力减小。分子间结合力削弱，强力减小。 纤维回潮率纤维回潮率 大，一般纤维强力减小，伸长增大。大，一般纤维强力减小，伸长增大。 棉、麻例外棉、麻例外，因其聚合度高，分子链长，回，因其聚合度高，分子链长，回潮率提高后，分子间的氢键减弱，增强了大分子潮率提高后，分子间的氢键减弱，增强了大分子间的滑移能力，使同时受

14、力的分子数增加，因此间的滑移能力，使同时受力的分子数增加，因此纤维的强力增加。纤维的强力增加。25湿度的影响湿度的影响温度的影响温度的影响263.3.试验条件试验条件(1)(1)试样长度试样长度 试样长度长，测得的强度较低（弱环定理）。试样长度长，测得的强度较低（弱环定理）。弱环定理：弱环定理： 沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂，则平均强力下降。概率越大，越容易发生断裂，则平均强力下降。(2)(2)试样根数试样根数 试样根数增加，束纤维强度

15、折算成单纤维强试样根数增加，束纤维强度折算成单纤维强度下降。（断裂的不同时性）度下降。（断裂的不同时性）27(3)(3)拉伸速度拉伸速度 拉伸速度大，测得强力较大而伸长小。拉伸速度大，测得强力较大而伸长小。 拉伸速度快时，大分子还未来得及滑脱，承受拉伸速度快时，大分子还未来得及滑脱，承受拉力的根数多，所以强力高。拉力的根数多，所以强力高。28 三、纱线拉伸断裂机理三、纱线拉伸断裂机理（一）纱线拉伸断裂机理（一）纱线拉伸断裂机理 1.1.长丝纱长丝纱 有捻长丝纱，外层纤维比较伸直和紧张，受有捻长丝纱，外层纤维比较伸直和紧张，受拉时先断裂，内层纤维后断裂。拉时先断裂，内层纤维后断裂。292. 传统

16、环锭纱传统环锭纱 纱线拉伸断裂时，纤维的纱线拉伸断裂时，纤维的断裂与滑移断裂与滑移并存，并存，但以但以断裂断裂为主。为主。 对于纱中纤维的破坏过程，有两种观点：对于纱中纤维的破坏过程，有两种观点：（1）外层纤维先断）外层纤维先断 外层纤维螺旋倾角大，纤维伸长大，张力大，外层纤维螺旋倾角大，纤维伸长大，张力大，故拉伸时先断。故拉伸时先断。（2）内层纤维先断）内层纤维先断 中心（内层）纤维伸长变形最大，外层最小，中心（内层）纤维伸长变形最大，外层最小，故内层纤维先断。故内层纤维先断。 30 3. 断口形式断口形式 齐口式齐口式 纤维以断裂为主，如捻度高的短纤纱。纤维以断裂为主，如捻度高的短纤纱。

17、毛笔头式毛笔头式 纤维以滑脱为主，如无捻长丝纱和捻度很纤维以滑脱为主，如无捻长丝纱和捻度很低的短纤纱。低的短纤纱。 31 4. 纤维断裂和滑脱的判别纤维断裂和滑脱的判别 取决于断裂截面两端周围的纤维对该纤维的摩取决于断裂截面两端周围的纤维对该纤维的摩擦阻力（擦阻力（F1，F2）。）。 F1P 且且F2P，断裂；，断裂； F1P 或或F2P，滑脱；，滑脱； F1和和F2与纤维伸出断裂截面的长度有关。摩擦与纤维伸出断裂截面的长度有关。摩擦阻力阻力F等于纤维强力时的长度称为等于纤维强力时的长度称为滑脱长度滑脱长度。 纤维伸出断裂截面一端的长度小于滑脱长度时，纤维伸出断裂截面一端的长度小于滑脱长度时，

18、纤维滑脱。当纤维的长度小于纤维滑脱。当纤维的长度小于2倍的滑脱长度时，倍的滑脱长度时，纱线拉伸断裂时纱线拉伸断裂时必定为滑脱必定为滑脱。5. 混纺纱的断裂强度混纺纱的断裂强度 取决于混纺纤维的性状和混纺比等。取决于混纺纤维的性状和混纺比等。32（二）影响纱线拉伸断裂的因素（二）影响纱线拉伸断裂的因素1. 纤维的性能纤维的性能纤维长度：其它条件相同时，纤维长度越长，纤维长度：其它条件相同时，纤维长度越长，成纱强力越大成纱强力越大纤维强度：其它条件相同时，纤维强力越大，纤维强度：其它条件相同时，纤维强力越大，成纱强力越大成纱强力越大纤维细度：其它条件相同时，纤维越细，成纱纤维细度：其它条件相同时，

19、纤维越细，成纱强力越大强力越大332. 纱线的结构纱线的结构（1）环锭纱：纱中纤维排列状态、内外转移次）环锭纱：纱中纤维排列状态、内外转移次数、捻度等。捻度影响最大，随捻度数、捻度等。捻度影响最大，随捻度，强度先，强度先后后。（2）股线：同向加捻，和单纱加捻对强力的影）股线：同向加捻，和单纱加捻对强力的影响相似；反向加捻，如下图。响相似；反向加捻，如下图。合股反向加捻对股线强度的影响合股反向加捻对股线强度的影响 单纱强度单纱强度l结构松散，强力下降；结构松散，强力下降；l结构紧密，强力上升；结构紧密，强力上升；l内外层纤维均匀受力，内外层纤维均匀受力，强力最大；强力最大；34（3）膨体纱：两种

20、纤维受力很不均匀，先后断裂）膨体纱：两种纤维受力很不均匀，先后断裂（4）变形丝和弹力丝：开始拉伸力小，变形大。）变形丝和弹力丝：开始拉伸力小，变形大。 变形纱和弹力丝的拉伸特性变形纱和弹力丝的拉伸特性 P376 353. 混纺比混纺比 P373（1）两种纤维断裂伸长率接近时，随强度大的）两种纤维断裂伸长率接近时，随强度大的纤维含量纤维含量，混纺纱的强度，混纺纱的强度。曲线渐升（或渐。曲线渐升（或渐降），图降），图a。（2）两种纤维断裂伸长率差异大时，伸长能力）两种纤维断裂伸长率差异大时，伸长能力小的先断，伸长能力大的后断。曲线下凹，图小的先断，伸长能力大的后断。曲线下凹，图b。 锦/毛 （a）

21、36第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳一、蠕变、松弛的有关概念一、蠕变、松弛的有关概念1.1.蠕变：保持拉伸力不变，材料的变形随时间而变蠕变：保持拉伸力不变，材料的变形随时间而变化的现象。化的现象。 P0 31 P 1 2 4 5 3 t t t t2 t1 O O t2 t1 蠕蠕变变图图372. 三种变形三种变形 （1）急弹性变形：外力作用立即变形，外力去）急弹性变形：外力作用立即变形，外力去除立即恢复。纤维大分子的键长、键角变化引起。除立即恢复。纤维大分子的键长、键角变化引起。 （2）缓弹性变形：外力作用变形逐渐增加，外）缓弹性变形：外力作用变形逐渐增加，外力去除缓慢恢复。卷曲的力去除

22、缓慢恢复。卷曲的大分子伸展要克服分子大分子伸展要克服分子间和分子内的各种次价键力，过程缓慢间和分子内的各种次价键力，过程缓慢。（3）塑性变形：外力作用产生的变形，外力去）塑性变形：外力作用产生的变形，外力去除不能恢复。大分子在新的位置重新建立分子间除不能恢复。大分子在新的位置重新建立分子间力，产生不可逆的滑移。力，产生不可逆的滑移。 这三种变形同时产生。这三种变形同时产生。38 3. 松弛松弛 保持拉伸变形不变，材料的内应力随时间而逐保持拉伸变形不变，材料的内应力随时间而逐渐下降的现象。渐下降的现象。 蠕变和应力松弛的原因：大分子的重新排列。蠕变和应力松弛的原因：大分子的重新排列。松弛图松弛图

23、39 在纺织加工和使用过程中，必须注意不使材料在纺织加工和使用过程中，必须注意不使材料长期处于紧张状态，以避免蠕变或应力松弛现象。长期处于紧张状态，以避免蠕变或应力松弛现象。 如，布机长期停车要处于综平状态；各卷装贮如，布机长期停车要处于综平状态；各卷装贮藏太久会松烂。提高温湿度可促使蠕变和应力松持藏太久会松烂。提高温湿度可促使蠕变和应力松持加速完成，如生产中的蒸纱定捻。加速完成，如生产中的蒸纱定捻。404. 弹性弹性 弹性是指纤维或纱线变形的恢复能力。弹性是指纤维或纱线变形的恢复能力。 用弹性恢复率用弹性恢复率R R（或称回弹率）表示，指急（或称回弹率）表示，指急弹性变形和一定时间的缓弹性变

24、形占总变形的百弹性变形和一定时间的缓弹性变形占总变形的百分率。分率。 aR21总变形。缓弹性变形；急弹性变形；式中：a2141二、纤维和纱线的疲劳二、纤维和纱线的疲劳 疲劳：经历一段时间，材料的某种抵抗能力逐疲劳：经历一段时间，材料的某种抵抗能力逐渐被削弱的过程，实质上是材料内能逐渐被消耗渐被削弱的过程，实质上是材料内能逐渐被消耗的过程。的过程。（一）疲劳破坏的形式（一）疲劳破坏的形式1.1.静态（或蠕变）疲劳静态（或蠕变）疲劳 材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到

25、达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。 原因：外力对材料作功的积累，即材料破坏的原因：外力对材料作功的积累，即材料破坏的积累。积累。422. 动态（或多次拉伸）疲劳动态（或多次拉伸）疲劳 材料经受材料经受多次加负荷、去负荷的反复作用，多次加负荷、去负荷的反复作用，因塑性变形的累积，纤维局部损伤，形成裂痕，因塑性变形的累积，纤维局部损伤，形成裂痕，最后被破坏的现象。最后被破坏的现象。 原因：塑性变形的累积原因：塑性变形的累积。伸长伸长 4 1 2 5 e d a b c O 3 0 应力应力 图图7-31 7-31 拉伸、恢复都有停顿的拉伸图拉伸、

26、恢复都有停顿的拉伸图oa加负荷；加负荷；ab加负荷停顿；加负荷停顿；bc去负荷；去负荷；cd去负荷停顿去负荷停顿 43l 第一次拉伸净功第一次拉伸净功： Soabe-Sbec=Soabc l 两次拉伸交叉部分两次拉伸交叉部分：代表材料在第一次拉伸中被破坏的部：代表材料在第一次拉伸中被破坏的部分重新得到恢复，这一过程实际是材料休息和补充能量的过分重新得到恢复，这一过程实际是材料休息和补充能量的过程，因此多次拉伸的断裂功之和大于一次拉伸的断裂功。程，因此多次拉伸的断裂功之和大于一次拉伸的断裂功。l 拉伸功恢复系数拉伸功恢复系数： Rw(Sbec/Soabe) 100% 伸长伸长 4 1 2 5 e

27、 d a b c O 3 0 应力应力图图7-31 7-31 拉伸、恢复都有停顿的拉伸图拉伸、恢复都有停顿的拉伸图44（二）疲劳破坏的影响因素（二）疲劳破坏的影响因素1. 纤维材料方面的因素纤维材料方面的因素 拉伸断裂功大、弹性恢复性好、材料结构缺拉伸断裂功大、弹性恢复性好、材料结构缺陷少，耐疲劳性好。陷少，耐疲劳性好。2. 试验或实际应用条件方面试验或实际应用条件方面 每次加负荷小、加负荷时间短、卸负荷时间每次加负荷小、加负荷时间短、卸负荷时间长、卸负荷时温湿度高，耐疲劳性好。长、卸负荷时温湿度高，耐疲劳性好。 衣服勤洗勤换较为耐穿。衣服勤洗勤换较为耐穿。45第四节 纤维与纱线的摩擦与抱合

28、P422一、切向阻抗系数一、切向阻抗系数 = F/N= F/N 式中：式中： 切向阻抗系数；切向阻抗系数； F F切向阻力；切向阻力； N N接触面间的法向压力。接触面间的法向压力。 切向阻力切向阻力F F：F=FF=F1 1+F+F2 2 F F1 1抱合力，正压力为零时的切向阻力抱合力，正压力为零时的切向阻力 F F2 2摩擦力，由正压力引起的切向阻力摩擦力，由正压力引起的切向阻力 摩擦力：摩擦力：F F2 2=f=fN N 式中：式中：f f摩擦系数摩擦系数 故，故， =F/N=(F =F/N=(F1 1+F+F2 2)/N=F)/N=F1 1/N+f/N+f46二、抱合力指标及影响因素二、抱合力指标及影响因素 1. 抱合力指标抱合力指标l抱合系数抱合系数h(cN/mm) : 单位长度纤维上的抱合力单位长度纤维上的抱合力 式中：式中： F1 抱合力（抱合力（cN