第七章 纤维的力学性质

1、第七章 纤维的力学性质纺织纤维的纺织纤维的拉伸拉伸性质及其对时间依赖性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型，纤维弹性、性、纤维基本力学模型，纤维弹性、动态力学性质及疲劳，以及纤维的动态力学性质及疲劳，以及纤维的弯弯曲、扭转、压缩曲、扭转、压缩等力学性能。等力学性能。第七章第七章 纤维的力学性质纤维的力学性质 第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性 第三节第三节 纤维的弯曲、扭转和压缩纤维的弯曲、扭转和压缩第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 拉伸外力与纺织材料的形态变化之间的拉伸外力与纺织材料的形态变化之间的关系称为纺织

2、材料的关系称为纺织材料的拉伸性质拉伸性质。 拉伸性质是纺织材料最重要的力学性质，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、悬垂性等性、褶裥保持性、悬垂性等服用性能服用性能都都有很大的影响。有很大的影响。第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 一、拉伸断裂性能的基本指标一、拉伸断裂性能的基本指标 二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标 三、常见纤维的拉伸曲线三、常见纤维的拉伸曲线 四、拉伸性能的测量四、拉伸性能的测量 五、拉伸断裂机理五、拉伸断裂

3、机理 六、影响因素六、影响因素第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 一、拉伸断裂性能的基本指标一、拉伸断裂性能的基本指标1 1、绝对指标、绝对指标 (1)(1)断裂强力断裂强力( (绝对强力绝对强力) )：P P（N N，cNcN，mN, gfmN, gf，kgfkgf） (2)(2)断裂伸长：断裂伸长：L=LL=La a-L-L0 0( (mmmm) )第一节 纤维的拉伸性质 一、拉伸断裂性能的基本指标一、拉伸断裂性能的基本指标2 2、相对指标、相对指标 (1)(1)断裂断裂应力应力：=P/A=P/A（ N/mmN/mm2 2，N/mN/m2 2） (2)(2)断裂强度断裂强度( (相

4、对强度相对强度) )：Ptex=P/NtexPtex=P/Ntex（N/texN/tex，cN/dtexcN/dtex）Pden=P/NdenPden=P/Nden （N/denN/den，cNcN/den/den） (3)(3)断裂长度：断裂长度：L=PL=PNm/gNm/g（kmkm） (4)(4)断裂伸长率断裂伸长率( (应变应变) )：= =L/LL/L0 0第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 一、拉伸断裂性能的基本指标一、拉伸断裂性能的基本指标3 3、换算关系、换算关系 =P Ptextex=9=9P Pdenden L=PL=Ptextex/g/g=9=9P Pdenden

5、/g/g为纤维的密度为纤维的密度(g/cm(g/cm3 3) )P Ptextex为纤维的特数制断裂强度为纤维的特数制断裂强度(mN/tex(mN/tex) )P Pdenden为纤维的旦数制断裂强度为纤维的旦数制断裂强度(mN(mN/den)/den)第一节第一节 纤维的拉伸性质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断裂长度：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度(km)(km)NmgPNgGmLgGmLNmm1000)()()()(NmgPkmL)(gPgG1000)(ggGNGP1000)()(第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及

6、其指标1 1、定义：是指在拉伸过程中、定义：是指在拉伸过程中拉伸力拉伸力与纺织与纺织材料的材料的伸长变形伸长变形之间的关系曲线。之间的关系曲线。2 2、类型、类型 (1)(1)负荷伸长曲线负荷伸长曲线(P-(P-L)L) (2)(2)应力应变曲线应力应变曲线(-(-) )第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质负荷伸长曲线负荷伸长曲线是以被测试样的伸长长度为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，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。它可由带有绘图装置的强力仪直接得到。应力应变曲线应力应变曲线是以被测试样的伸长率即应是以被测试样的伸长率即应变

7、为横坐标、试样每单位细度所承受的变为横坐标、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、被测试样拉伸前长可由负荷伸长曲线、被测试样拉伸前长度、细度计算后得到。度、细度计算后得到。a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa 负荷 P(N) la 2 4 l 伸长(mm) 0 0 0.1 0.2 0 10 20 =应变 =应变率(%) 比应力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 应力 (N/mm2=MPa) 0 300 600 试样长度 20 mm 线密度 0.3 tex 纤维密度 1.5 g/cm3 纤维的拉伸曲

8、线纤维的拉伸曲线第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （1 1） 强伸性强伸性(P(P、 L L 、PtexPtex、) ) （2 2） 初始模量初始模量定义：指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的定义：指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，应力与应变的比值，即即 - - 曲线在起始段曲线在起始段的斜率的斜率(E=d(E=d/d/d) )物理意义：物理意义：表示纤维在小负荷作用下变形的表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。难易程度，即纤维的刚性。小：产品柔软，如羊毛、醋酯、粘胶纤维小：产品柔软，如羊毛、醋酯、

9、粘胶纤维大：产品挺括或粗硬，如涤纶、麻纤维大：产品挺括或粗硬，如涤纶、麻纤维第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （3 3） 屈服点屈服点Y Y：y y ，y y定义：在纤维的拉伸曲线上伸长变形定义：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突然变得较容易时的转折点称为屈服点。点。对应屈服点处的应力和应变就是对应屈服点处的应力和应变就是屈服应力和应变。屈服应力和应变。作图方法：作图方法：角平分线法，考泊兰法，角平分线法，考泊兰法， 曼列狄斯曼列狄斯 Y Yc p 1 2 (a)Y p (b)屈服点的确定屈服点的确

10、定第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （3） 屈服点屈服点Y：y ，y应用：应用：材料在屈服点以前的变形主要为可回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。而拉伸弹性、尺寸稳定性好。(P101)(P101)第一节 纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标 3、指标（4 4）功指标(是纤维材料抵

11、抗外力破坏所具有的能量)断裂功断裂功W W：拉伸纤维至断裂时外力所作的功：拉伸纤维至断裂时外力所作的功 P-P-L L图中，拉伸曲线下的面积图中，拉伸曲线下的面积。lPdlW0第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （4 4）功指标）功指标( (是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量) )断裂比功断裂比功: :-图中，拉伸曲线下的面积图中，拉伸曲线下的面积。WvWv：拉断单位体积纤维所需作的功：拉断单位体积纤维所需作的功WwWw：拉断单位线密度和长度纤维所：拉断单位线密度和长度纤维所 需作的功需作的功b

12、dlAWWv00bpdlNWWtexw00第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （4 4）功指标）功指标功系数功系数：又称：又称“功充满系数功充满系数” 。指断裂功。指断裂功与断裂强力和断裂伸长之乘积的比值。在负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与过断裂点的直方形的面积之比LPW第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质二、拉伸曲线及其指标二、拉伸曲线及其指标3 3、指标、指标 （4 4） 断裂功指标断裂功指标断裂功、断裂比

13、功和功系数大的大纤断裂功、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，耐较大的功，它的产品比较抗拉伸，耐磨损，比较坚韧磨损，比较坚韧(P101)。第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 三、常见纤维的拉伸曲线三、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 (%) 第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 三、常见纤维的拉伸曲线三、常见纤维的拉伸曲线1 1、高强低伸型：棉、麻、高强低伸型：棉、

14、麻2 2、低强高伸型：羊毛、醋酯、低强高伸型：羊毛、醋酯3 3、中强中伸型：大部分纤维、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 (%) 第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 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 电子强力仪第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 五、拉伸断裂机理 纤维中各结晶区之间的纤维中各结晶区之间的非晶区内非晶区内较短的大分子链段较短的大分子链段伸直、变伸直、变长；长；随着拉伸力的增大，随着拉伸力的增大，大分子的大分子的键长度增长，键角增大，键长度增长，键角增大，较

15、长较长的大分子链段也伸直、变长；的大分子链段也伸直、变长；拉伸力继续增大时，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。链段断裂，也可能将它从结晶区中逐渐地抽拔出来。 各个各个结晶区结晶区逐步产生相对移动，大分子由逐步产生相对移动，大分子由结晶区结晶区中抽拔中抽拔最后，由于大分子的断裂、大分子之间的滑脱而使纤维断裂。最后，由于大分子的断裂、大分子之间的滑脱而使纤维断裂。第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 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纤维受到拉伸直至断裂，其内部结构的变化

16、是比较复杂的。较复杂的。简单地说，纤维受到拉伸时，首先是简单地说，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。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，也可能将它从定形区中较短的大分子链段断裂，也可能将它从结晶

17、区中逐渐地抽拔出来。最后，由于大分子的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。断裂、大分子之间的滑脱而使纤维断裂。第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 六、影响因素六、影响因素1 1、纤维结构、纤维结构 聚合度：聚合度高，分子间作用力大，强度高聚合度：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，强度高子间作用力大，强

18、度高第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 六、影响因素六、影响因素2 2、环境温湿度、环境温湿度 温度温度 随着温度的提高，纤维内大分子的热运动增随着温度的提高，纤维内大分子的热运动增强，从而削弱大分子间的作用力，导致纤维强，从而削弱大分子间的作用力，导致纤维的强度下降。的强度下降。 湿度湿度 水分能使大分子间的氢键作用力降低，一般水分能使大分子间的氢键作用力降低，一般会使强度降低。会使强度降低。第一节第一节 纤维的拉伸性质纤维的拉伸性质 六、影响因素六、影响因素3 3、试验条件、试验条件 试样长度试样长度 根据根据弱环定理弱环定理，试样越长，强度越低，试样越长，强度越低 试样根数试样根

19、数 根据单纤维根据单纤维断裂的不同时性断裂的不同时性，根数越多，根数越多，强度越低强度越低 拉伸速度拉伸速度 速度大，时间少，强度越高速度大，时间少，强度越高 弱环定理：当纤维或纱线试样长缩短时，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。测试强度的平均值降低。作业（十）1 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、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。裂伸长率，推

20、导纤维强度三个指标之间的换算式。2 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，、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。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6000 Nm5.6毛21um4.2苎麻200 Nm268.8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?

21、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)/()()()()(kgNgNPkmLkgGkmLNmgNtexNPgNNPkmLm/1000)(/)()(gtexmNPtexgtexNPtex/ )/(/1000)/(蠕变图(P107图5-16)松弛图松弛图(P107图图5-15)第二节第二节 纤维力学性能的时间

22、依赖性纤维力学性能的时间依赖性 一、蠕变和松弛1、定义 蠕变：蠕变：在一定负荷作用下，变形随时间在一定负荷作用下，变形随时间而逐渐增加的现象而逐渐增加的现象 松弛：松弛：在一定变形条件下，内部应力在一定变形条件下，内部应力（张力）随时间而逐渐衰减的现象（张力）随时间而逐渐衰减的现象第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性 一、蠕变和松弛2 2、纤维拉伸变形的三部分、纤维拉伸变形的三部分 急弹性变形急弹性变形 加拉伸力，几乎立即产生的伸长变形；去除拉伸外力，加拉伸力，几乎立即产生的伸长变形；去除拉伸外力，几乎几乎立即产生回复的变形立即产生回复的变形由纤维内大分子的键角、键长

23、变化而引起由纤维内大分子的键角、键长变化而引起 缓弹性变形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；去除外力后缓慢回缓慢回复的变形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维轴向平行而形成 塑性变形塑性变形是指拉伸外力去除后不能是指拉伸外力去除后不能回复的变形回复的变形由纤维内大分子间的滑移引起。由纤维内大分子间的滑移引起。第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性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）由于纤维中大分子重新排

24、列引起的） 蠕变：由于随着外力作用时间的延长，不断克蠕变：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，或产生力方向伸展排列，或产生相对滑移相对滑移而导致伸长而导致伸长增加，增加的伸长基本上都是缓弹性和塑性变增加，增加的伸长基本上都是缓弹性和塑性变形。形。 松弛：由于纤维发生变形时具有内应力，使大松弛：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分子逐渐重新排列，在此过程中部分大分子链段间发生段间发生相对滑移相对滑移，逐渐达到新的平衡位置，逐渐达到新的平衡位置，形成新的结合点，从而

25、使内应力逐渐减少。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温度下的蠕变羊毛在不同负荷下的蠕变第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性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；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，可能会因松弛纱线等的卷装若经长时间搁置，可能会因

26、松弛而松烂；而松烂； 服装在长时间坐着等状态的穿着过程中，膝部、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，影响肘部、臀部等会因蠕变而产生起拱变形，影响美观。美观。第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性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、降子间的结合力，达到促进蠕变的产生、降低内部应力等目的低内部应力等目的第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性二、纤维

27、的弹性二、纤维的弹性1 1、定义：是指纤维变形的恢复能力、定义：是指纤维变形的恢复能力2 2、指标：、指标： 弹性回复率：弹性回复率：急急弹性变形和一定时间内可恢复的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等速伸长和等加负荷试验机拉伸图Te43Te43面积面积oabecbeWWeew第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性二、纤维的弹性二、纤维的弹性3 3、影响因素、影响因素 （1 1）纤维结构）纤维结构大分子的柔曲性

28、大分子的柔曲性氢键数目氢键数目交联结构交联结构卷曲数卷曲数第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性二、纤维的弹性二、纤维的弹性3 3、影响因素、影响因素 （2 2）测试条件）测试条件初始拉伸应力或伸长率较大时，弹性回复率较小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，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，弹性回复率较小回复率较小第二节第二节 纤维力学性能的时间依赖性纤维力学性能的时间依赖性 大分子的柔曲性大分子的柔曲性羊毛纤维的大分子是羊毛纤维的大分子是螺旋结构，大分子柔曲性好，螺旋结构，大分子柔曲性好，弹性好弹性好锦纶锦纶-CH-CH2 2-CH-CH2 2- -链段柔曲性好，弹性好链段柔曲性好，弹性好纤维素纤维大分子刚性强，柔曲性差，弹性差纤维素纤维大分子刚性强，柔曲性差，弹性差 氢键数目氢键数