第7-2章 纤维的力学性质(2)

第9_2章纤维的力学性质（2）第2节纤维力学性能的时间依赖性

timedependent力学性能具有显著的粘弹性特征或称时间依赖性。典型表现1.应力松弛2.蠕变3.动态力学性能（自学）相关内容1.形变类型及分布2.纤维的（回）弹性3.基本力学模型（自学为主）4.纤维的疲劳1.形变类型及分布三种形变急弹性形变缓弹性形变塑性形变（1）急弹性变形特点：伸长变形与外力成正比变形速率与原子的热振动速率相当，可看作是瞬时的实质：纤维大分子主链的键长和键角增加分子键之间次价键的伸长（2）缓弹性变形

特点：变形随时间而逐步变化实质：非晶区中一部分分子链段从卷曲状态沿力场方向伸展变形要克服分子间或分子内的次价键力，次价键的拆开和重建需要时间，变形比较缓慢（3）塑性形变

特点：外力去除不可恢复实质：大分子链（质心）间产生不可逆的位移形变分布一般认为：屈服点以前主要是急弹性变形屈服点以后才出现明显的缓弹性变形和塑性变形醋酯纤维的变形分布纺织物理2.应力松弛和蠕变2.1定义应力松弛：纤维在拉伸变形恒定条件下，应力随时间的延长而逐渐减小的现象。Creep蠕变LaterBeforeloadingFibreInstantaneousextensionCreepextensionTimezeroAddload概念及应力应变图蠕变：纤维在一恒定拉伸外力作用下，变形随受力时间的延长而逐渐增加的现象2.3对时间和温度的依赖性纤维的应力松弛和蠕变是一个性质的两种表现。其主要原因是由于在外力作用下纤维中大分子链的构象变化和大分子链之间的相互滑移，即大分子链的重新排列所引起。温度较高时，分子热运动能较大，大分子链链节的旋转、大分子链的伸展和皱曲、结晶区方向和位置的调整移动容易回潮率较大时，纤维大分子之间的结合力减弱蠕变和松弛图例羊毛纤维蠕变和松弛图例羊毛纤维涤纶纤维蠕变松弛现象缩水布机：停车，综平位置——应力松弛半制品：长期储存，松烂——应力松弛蒸纱：促使加速还有其他例子吗？3.纤维的（回）弹性

RecoveryfromStrain弹性（弹性回复性能、回弹性）的含义指纤维变形的回复能力含义：（1）变形难易不易变形——硬（2）回复能力不能恢复——软（3）变形能力断裂伸长率3.1弹性的指标弹性回复率弹性功回复率或功回复系数3.2影响纤维弹性的因素（1）纤维结构羊毛（螺旋，网状结构）；棉、麻、粘胶（刚性强，氢键极性强）；锦纶（锯齿形，链段柔曲性好）；涤纶（急弹形变比锦纶大）（2）测试条件当伸长或负荷较大时，弹性回复性降低；停顿时间较长，弹性回复增加；温湿度较高时，弹性回复率降低弹性好，织物耐疲劳性能优良。如锦纶测试条件对纤维弹性的影响测试条件对纤维弹性的影响测试条件对纤维弹性的影响测试条件对纤维弹性的影响4.基本力学模型（自学）4.1力学模型的基本元件描述粘弹性力学性能的基本元件有二个，在线性粘弹性理论中，一个是虎克弹簧，另一个是牛顿粘壶。4.2马克思威尔(Maxwell)模型虎克弹簧和牛顿粘壶串联用来模拟应力松弛现象4.3伏欧脱(Voigt)模型

虎克弹簧和牛顿粘壶并联用来描述纤维高聚物的蠕变和蠕变回复性能(即缓弹性变形)。

4.4标准线性固体力学模型(三元件模型)

由两个虎克弹簧和一个牛顿粘壶组成有两种互为等效的排列方式5.纤维的疲劳5.1疲劳破坏形式（1）静态疲劳或蠕变疲劳材料在一不大的恒定拉伸力作用下，经过长时间的作用，材料发生破坏。原因：蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏。疲劳破坏形式（2）多次拉伸(或动态)疲劳材料经受多次加负荷、减负荷的反复循环作用，因为塑性变形的逐渐积累，纤维内部的局部损伤，形成裂痕，最后被破坏的现象。疲劳测试图例5.2纤维疲劳破坏的影响因素指标：耐久度或疲劳寿命。——指纤维材料能承受的加负荷、减负荷的反复循环的次数5.2.1纤维材料性能方面（1）拉伸断裂功大，功纤维弹性回复性能好塑性变形不易积累不易很快达到纤维的断裂伸长率或外力做功不易很快积累到纤维的断裂（2）纤维结构缺陷应力集中（3）纤维正切损耗越大，易发热——热老化5.2.2试验或实际应用条件受力小或伸长率小，或加负荷时间短、去负荷时间长——塑性变形小，累加功耗小第3节纱线中纤维的摩擦与抱合1.摩擦机理2.纤维摩擦中的基本现象3纤维摩擦性能测量与影响因素对材料加工和性能的影响纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起球、耐磨和抗皱等有关。与纺纱工艺的关系：贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：纱、布才具有一定服用价值；与磨损的关系：纤维、机件磨损，降低使用价值；与发热的关系：高速缝纫可能达300℃，使缝针弯曲，缝线熔融；与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰纺纱工艺正常进行，特别是化纤。1.摩擦机理摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象（1）分子学说——微观学说从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，在切向外力作用下产生剪切和分离的过程两物体接触面积越大，两接触面靠得越近，分子间的作用就越多越强分子间的有效作用与两接触物体的表面平整光滑度和接触压力有关分子间相互作用的解脱，与外力作用时间有关，即与相对滑移速度有关摩擦机理（2）糙面学说——宏观学说从物体作用的宏观形态来看，两物体接触存在着高低起伏的峰与谷，在摩擦作用过程中变成两接触物体间的碰撞、挤压和错位一硬一软：耕犁和刨刮均较软：软化、剪切变形均较硬：错位、抬起与两物体的硬度或屈服应力、剪切模量、压缩模量、碰撞和粘结点的数量以及正压力的大小有关发生锁结变形，变形的打开与时间有关，尤其是高聚物材料摩擦系数与正压力与移动速度密切相关，不是一个常数2.纤维摩擦中的基本现象2.1切向阻力（1）抱合力F1——纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。原因：纤维具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长柔软；用途：棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能顺利进行。纤维摩擦中的基本现象（2）摩擦力F2——纤维之间或纤维与机件之间，在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻力。用途：加捻、织物形成（3）切向阻力F＝抱合力F1＋摩擦力F2切向阻抗系数：3.纤维摩擦性能测量与影响因素3.1抱合力的指标与测定①抱合系数h(cN/cm)——单位长度纤维上的抱合力。测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定出这根纤维所需的力F1（cN，即抱合力）和纤维的长l（cm）的比值。②抱合长度Lk（m）方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的强力和纤维条的特数。式中：F1——纤维条的强力（N）；

Ntex——纤维条的特数（tex）；

g——重力加速度（9.8m/s2）。3.2影响纤维抱合力的因素纤维的几何形态（表面结构、纤维长度、卷曲度）；排列形状；纤维弹性；表面油剂；温湿度。纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软——抱合力较大。纤维种类纤维线密度(dtex)纤维长度(mm)20°C时的抱合长度(mgf/tex)50°C时的抱合长度(mgf/tex)羊毛Φ23μm553048涤纶4.4706575腈纶3.85904745锦纶3.370951563.3切向阻抗系数的影响因素（1）法向压力：压力大，系数大（2）回潮率（相对湿度）：回潮率大，系数大（3）滑动速度：速度低于一定值，系数不稳定；实际测试中应高于一定值（4）粗糙度（5）摩擦热摩擦图例3.4测试方法（1）绞盘法测试方法

（2）抽拔法（3）刮动法第4节纤维的弯曲1.纤维的弯曲刚度2.纤维弯曲时的破坏1.纤维的弯曲刚度决定材料抵抗弯曲变形的能力与材料半径（等效直径）的四次方成正比与纤维的线密度平方成正比纤维相对弯曲刚度或比弯曲刚度举例天然纤维中，羊毛最柔软，麻最刚硬化学纤维，锦纶最柔软，涤纶最刚硬弯曲刚度小的纤维，织物柔软贴身、舒适，但易起球异形截面或中空截面的化纤比圆形截面的化纤弯曲刚度大而不易起球纤维种类ηf

(g/cm3)E(cN/tex)Rfr(cN·cm2)/tex2长绒棉0.791.51877.13.66×10-4

细绒棉0.701.50653.72.46×10-4细羊毛0.881.31220.51.18×10-4粗羊毛0.751.29265.61.23×10-4桑蚕丝0.591.32741.92.65×10-4苎麻0.801.522224.69.32×10-4亚麻0.871.511166.24.96×10-4普通粘胶0.751.52515.52.03×10-4强力粘胶0.771.52774.23.12×10-4富强纤维0.781.521419.05.8×10-4涤纶0.911.381107.45.82×10-4腈纶0.801.17670.33.65×10-4维纶0.781.28596.82.94×10-4锦纶60.921.14205.81.32×10-4锦纶660.921.14214.61.38×10-4玻璃纤维1.002.522704.88.54×10-4石棉0.872.481979.65.54×10-42.纤维弯曲时的破坏2.1最小曲率半径纤维弯曲时，截面各部位的变形不一样，外层最大曲率半径越小，各层变形差异也越大当外层变形增大到等于纤维断裂应变时，外层开始破裂，引起纤维断裂2.2勾接和打结强度耐弯曲破坏性能表征勾接和打结强度总是小于其拉伸断裂强度原因：弯曲变形，截面上应力不均匀，弯曲边缘处最大，截面断裂不同时应力不均匀分布会随着纤维断裂伸长率的增大而减少思考题1.简述拉伸性能指标，并推导其相互关系式。2.绘制纤维典型拉伸曲线，并指出据此可获得物理指标？这些指标的物理意义是什么。3.根据纤维拉伸曲线描述棉、羊毛、麻、涤纶、蚕丝属于何种类型纤维。4.纤维被拉伸后形变的组成。其特征及实质是什么？有没有截然分开的界限。5.拉伸中蠕变和应力松驰的现象是怎样的?蠕变和松驰的速度主要受哪些因素的影响?试举出现实生活中常见的蠕变或松弛的例子。7.纤维弹性测量的方法有哪些？应力应变图中的形变分布？如何求得弹性性能指标。思考题8.什么是纤维的疲劳破坏？产生的原因是什么。9.纤维疲劳测试的方法有哪些？疲劳测试图中的形变组成是什么？10.纱线中纤维间的切向阻力组成有哪些？影响因素有哪些。11.抱合力的概念是什么？有什么用途。12.为什么纤维的打结强度低于拉伸强度计算题1.今测得3dtex涤纶纤维的绝对强度为18CN,试样夹持距离为20mm,又测得6dtex锦纶纤维的绝对强度为36CN,夹持距离为10mm,问三种纤维的相对强度何者为大?为什么?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：棉6000公支、5.6CN；毛21um、4.2CN；苎麻2