苏州大学纺织材料学课件第五章

第五章纤维的力学性质第一节纤维的拉伸性质一、纤维的拉伸曲线与性能指标1．拉伸曲线纺织纤维在拉伸外力作用下产生的应力应变关系称为拉伸性质。

负荷-伸长曲线：表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线，对不同粗细和不同试样长度的纤维没有可比性。

应力-应变曲线：表示纤维在拉伸过程中的应力和应变的关系曲线，可用于比较各种纤维拉伸性能的不同。图5-1纺织纤维的拉伸曲线图中：O→Y（虎克区）：大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复；类似弹簧；Y→S（屈服区）：大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量相应也逐渐变小；S→b（强化区）：错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有所增加，形成新的结合键。曲线斜率增大直至断裂。

Y：屈服点；

b：断裂点。

三个区二个点上图所能反映的指标有：1.断裂强力（或断裂强度）2.断裂伸长（或断裂伸长率）3.初始模量E4.屈服应力与屈服应变5．断裂功、断裂比功和功系数2．拉伸性能指标①强力Pb：又称绝对强力、断裂强力；是纤维能够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：牛顿（N）；厘牛（cN）;克力（gf)

。对不同粗细的纤维，强力没有可比性。（1）强伸性能指标断裂强度（相对强度）Pb：考虑纤维粗细的不同，表示纤维抵抗外力破坏能力的指标，可用于比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质，简称比强度或比应力；单位：N/tex（cN/dtex）；N/den（cN/den）；③断裂应力σb

：指纤维单位截面上能承受的最大拉力。常用单位为N/m2（帕）；

N/mm2（即MPa）。其计算式为：

σ=P/S式中：σ——纤维的断裂应力（MPa）

P——纤维的强力（N）

S——纤维的截面积（mm2）其计算式为：

Ptex=P/Ntex

Pden=P/Nden

④断裂长度Lb：纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度为断裂长度。其计算公式为：

LR=（P/g）*Nm式中：LR——纤维的断裂长度（km）

P——纤维的强力（N）

g——重力加速度（等于9.8m/s2）

Nm——纤维的公制支数。三类相对强度的表达式分别为：⑤断裂伸长率（应变）

纤维拉伸至断裂时的伸长率。它表示纤维承受拉伸变形的能力。L0:纤维的伸直长度(mm);Lb:纤维断裂时的长度(mm)（2）初始模量指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，或伸长率为1%时对应的强力。

其大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，它反映了纤维的刚性。

E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好，其制品比较挺括；

E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形，刚性较差，其制品比较软。

天然纤维：麻>棉>丝>毛；

再生纤维：富纤>粘胶>醋纤；

合成纤维：涤纶>腈纶>维纶>锦纶（3）屈服应力与屈服伸长率

屈服点：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，或者曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点。

屈服应力：屈服点处所对应的应力。

屈服应变：屈服点处所对应的应变。

屈服点以下的变形：可回复的弹性变形。图5-2纤维屈服点的确定确定屈服点常用的方法：角平分线法考泊兰法（Coplan）－A(横坐标的平行线）曼列狄斯法(Meredith)-B屈服点高，即屈服应力和应变高，纤维不易产生塑性变形，拉伸回弹性好，纤维制品尺寸稳定性好。（4）断裂功指标断裂功：拉伸纤维至断裂时外力所做的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量W是强力和伸长的综合指标，用来有效评价纤维的坚牢度与耐用性能。W大，说明纤维的韧性好，耐疲劳性能强，能承受较大的冲击。在负荷-伸长曲线上，断裂功就是曲线下所包含的面积。断裂比功：拉断单位体积纤维所需作的功:

拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功:纤维密度相同时，它对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性。功系数（功充满系数）：实际所作功（即断裂功W，相当于拉伸曲线下的面积）与假定功（即断裂强力*断裂伸长）之比。

值越大表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强。

各种纤维的功系数大致在0.46-0.65间。

二、常见纤维的拉伸曲线图5-3不同纤维的应力-应变曲线图5-4产业用纤维的应力-应变曲线拉伸曲线可分为三类：

（1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等纤维素纤维），表现为拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故）（2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋酯纤维等），表现为模量较小，屈服点低和强力不高；（3）初始模量介于1—2之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）

三、纤维拉伸性能的测量1摆锤式强力仪图5-5摆锤式强力仪属等速牵引式强力仪；力的施加呈非线性，试样的拉伸变形无一定规律。2．杠杆式强力仪图5-6杠杆式拉伸仪属等加负荷型强力仪；卜氏（pressly)强力仪和Uster公司的Dynamat自动单纱强力仪均属此类。3．电子式强力仪属等伸长型强力仪；亦称为万能材料试验机。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断裂过程：脆断韧断纤维断裂机理：大分子主链的断裂

大分子之间的滑脱图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内因：

大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）；

聚集态结构（取向度、结晶度）；

形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性）外因：

温湿度；

测试条件：

a.试样长度

b.试样根数

c.拉伸速度

图5-9不同取向度纤维的应力应变曲线图5-10聚丙烯纤维结晶度的影响（1）纤维的内部结构聚合度↑，纤维断裂强度先↑，逐渐趋于稳定值。取向度↑，纤维断裂强度↑，而断裂伸长率↓。结晶度↑，纤维断裂强度、屈服应力、初始模量↑，而伸长率↓，纤维脆性增强。聚合度与力学性质的关系

强度P聚合度nno

制造化纤时，要控制n的大小n太小——强度不好；n太大——纺丝困难图5-11温度对涤纶的影响（2）试验条件①温度和相对湿度温度↑，纤维断裂强度↓，断裂伸长率↑，初始模量↓。湿度↑，纤维断裂强度↓，断裂伸长率↑，初始模量↓。棉麻等天然纤维素纤维除外，因其聚合度高，分子链极长，回潮率提高后大分子链之间的氢键消弱，增强了基原纤或大分子链之间的滑移能力，调整了原来基原纤或大分子链间的张力不均匀性，大大降低或缓和了分子链间断裂的不同时性，使纤维强度提高。图5-12相对湿度对细羊毛的影响图5-13相对湿度对富强纤维和棉的影响表5-1低速和高速试验结果对比试样v(%/秒)pb(N/tex)

b(%)E0(N/tex)高强锦纶1/6050000.550.6716.714.735强力粘胶1/6020000.560.805.45.21422玻璃纤维1/6010000.420.541.81.82228②

试样长度：试样越长，平均强度越低；③试样根数：束纤维比单纤维平均强力低，差异大；④拉伸速度：速度大，纤维强力高，初始模量偏大，但断裂伸长率无一定规律；⑤

拉伸试验机类型：不同类型的试验机得到的纤维拉伸性能无可比性。属黏弹性材料，它的应力松弛过程与变形速率紧密相关，应力松弛需要一个时间过程。当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，呈现韧性行为。表现为拉伸强度减少，而断裂伸长率增大。高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为。表现为拉伸强度增大，断裂伸长率减少。

五、束纤维的拉伸性质

1．实验研究束纤维强力总是小于各根单纤维强力之和。

k为修正系数，棉纤维＝1.412-1.481

苎麻＝1.582

蚕丝＝1.2742.理论表达

图5-14平行纤维束的比应力-应变曲线一般纤维束：平行纤维束：第二节纤维力学性能的时间依赖性纤维的流变性质（或粘弹性质）定义：纤维在外力作用下，应力应变随时间而变化的性质。包括蠕变，应力松弛及在交变载荷作用下应变落后应力的滞后性，即动态力学性质。一、应力松弛和蠕变1.定义

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，称为应力松弛。图5-15纤维的应力松弛曲线(1)应力松弛产生原因：

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，形成新的结合点，从而使内应力逐渐减小。图5-16纤维的蠕变及蠕变回复曲线纤维在一定拉伸外力作用下，变形随受力时间的延长而逐渐增加的现象，称为蠕变。(2)蠕变产生原因：

随着外力作用时间的延长，不断克服大分子间的结合力，使大分子逐渐沿着外力方向伸展排列，或产生相互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。

影响纤维粘弹性的因素①纤维本身的结构：

分子量增加，分子链的极性、交联和结晶增加，蠕变、松弛减少。②外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加2．三种形变纤维拉伸变形的组成：可回复的弹性变形（急弹性+缓弹性）和不可复的塑性变形

急弹性变形：加（或去除）外力后能迅速变形。

缓弹性变形：加（或去除）外力后需经一定时间后才能逐渐产生（或消失）的变形。

塑性变形：纤维材料受力时产生变形，去除外力后，不回复的变形。（绝对值）

纤维变形：

l=l急+l缓+l塑（绝对值）

ε=ε急+ε缓+ε塑（相对值）三种变形同时产生，所占比例受纤维的性质、加负荷的大小、负荷的作用时间的影响。一般认为，屈服点以前主要产生急弹性变形，屈服点以后出现明显的缓弹性变形和塑性变形。3．对时间和温度的依赖性松弛和蠕变的主要原因：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。当外力或变形大、温度高、空气相对湿度或纤维回潮率高时，应力松弛或蠕变的速度也较快。图5-17羊毛纤维在不同负荷下的蠕变图5-18羊毛纤维在不同温度下的蠕变图5-19羊毛在不同相对湿度下的应力松弛图5-20涤纶在不同拉伸速率下的应力松弛二、纤维的弹性指纤维变形的恢复能力。1．弹性的指标(1)弹性回复率指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。

相同条件下测得的弹性回复率越大，表示弹性越好、变形回复好。图5-21等速伸长和等加负荷试验机拉伸图(2)弹性功回复率（或功回复系数）弹性恢复功与拉伸所作的功之比。2．影响纤维弹性的因素（1）纤维内部结构分子柔曲性好，分子链间有适当的结合点，则纤维弹性高。如：羊毛纤维棉、麻、粘胶纤维锦纶纤维涤纶纤维（2）外部条件与测试条件、环境湿度、定伸长或定负荷的大小、停顿时间等有关。当定伸长或定负荷较大时，弹性回复性降低；当定伸长或定负荷时的停顿时间较长，弹性回复降低；当卸去负荷后的停顿时间较长，则弹性回复增加。三、纤维的疲劳特性1.定义：纺织材料在较小外力、长时间反复作用下，塑性变形不断积累，当积累的塑性变形值达到断裂伸长时，材料最后出现整体破坏的现象。疲劳破坏包括：分子滑移、分子断裂、裂缝的产生与扩散、应力集中。疲劳形式有：蠕变、重复伸长、重复压缩、重复弯曲及重复扭曲。2.指标和测定方法

(1)纤维在一定条件下拉伸至断裂时，所经历的循环次数（耐久度或坚牢度）；

(2)经过一定负荷、一定次数的反复作用，测其剩余伸长的大小。3.纤维结构和性能与疲劳的关系

纤维分子量增加，结晶度提高，耐疲劳性好；

取向度增加，耐疲劳性差。

屈服强度高，屈服伸长大，断裂功大，耐疲劳性好。四、基本力学模型

1．力学模型的基本元件图5-24虎克弹簧及牛顿粘壶应力-应变模型（1）虎克弹簧弹簧模拟纤维材料的急弹性变形，其应力与应变关系服从虎克定律：（2）牛顿粘壶模拟纤维材料中大分子链的粘性流动。在线性弹性材料的理论与分析中，常采用牛顿型粘壶模型描述，其应力—应变关系服从牛顿粘滞定律：

2．描述纤维粘弹性的几个力学模型图5-25马克思威尔模型及其应力松弛曲线（1）Maxwell模型将虎克弹簧和牛顿粘壶串联，可以用来模拟应力松弛现象。当应力作用于Maxwell模型时，由于串联，所以作用于弹簧和牛顿粘壶的应力均与总的应力相同。总的形变应为两部分之和，即：由虎克定律和牛顿粘壶定律，可以建立该模型的应力－应变关系，称为本构方程，即：图5-26Voigt模型及其蠕变和蠕变回复曲线（2）伏欧脱（Voigt)模型将虎克弹簧和牛顿粘壶并联，即为伏欧脱模型。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）。根据两个基本力学元件并联的变形特点：应变相同时，总应力等于两部分的应力之和，建立本构方程，即：图5-27三元件模型及其蠕变和蠕变回复曲线（3）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。（4）四元件模型由两个虎克弹簧和两个个牛顿粘壶组成。五、纤维的疲劳

1．疲劳破坏形式图5-28纤维的多次拉伸循环图5-29纤维的重复拉伸疲劳图（1）静态疲劳（或蠕变疲劳）（2）多次拉伸疲劳（或动态疲劳）

2.纤维疲劳破坏的影响因素（1）表征指标：耐久度或疲劳寿命，指材料能承受的加负荷、减负荷反复循环的次数。（2）影响因素：纤维材料性能方面：纤维分子量增加，结晶度提高，耐疲劳性好；取向度增加，耐疲劳性差。屈服强度高，屈服伸长大，断裂功大，耐疲劳性好。试验或实际应用条件方面图5-30重复拉伸的疲劳曲线第三节纤维的弯曲、扭转与压缩3.662.461.181.232.659.324.962.033.125.85.823.652.941.321.388.545.54一、纤维的弯曲纤维弯曲时受力情况：外侧——受拉，伸长内侧——受压，压缩1.纤维的弯曲刚度3.662.461.181.232.659.324.962.033.125.85.823.652.941.321.388.545.54纤维材料抵抗弯曲变形的能力。相对弯曲刚度（比弯曲刚度）：Rf大——纤维不易弯曲，不易成圈编织，耐磨性差，特别是曲磨，其织物较挺爽，有身骨。Rf小——纤维易产生弯曲，易于成圈编织，其织物较软糯。常用纤维Rf由大到小的次序为：苎麻→玻纤→涤纶→富纤→腈纶→维纶→蚕丝→棉→锦纶→羊毛纤维种类截面形状系数

ηf密度（g/cm3）初始模量E（cN/tex）相对抗弯刚度Rf(104.cN.cm2）

长绒棉0.791.51872.13.66细绒棉0.701.50353.12.46苎麻0.801.522224.69.32亚麻0.871.511166.24.96细羊毛0.881.31220.51.18粗羊毛0.751.29265.61.23桑蚕丝0.591.32141.92.65粘胶纤维0.751.52515.52.03涤纶0.911.381107.45.82锦纶60.921.14205.81.32锦纶660.921.14214.61.38腈纶0.801.17670.33.65维纶0.781.28596.82.94玻璃纤维1.002.522704.88.54异形纤维比圆形纤维Rf大（同品种相同旦数）

纤维锦纶聚酯丝截面形状○△

三叶形Y○△△抗弯刚度31.839.434.944.038.1112.6131.540.12．纤维弯曲时的破坏(b)(a)图5-31纤维弯曲时的变形与破坏（1）最小曲率半径曲率半径越小，弯曲曲率越大，纤维外层的应变增大，当应变增大到等于纤维的拉伸断裂应变时，最外层开始破裂，进而裂纹扩展而断裂。故最小曲率半径为：图5-32勾接强度和打结强度试验原理（2）勾接和打结强度在实际生产中，纤维和纱线的耐弯曲破坏性能常用勾接和打结强度来表征。图5-33不同纤维的勾接强度率(%)图5-33不同纤维的勾接强度率(%)一般情况下，纤维或纱线的勾接和打结强度总是小于其拉伸断裂强度。二、纤维的扭转1．扭转刚度图5-34扭转变形示意图Rt大——加捻时阻力较大，易遭到破坏或产生塑性变形，且有较强的退捻趋势。各种纤维的扭转性能纤维种类扭转截面形状系数ηt相对剪切弹性模量Etl(gf/tex)相对抗扭刚度Rf(10-4·gf·cm2/tex)棉0.711657.9羊毛0.98856.7桑蚕丝0.8416810.2柞蚕丝0.352306.0苎麻0.771095.6亚麻0.94875.8普通粘胶纤维0.93744.7涤纶0.99654.7锦纶0.99454.0腈纶0.57995.2维纶0.67753.6玻璃纤维1.00164064

2．纤维扭转时的破坏表5-4纤维的剪切与拉伸强度对比纤维种类剪切强度(cN/tex)拉伸强度(cN/tex)R.H.65%水湿R.H.65%水湿棉8.47.623.521.6亚麻8.17.425.528.4蚕丝11.68.831.424.5普通粘胶6.43.117.66.9富强纤维10.49.470.658.8铜氨纤维6.44.617.67.8醋酯纤维5.85.011.87.8锦纶11.29.539.235.3偏氯纶9.89.419.624.5

随着扭转变形的增大，纤维中的剪切应力增大，造成结晶区的破碎和非晶区的大分子链被拉断，沿纵向碎裂，最后断裂破坏。一般来说，纤维的剪切强度小于拉伸强度。表5-5各种纤维的断裂捻角纤维种类断裂捻