第7 1章 纤维的力学性质1

1、Which fibre for which application?,Primary Properties,?,Physical dimensions/shape/geometry,?,Mechanical properties,?,Hydrophilicity,sensitivity to water/moisture,Secondary Properties,?,Electrical properties,?,Thermal properties,?,Durability/chemical resistance,?,Density,Other properties ?,Examples o

2、f properties that can be useful in deciding,1,第,9_1,章,纤维的力学性质,讲授内容,重点,:,?,拉伸指标及性能,?,粘弹性能,?,弹性性能,?,疲劳破坏,了解,?,摩擦性能,?,弯曲性能,第,1,节,纤维的拉伸性质,?,1.,拉伸曲线,?,2.,拉伸性能指标,?,3.,常见纤维拉伸曲线,?,4.,纤维拉伸性能测量,?,5.,拉伸断裂机理及影响因素,材料拉伸测试,1.,拉伸曲线对比,拉伸曲线,?,负荷,p,伸长,l,曲线,?,应力,?,应变,?,曲线。,a,Y,(,?,y,?,y,),s,P,b,b,0.06,0.12,P,a,负,荷,P,(,

3、N,),l,a,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,/,t,e,x,),0,0.2,0.4,应,力,(,N,/,m,m,2,=,M,P,a,),0,300,600,试样长度,20 mm,线密度,0.3 tex,纤维密度,1.5 g/cm,3,Does,Tension-1,=,Tension-2,?,Yes,but the stresses differ,Higher stress,Lower stress,2.,材料强伸性能指标,?,强伸性能是指材料断裂时的强力（或相对,强度）和伸长,(,率,),或应变。,?

4、,2.1,强力,P,b,：,又称绝对强力、断裂强力。,是指材料能承受的最大拉伸外力，即材料受外,力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿,(N),。,强度指标,?,（,1,）,断裂应力,b,单位截面积上材料能承受的最大拉力,标准单位为帕,Pa(N/m,2),常用兆帕,MPa (N/mm,2,),表示。,b,b,A,P,?,?,3,10,?,?,?,t,b,P,?,?,P,b,单位为,N,P,t,单位为,N/tex,强度指标,?,（,2,）,比强度,(,相对强度,),p,b,，或称比应力,是指每特,(,或每旦,),材料（一般指纤维或纱线）能承受的,最大拉力,单位为,N/tex,，常用,cN/dtex

5、,（或,cN/D,）。,den,b,d,tex,b,t,N,P,P,N,P,P,?,?,强度指标,?,（,3,）,断裂长度,L,b,材料（一般指纤维或纱线）重力等于其断裂强力时的,材料长度,单位为,km,。,g,m,b,b,N,P,L,?,?,P,b,单位为,N,部分材料断裂长度示意图,2.3,伸长能力指标,断裂伸长率,?,材料拉伸至断裂时的伸长率（或应变）,?,表示材料断裂时的伸长变形能力的大小,%,100,0,0,?,?,?,L,L,L,?,Tensile Properties of Fibres,Another example:,Suppose a 10-metre fibre can

6、be extended by only 10cm before,breaking,We would probably not consider it to be particularly,stretchy,But suppose a,10-cm,fibre can be extended by 10 cm,It is clearly,very,stretchy!,Although the extensions are the same, the strains are quite,different.,15,The Importance of Normalisation,Tensile Pro

7、perties of Fibres,So we generally ormalise the raw data by converting:,?,from,load,to,stress,(,specific,stress in textiles),and,?,from,extension,to,strain,16,Normalisation,is particularly important when we want to,compare different materials without having to specify their,dimensions,3.,拉伸过程中的性质指标,?

8、,初始模量,?,屈服点（应力和伸长率）,?,断裂功（比功）、功系数,?,柔顺性,Load-Elongation & Stress-Strain Curves,3.1,初始模量,?,初始模量是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。,?,如果起始段直线不明显，可取,1%,（,0.5%,）,伸长下的应力与应变的比值。,?,小变形情况下（,1,）,晶区大分子基本不发生形变,非晶区分子链发生形变,主要取决于非晶区,分子链的取向度,?,什么是模量？,Two Different Types of Tensile Modulus,Typical Fibre

9、Stress-Strain Diagrams,22,初始模量,?,初始模量的大小影响纤维的刚性。,表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度,影响材料的保形、弹性及刚度,大，制品挺括，不易变形；,小，柔软，易变形,?,涤纶：高，湿态和干态一样,挺括、免烫,?,锦纶：低,柔软，无身骨,?,羊毛：低,柔软,?,棉、麻：（较）高,手感刚硬,3.2,屈服应力与屈服伸长率,?,屈服点：在纤维拉伸曲线上伸长变形随应力增大,突然变大时的转折点。,?,对应屈服点处的应力或伸长率就是,屈服应力和屈,服伸长率,屈服点前后变形情况对比,?,之前,基本上是可恢复的急弹性变形,主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子,

10、链间次价键的剪切,?,之后,有一部分是不可恢复的塑性变形,大分子链段间相互滑移而产生的,?,屈服点高,即屈服应力和屈服伸长率高的纤维,不易产生塑性变形，拉伸弹性好,纤维制品的尺寸稳定性较好,3.3,断裂功指标,?,（,1,）,断裂功,W,?,是指拉伸材料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。,断裂功指标,?,（,2,）断裂比功,?,含义一：拉断单位体积材料所需作的功，,N/mm,3,?,含义二：重量断裂比功,是指拉断单位线密度,与单位长度材料所需做的功，,N/tex,。,?,断裂功（断裂比功）是强力和伸长的综合指标，,它可以有效地评定材料的坚牢度和耐用性能,?,高的材料，表示

11、在断裂时所需吸收的能量大，材,料的韧性好，耐疲劳性能好，能承受较大的冲击，,制品的耐磨性也较好,断裂功指标,?,（,3,）功系数,?,指纤维的断裂功与断裂强力和断裂伸长的乘积之,比,?,不同纤维，断裂点相同，功系数大的纤维材料，,断裂功也大,?,各种纤维的功系数在,0.360.65,之间，故可在断裂,强力与断裂伸长测得后，根据功系数推知其断裂,功的大小。,b,b,l,P,W,?,?,?,?,Parameters Derived from Load-Elongation & Stress-Strain Curves,Strength,breaking,load,(N, cN, etc),Tena

12、city,breaking,stress,(cN/tex, etc),Initial Modulus,(stiffness),slope at origin (cN/tex, etc),Extensibility,breaking strain (%, say),Yield “Point”,limit of elasticity (in terms of either stress or strain),Work of Rupture (WOR),(oughness),energy to break (J, etc),Specific WOR,WOR per unit mass (J/kg,

13、cN/tex),29,Tensile Properties of Fibres,拉伸参量指标,?,拉伸应力曲线反映纤维材料的力学性质,力,学,参,量,力,学,性,质,?,初始模量（杨氏模量）,刚性,?,屈服点,弹性,?,断裂伸长,延性,?,屈服应力（或断裂强度、抗拉强度）,强度,?,断裂功,韧性,?,弹性线下部的面积,回弹性,3.4,纤维柔顺性系数,?,英美常用,?,可塑性越大，,C,值越高,?,C=0,，刚性纤维、低延性纤维,玻璃纤维、韧皮纤维,?,C0,，具有弹性纤维,聚酰胺,10,5,2,1,C,?,?,?,?,10,10,应变下的应力,5,5,应变下的应力,4.,常见纺织纤维拉伸曲线,

14、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,(%),常见纺织纤维拉伸曲线,产业用纤维拉伸曲线,?,产业用纤维（高强低伸型）,强而脆,应变,(%),尼龙,聚酯,凯夫拉,玻璃,人造丝,应,力,(,g,/,d,),钢丝,应,力,(,g,/,t,e,x,),Comparison of Different Fibres,Comparison of Different Fibres,Comparison of Different Fibres,Comparison of Different Fibres,Comparison of Different Fibres

15、,拉伸曲线分类（,1,）,?,（,1,）强力高，伸长率很小的拉伸曲线,棉、麻等纤维素纤维,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）；,苎麻：断裂强度和初始模量大，断裂伸长率和断裂比,功小,刚硬而带有脆性,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,(%),拉伸曲线分类（,2,）,?,（,2,）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线,羊毛、醋酯纤维、粘胶等,表现为模量较小，屈服点低和强力不高；,普通粘胶：断裂强度、初始模量和断裂比功较低，断裂,伸长为中等,软而弱,羊毛：断裂强度很低，断裂伸长大，断裂比功比棉、麻,要大,韧性较

16、好,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,(%),拉伸曲线分类（,3,）,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,(%),?,（,3,）强力与伸长率居中的纤维,涤纶、锦纶、蚕丝等纤维。,涤纶：断裂强度、断裂伸长、初,始模量和断裂比功较大,硬挺,而坚韧,锦纶：断裂强度、断裂伸长和断,裂比功较大，初始模量较低,软而强韧，断裂比功大,耐疲,劳性和耐磨性优良,蚕丝：断裂强度中等偏高，断裂,伸长率较棉、麻高得多，断裂比,功较高,天然纺织纤维中属强,韧纤维,拉伸应力应变特征,描述,术语,拉伸应力应变的特征,对应纤

17、维示例,模量,屈服应力,断裂应力,断裂伸长,柔而弱,低,低,低,中,粘胶,刚而脆,高,无,中,低,苎麻、棉,刚而强,高,高,高,中,蚕丝、高强低伸,涤纶,柔而韧,低,低,高,高,羊毛、锦纶,刚而韧,强而脆,高,高,高,高,高,高,高,低,普通涤纶,高性能纤维,5.,纤维拉伸性能测量,CRL,：,Constant Rate of Loading,CRE,：,Constant Rate of Extension,5.1,摆锤式强力仪,等速牵引式,?,型号,（,1,）,Y161,型单纤维强力机,（,2,）,Y162,束纤维强力机,（,3,）,Y371,型缕纱强力机,（,4,）,Y361,型单纱强力机

18、,?,特点,上下夹头同时以不同,速度下降，力的施加,也呈非线性,拉伸变形无一定的规律,上夹头,下夹头,纤维,重锤杆,支点,标尺,转动机构,指针,L,G,1,G,?,5.2,秤杆式强力仪,等加负荷,?,卜氏,(Pressley),强力仪,?,Uster,公司生产的,Dynamat,自动单纱强力仪,?,上夹头位移量是试样的伸长,下夹头,纤维,上夹头,称杆,v,G,l,0,重锤,支点,5.3,电子强力仪,等速伸长型,?,传感器,测力，下夹头位移量,伸长,上夹头,处,理,单,元,试样,显示,打印绘图仪,v,换算单元,l,=,vt,力传感器,下夹头,6.,拉伸断裂机理及影响因素,?,OO：表示拉伸初期未

19、能伸,直的纤维由卷曲逐渐伸直；,?,OM：（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；,?,QS：（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；,?,Q,：屈服点,；,O O,典型纤维拉伸曲线分析,?,SA：（增强区）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。,?,A,：断裂点,。,O O,纤维拉伸断裂机理分析,大分子链受力示意图,6.1,拉伸破坏机理,a,Y,(,?,y,?,y,),s,b,p,(,N,/,t,e,x,),?,接近

20、直线,?,基本符合虎克定律,?,变形：,?,1.,纤维大分子链,本身的拉伸，即键,长、键角的变形；,?,2.,链间剪切形变。,?,无定形区中大分子链（原纤）克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向,?,一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断,?,或从结晶部分中抽拔出来,?,次价键的断裂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,?,模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。,?,大分子链（原纤）基本伸直平行时，,取向度提高，大分子间距就靠近,?,变形主要又是分子链的键长、键角的,改变和次价键的破坏,?,进入强化区，纤维模量再次提高,?,纤维解体：纤维大分子主,链和大多次价键的断裂,纤维断口图（

21、,1,）,C,B,A,A,B,C,A,B,(a),(b),(c),(d),(e),纤维断口图（,2,）,裂,口,孔,洞,表,面,缺,陷,裂隙,纤维,A,B,(a),(b),(c),6.2,影响纺织纤维拉伸性质的因素,?,纤维断裂决定于大分子的相对滑移和分子链断裂,?,6.2.1,纤维的内部结构,?,(1),聚合度,影响滑移,?,纤维强度随纤维大分子聚合度的增大而增加，但,当聚合度增加到一定值后，再增加时，纤维强度,增加缓慢,?,聚合度足够大，分子链间滑动阻力已大大超过分,子链的断裂强力,影响因素,纤维的内部结构,?,(2),取向度,有效分力,?,决定有效承载的分子链数目,?,取向度增大，纤维断

22、裂强度增加，断裂伸长率降,低。,?,化学纤维的取向度与拉伸倍数有关,?,(3),结晶情况,强度,?,纤维的结晶度愈高，纤维中分子排列愈规整，缝,隙孔洞较小，分子间结合力愈强，纤维的断裂强,度、屈服应力和初始模量表现得较高。,?,结晶区分布,影响因素关系图,g,/,d,e,n,伸长率,(%),增加取向度,醋酯纤维,粘胶纤维,比,应,力,(,g,f,/,t,e,x,),断裂点轨迹,N,/,t,e,x,比容,(cm,3,/g),初,始,模,量,(,N,/,c,m,2,),屈,服,应,力,(,N,/,c,m,2,),结晶度,(%),结晶形态的影响,不同类型粘胶纤维性能,类型,干强,(cN/dtex),

23、干伸,（）,湿强,(cN/dtex),湿伸,(%),湿保,率,(%),吸湿,密度,结晶,度,晶区,尺寸,双折,射,普通,1.9,19.9,1.0,27.5,50,12.5,1.512,45.2,4.3,0.027,强力,3.0,8.3,1.9,17.8,62,12.9,1.509,42.9,3.9,0.032,高强,3.2,9.4,2.0,25.0,64,13.4,1.509,42.9,3.1,0.032,超强,3.7,10.8,3.0,29.5,80,14.4,1.496,32.5,2.5,0.033,二超,4.3,10.3,3.6,25.2,83,14.1,1.508,41.5,2.0,0

24、.037,三超,4.7,10.5,4.1,29.0,86,14.3,1.502,39.0,2.0,0.040,四超,5.3,10.9,4.3,27.6,80,-,-,-,-,二超,3.64.4,1525,2.63.1,2030,约,70,14.1,1.508,41.5,2.0,0.037,富纤,3.15.7,612,2.44.0,1114,约,70,911,1.526,55.5,7.5,0.048,HWM,3.15.3,8,18,2.24.1,1522,约,70,1012,6.2.2,试验条件的影响,?,(1),温度和相对湿度,结合力,?,温度高，大分子热运动能高，大分子柔曲性提高，,分子间结

25、合力削弱,断裂强度下降，断裂伸长,率增大，初始模量降低,?,空气相对湿度大，纤维回潮率越大，大分子之间,结合力越弱，分子链间越松散，易滑移,?,棉、麻,改善断裂不同时性,影响因素关系图,L,(,c,N,/,t,e,x,),177,?,99,?,21,?,-57,?,P,0,(,c,N,/,d,t,e,x,),?,(,c,/,m,m,2,),L,(,c,N,/,t,e,x,),P,0,(,c,N,/,d,t,e,x,),?,(,c,/,m,m,2,),富纤,棉,L,(,c,N,/,t,e,x,),P,0,(,c,N,/,d,t,e,x,),?,(,c,/,m,m,2,),?,(%),涤纶,细羊毛,（,2,）试样长度,?,弱环定律：纤维断裂总是发生在纤维的最弱处，,试样长度长时，最弱的弱环被测到的机会就多，,则平均强力偏低。,?,试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强,度越低,Effects of Sample Length,“weak,-,link” effect in variable yarns,L/2,L,L/2,C,A,B,On average ,longer samples are weaker,Effects of Sample Length,“weak,-,link