新大纺织材料学课件10纤维的力学性质

1第十章纤维的力学性质第一节拉伸性质2023/3/27第十章纤维的力学性质2第一节拉伸性质一、纤维拉伸断裂性能的基本指标：1．拉伸断裂强力指纤维能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。2．相对强度（1）断裂应力指单位截面积上纤维能承受的最大拉力。2023/3/27第十章纤维的力学性质3第一节拉伸性质(续)（2）断裂强度(相对强度)

指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力。（3）断裂长度纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度。3.断裂伸长率纤维拉伸到断裂时的伸长率（或应变），叫断裂伸长率（断裂应变）。4.拉伸变形曲线和相关指标（1）拉伸变形曲线

如图10-1纺织纤维的拉伸曲线

2023/3/27第十章纤维的力学性质4图10-1纺织纤维的拉伸曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质5第一节拉伸性质(续)（2）相关指标

a.屈服点：在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易的转折点。

b.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。

c.断裂点：

d.断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功。

e.断裂比功：一是体积断裂比功，另一定义是重量断裂比功。

f.功系数η：指纤维的断裂功与断裂强力和断裂伸长的乘积之比。

(3)常见纤维的拉伸曲线

如图10-2常见纤维的拉伸曲线

2023/3/27第十章纤维的力学性质6

图10-2不同纤维的应力-应变曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质7第一节拉伸性质(续)二、纺织材料的拉伸破坏机理及影响因素（一）纺织纤维的拉伸破坏机理及影响因素（1）纤维的拉伸破坏机理第一步：纤维开始受力，变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形，拉伸曲线接近直线。该区域称做虎克区。第二步：外力增加，一部分大分子链伸直，而且可能被拉断，也可能从不规则的结晶部分中抽拔出来，非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形显著，纤维进入屈服区。2023/3/27第十章纤维的力学性质8第一节拉伸性质(续)第三步：当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就会靠近，分子链间可能形成新的次价键，这时候继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，由此进入强化区。（2）影响纤维拉伸断裂强度的主要因素1)纤维的内部结构

a.大分子的聚合度：大分子聚合度越高，大分子从结晶区中完全抽拔出来就不容易，大分子之间横向结合力也更大，所以强度越高。2023/3/27第十章纤维的力学性质9第一节拉伸性质(续)

b.分子的取向度：取向度越高，也就是大分子和基原纤排列越平行，在拉伸中受力的基原纤和大分子根数越多，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。

c.大分子的结晶度：纤维的结晶度愈高，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高。

2)温湿度

a.温度：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，大分子热运动提高，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱。拉伸强度下降，断裂伸长率增大。初始模量下降。2023/3/27第十章纤维的力学性质10第一节拉伸性质(续)b.相对湿度和纤维回潮率：纤维回潮率越大，大分子之间结合力越弱，结晶区越松散。纤维强度越低、伸长率增大、初始模量下降。

3）实验条件

a．试样长度：试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强度越低。

b．试样根数：由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的平均强力为低。

c．拉伸速度：拉伸速度对纤维断裂强力与伸长率的影响较大。

d．拉伸试验机类型：不同类型拉伸试验机，在拉伸过程中对试样施加的方式不同。如等速伸长型、等加负荷型和等速牵引型等。故不同类型试验机所测的纤维拉伸性能没有可比性。2023/3/27第十章纤维的力学性质11第一节拉伸性质(续)（二）纱线的断裂机理及主要影响因素1.纱线的断裂机理

由于加捻作用，纱中纤维相互紧密抱和，纱线的断裂过程就是纱中纤维的断裂和相互滑移的过程。观点1：a.当纱线开始受到拉伸时，纤维本身的皱曲减少，伸直度提高。（初始阶段伸长变形）

b.纱线截面开始收缩，增加了纱中外层纤维对内层纤维的压力。

c.对于传统环锭纺纺成的细纱来说，外层纤维伸长大，张力高；内层纤维则反之；中心纤维可能并未伸长，甚至被压皱着，各层纤维受力不均匀。

简而言之:在细纱拉伸过程中，外层纤维先被拉断，然后逐渐向内层纤维扩展。2023/3/27第十章纤维的力学性质12观点2：在拉伸前的成纱过程中，内外层纤维的张力是均匀的，同时在一小段纱段范围内，因纤维转移不明显，纤维在成纱中的排列可近似看成是分层的圆柱形螺旋线排列结构。由此纱中各层纤维的伸长变形时不同的。规律：中心纤维的伸长变形最大，外层纤维的伸长变形最小。简之：纱线断裂时，中心即内层的纤维先断裂，而后纤维的断裂向外层扩展。2.纱线的断裂主要影响因素

a.纤维的性能①纤维长度及长度不匀率②强度及强度不匀率③细度

第一节拉伸性质(续)2023/3/27第十章纤维的力学性质13第一节拉伸性质(续)

④纤维断裂的不同时性b.纱线结构①纱线的捻度：捻度高，强力高。但超过临界捻度时，强力下降。②成纱方法：环锭纺>气流纱>膨体纱强力最低2023/3/27第十章纤维的力学性质14第一节拉伸性质(续)（三）织物拉伸测定方法、断裂机理及主要影响因素1.织物拉伸测定方法（1）机织物扯边纱条样法、切割条样法、抓样法。（2）针织物梯形法、环形法。（3）非织造布可采用机织物或针织物中的方法。2023/3/27第十章纤维的力学性质15第一节拉伸性质(续)2.织物拉伸断裂机理

织物的拉伸曲线特征与组成织物的纱线和纤维的拉伸曲线相似。例如：棉织物与麻织物的拉伸曲线呈直线而略向上弯曲。毛织物与蚕丝织物的拉伸曲线有明显的屈服。织物结构不同时，织物的拉伸曲线也会有一定差异。织物拉伸曲线和经纬向织缩率有关。织缩率越大，表现在拉伸阶段伸长较大的现象越明显。为了对不同结构的织物进行比较，常用断裂功。它相当于织物拉伸至断裂时所吸收的能量，也就是织物具有的抵抗外力破坏的内在结合能，因而在一定程度上可以认为，织物的这种能量越大，织物越坚牢。

2023/3/27第十章纤维的力学性质16第一节拉伸性质(续)3.主要影响织物拉伸强度因素1）织物密度与织物组织

机织物经纬密度及针织物纵横密度的改变对织物强度有显著影响。当织物经纬密同时变化或任何一个系统的排列密度改变时，织物的断裂强度随之改变。若经密不变仅纬密增加，则织物纬向强度增加，而经向强度有下降的趋势。附注：对织物来说，经纬密都有一个极限值。经纬密在此极限内，对织物强度有利，若超过这一极限，将会给织物强力带来不理的影响。2023/3/27第十章纤维的力学性质17第一节拉伸性质(续)2）纱线的线密度和结构

在织物的组织和密度相同的条件下，用线密度高的纱线织造的织物，其强度比较高。由股线制成的织物，其强度大于由相当于同线密度单纱所织成的织物。纱线捻度与织物的强度的关系：当纱线捻度在临界捻度一下较多时，在一定范围内增加纱线的捻度，纱线本身强度提高，织物强度有提高趋势。但当纱线的捻度接近临界捻度时，织物强度明显下降，这表明当纱线没有达到临界捻度时，织物强度已达到了最高点。2023/3/27第十章纤维的力学性质18第一节拉伸性质(续)3）纤维性质

当纤维品种不同时，织物的拉伸断裂性能也不同。即使品种相同的纤维，当它的性状上稍有差异时，织物的拉伸断裂性能亦会产生相应的变化。特别是化学纤维，由于制造工艺和用途上的不同，可使同品种的化纤在内部结构上发生变化，使纤维的拉伸性能有很大差异。如对棉型低强高伸涤纶纤维和高强低伸涤纶纤维的对比试验（65%涤/35%棉的13tex的混纺纱平布）发现，由低强高伸涤纶纤维制得的织物，虽断裂强度较低，但断裂伸长率特别是断裂功明显较大。2023/3/27第十章纤维的力学性质19第一节拉伸性质(续)三、纺织材料的蠕变和松弛（一）应力松弛和蠕变的基本概念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称为应力松弛。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称为蠕变。2023/3/27第十章纤维的力学性质20第一节拉伸性质(续)2．三种形变

如纤维的蠕变恢复曲线图10-8所示，伸直变形可以分为三种，三部分变形的比例由纤维的内部结构决定。急弹性变形：第一部分变形是在外力作用下，纤维大分子主链的键长和键角增加以及分子键之间次价键的伸长，且伸长变形与外力成正比，伸长或恢复的速率与原子的热振动速率相当，可以看作是瞬时的，即缓弹性变形：第二部分变形是外力作用下，非结晶区中一部分分子链段从卷曲状态沿力场方向伸展，这时必须克服分子间或分子内的各种远程或进程的次价键力，变形过程比较缓慢。当外力去除后，伸展的大分子间又通过键节的热运动而重新取得卷曲构象的趋向，这一过程同样需要克服各种远程和近程的次价键力，该过程需要时间。这部分随时间而逐步伸长或恢复的变形成为缓弹性变形2023/3/27第十章纤维的力学性质21图10-8纤维的蠕变及蠕变回复曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质22第一节拉伸性质(续)塑性变形：第三部分变形是外力作用下，大分子链间产生不可逆的位移，即分子链在克服次价键力后伸长或分子链间相互滑动，在新的状态下重新建立较强的次价键，使分子链节的热运动不可能克服新的次价键力而回复，即产生了塑性变形ε5

。

（二）纺织材料的拉伸弹性纤维弹性是指纤维变性的回复能力，又称弹性回复性能或回弹性。2023/3/27第十章纤维的力学性质23第一节拉伸性质(续)1．弹性的指标

表示纤维弹性的常用指标是弹性回复率eε。它是指急弹性变形ε3（ε1）和一定时间内的缓弹性变形ε4占总变形εT的百分率2．影响纤维弹性的因素

（1）纤维的内部结构

不同结构的纤维，回弹性是不同的。如羊毛纤维的大分子是螺旋结构，大分子柔曲性好，棉、麻、粘胶纤维等大分子刚性强，柔曲性差，分子链间氢键极性强，弹性差。2023/3/27第十章纤维的力学性质24第一节拉伸性质(续)（2）外部条件拉伸试验机型、定伸长或者定负荷的大小、停顿时间、温湿度都对弹性回复性有关。一般弹性好的纤维织成的织物耐磨性较好，耐疲劳性能优良。（三）纤维的动态力学性能

1．定义

当纤维高聚物在动态交变应力作用下，应变落后应力一个相位角δ，纤维的这种性质就是纤维的动态力学性质。2023/3/27第十章纤维的力学性质25第一节拉伸性质(续)2．研究纤维的动态力学性质的实际意义因为实际情况中纺织品大都处于动态受力的状态下，如帘子线、传动带、帐篷、降落伞、绳索等。所以要进行研究。3．正切损耗

tgδ叫做正切损耗，它反映了纤维中粘性和弹性部分比例的大小，正切损耗越大，粘性越大，在交变负荷下，粘滞损耗越大。2023/3/27第十章纤维的力学性质26第一节拉伸性质(续)（四）纺织材料基本力学模型1．基本元件由于纤维是粘弹体，所以不能用单一的元件去模拟，我们用服从虎克定理的虎克弹簧去模拟弹性，再用服从牛顿粘滞定律的的粘壶去模拟粘性。所以基本元件有两个：虎克弹簧和牛顿粘壶。如图10-10所示。2．组合方式及优缺点（1）Maxwell（马克思威尔模型）组成形式：弹簧和粘壶串联2023/3/27第十章纤维的力学性质27图10-10虎克弹簧及牛顿粘壶应力-应变模型2023/3/27第十章纤维的力学性质28第一节拉伸性质(续)

优点：可以很好地描述松弛缺点：但是不能描述蠕变如图10-11所示（2）voigt（伏欧脱模型）组成形式：弹簧和粘壶并联优点：可以很好地描述蠕变和蠕变回复缺点：但是不能描述松弛如图10-12所示2023/3/27第十章纤维的力学性质29图10-11马克思威尔模型及其应力松弛曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质30图10-12Voigt模型及其蠕变和蠕变回复曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质31第一节拉伸性质(续)（3）三元件模型优点：可以很好地描述蠕变和松弛缺点：但是不能解释塑性变形如图10-13所示（4）四元件模型能够较好的描述蠕变和松弛，而且能够解释塑性变形。2023/3/27第十章纤维的力学性质32图10-13三元件模型及其蠕变和蠕变回复曲线2023/3/27第十章纤维的力学性质33第二节压缩性能一、纤维及其集合体的压缩性能

纤维受横向压缩后，在压缩方向被压扁，而在受力垂直方向上则变宽。具体情况可以参见

表10-1几种纤维的横向压缩性能其中①（d0-d）/d0

②（d0-dn）/do

其中：d0为原始直径，d为压缩后的直径，

dn为压缩恢复后的直径2023/3/27第十章纤维的力学性质342023/3/27第十章纤维的力学性质35第二节压缩性能（续）

纤维集合体在压缩时，压力与纤维集合体密度关系如图10-3纤维集合体的压力与密度间关系所示。当纤维集合体密度很小，或纤维间空隙率很大时，压力稍有增大，纤维间空隙缩小，密度增加极快。当压力很大，纤维间空隙很小时，再增大压力，集合体密度增加极微。对纤维集合体加压再去除压力后，纤维集合体体积逐渐膨胀，但一般不能恢复到原来的体积。压缩后的体积回复率表示了纤维集合体被压缩后的回弹性能。纤维集合体加压过程中的变形，也与拉伸相似。2023/3/27第十章纤维的力学性质36图10-3纤维集合体的压力与密度间关系2023/3/27第十章纤维的力学性质37第二节压缩性能（续）二、纤维及其集合体在压缩中的破坏纤维集合体在受强压缩条件下，纤维相互接触出现明显的压痕。压力严重时，开始出现纵向劈裂。例如，棉纤维集合体压缩后的密度达1.00g/cm3以上，恢复后的纤维出现纵向劈裂的条纹。因此原棉棉包密度最好控制在0.40—0.65g/cm3之间，不超过0.8g/cm3。否则会影响开清棉效果并易损伤纤维。2023/3/27第十章纤维的力学性质38第三节弯曲性能一、纤维的弯曲刚度

材料的弯曲刚度决定材料抵抗为扭曲变形的能力。纤维的弯曲刚度大，则不易产生弯曲变形，手感较刚硬。为了在纤维间相互比较，常采用单位粗细条件下的纤维弯曲刚度，称为纤维的相对弯曲刚度或比弯曲刚度。几种纤维的弯曲截面形状系数和相对弯曲刚度值可以参见表10-2纤维的抗弯性能2023/3/27第十章纤维的力学性质392023/3/27第十章纤维的力学性质40第三节弯曲性能（续）二、纤维弯曲时的破坏

1．最小曲率半径纤维弯曲时，截面上各部位的变形不同，如图10-4(a)所示，中性面oo’以上受拉伸，中性面以下受压缩。曲率过大时将发生外层破裂，内层挤压塑变直至断裂。如图10-4（b）所示。弯曲刚度小的纤维制成的织物柔软贴身，但弯曲刚度小的纤维制成的织物易起球，在受到摩擦时，伸出的纤维就容易弯曲纠缠而成毛球。2023/3/27第十章纤维的力学性质41图10-4纤维弯曲时的变形与破坏2023/3/27第十章纤维的力学性质42第三节弯曲性能（续）2．勾结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结强度和打结强度来表征。该试验可在拉伸试验仪上进行，方法如图10-5所示。一般情况下，纤维的勾结强度和打结强度总是小于其拉伸断裂强度，因为整个纤维截面上应力是呈不予均匀分布的，截面的断裂时不同时的。但这种不均匀分布会随着纤维的断裂增长率增加而减小，所以，断裂增长率大的纤维，其勾结强度率也高，如图10-6所示。2023/3/27第十章纤维的力学性质43图10-5勾接强度和打结强度试验原理2023/3/27第十章纤维的力学性质44

图10-6不同断裂增长率纤维的勾结强度率2023/3/27第十章纤维的力学性质45

第四节剪切性能一、纤维的抗扭刚度纤维与任何物体一样，在受到扭矩作用下，都会产生扭变形，如图10-7所示。当一个圆柱体在扭矩T作用下，上端面对下端面产生扭变形时，则有公式:θ=T.l/Et.Ip2023/3/27第十章纤维的力学性质46图10-7扭变形示意图2023/3/27第十章纤维的力学性质47

第四节剪切性能（续）二、纤维扭转时的破坏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中大分子链被拉断，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。表示纤维抵抗扭转破坏能力的指标是捻断纤维时的加捻角。见表10-32023/3/27第十章纤维的力学性质482023/3/27第十章纤维的力学性质49第五节纺织材料的振动性质和声学性质一、纺织材料的机械振动纺织材料的机械振动遵循材料力学的基本规律。由于纺织纤维和纱线是柔软物体，所以在一定应力下，支撑点之间将会有相应的响应振动和自振频率。应用：在一定条件下，可以用测定共振频率的方法来测试纺织纤维或纱线的线密度。

如蚕丝的“丝鸣”。2023/3/27第十章纤维的力学性质50第五节纺织材料的振动性质和声学性质二、纺织材料的吸音性能1.原理：机械振动在空气中传播形成的声波，在接触纺织材料投射、反射过程中会被吸收一部分，这一部分一般是由纤维、纱线在集合体中交互接触的支撑点之间自振频率吸收声波中同频波的能量产生共振转变成热能消耗所致。2.声波透过纺织材料的衰减率与材料共振吸收有关，还与纺织材料的空气透过阻力有关。三、声波在纺织纤维中传递纺织材料由于高聚物大分子取向排列结构的原因，它的轴向力学性能和径向力学性能有很大的差异。声波在纤维内传播时，沿轴向传播速度和沿径向传播速度有很大的差异。2023/3/27第十章纤维的力学性质51第六节表面摩擦与抱合性质一、纤维摩擦抱合性能的基本特征对一般材料，法向压力为零，该切向阻力亦为零。但是纺织材料在法向压力为零时，切向阻力并不为零，这因为纺织纤维细软而多转曲，并有较好的弹性。所以，纤维接触截面处产生的切向阻力F应由两部分组成，即法向压力为零时的切向阻力和因法向压力而引起的切向阻力，前者称为抱合力（或集束力）F1,后者称为摩擦力F2。2023/3/27第十章纤维的力学性质52第六节表面摩擦与抱合性质（续）二、纤维摩擦性能的形成机理

纤维材料是一种表面不平整度较高、可塑性较强的高分子材料，因此，目前均倾向于用“焊接”的观点来说明它的形成原理。理论认为大多数材料的表面都是不规则的，在他们互相接触时，最初也只在少数粗糙的顶尖处才产生真正的接触，几个真正接触点上的负荷很大，使接触点处的材料屈服流动。两物体间的接触面不断增大。

2023/3/27第十章纤维的力学性质53第六节表面摩擦与抱合性质（续）三、纤维抱合性能的表征指标1．抱合系数可用单位长度纤维的抽出阻力来表征这一集束能力，并定义该比值为抱合系数h(cN/mm):h=F1/L2．抱合长度

可以参照断裂长度的概念另形成一种可用于表征纤维间抱合力的间接指标---抱合长度Lh(cN/tex)Lh

=F1/T12023/3/27第十章纤维的力学性质54第六节表面摩擦与抱合性质（续）3.抱合次数将受有一定张力的生丝，置于两组相嵌排列的金属摩擦片之间，由于这两组金属摩擦片被分成上下两层，因此除在这两组金属片间的生丝被压折成屈曲波状，使金属摩擦片在生丝上往复摩擦。一般规定同时摩擦20根生丝，当发现有半数以上的生丝有断裂，且长度在一定尺寸（取6mm）以上时，这时的摩擦次数即可作为表征生丝集束能力的指标，称为抱合次数。2023/3/27第十章纤维的力学性质55

第七节力学疲劳性质材料的疲劳是指当低于破坏（拉断、折断）强度的应力施加于材料，经过一段时间的作用后导致材料失效的现象。疲劳载荷分两种类型：

1）静态载荷施加于材料，经过材料的蠕变而导致的材料失效，这种失效模式为蠕变失效或静态疲劳。2）循环载荷施加于材料导致的失效（本节重点）2023/3/27第十章纤维的力学性质56第七节力学疲劳性质（续）一、拉伸疲劳性质典型的测试应力应变曲线1）简单伸长循环曲线2）累积伸长循环曲线3）载荷循环曲线无论是何种疲劳方式，纤维将表现出不同的疲劳破坏形态，即纤维的断口形态与一次测试失效有明显不同的特征。2023/3/27第十章纤维的力学性质57第七节力学疲劳性质（续）二、弯曲疲劳性质纤维的弯曲疲劳表现为纤维的原纤折皱和裂纹扩展。在弯曲疲劳过程中也伴随纤维在裂纹尖端处的剪应力集中,而导致不同失效模式