第五章力学性质

第五章

纤维的力学性质第一节

单纤维的拉伸性质一、表示纤维拉伸性能的指标

指标有：断裂强力；断裂强度；断裂伸长率1.绝对强力断裂强力P定义：纤维能够承受的最大拉伸外力。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。2.相对强度

—具有可比性(1)断裂强度Ptex/Pden断裂强度是用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。也叫比强度，比应力。表示纤维抵抗外力破坏能力的指标。定义：每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。单位：N/tex（cN/dtex）；N/den（cN/den)。其计算式为：

Ptex=P/Ntex

Pden=P/Nden

式中：Ptex——特数制断裂强度（N/tex；cN/dtex）

Pden——旦数制断裂强度（N/d；cN/d）

P

——纤维的强力（N；cN）

Ntex——纤维的特数（tex;dtex)

Nden——纤维的旦数(d)

(2)断裂应力σ定义：指纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）。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）(3)断裂长度——以长度形式表示的相对强度指标

定义：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。纤维强度三个指标之间的换算式为：

σ=Υ*Ptex*103=9*Υ*Pden*103Ptex=9*Pden

LR=Ptex=9*Pden式中：

σ——纤维的断裂应力（kgf/mm2）；

Υ——纤维的密度（g/cm3）；

Ptex——纤维的特数制断裂强度（gf/tex）；

Pden——纤维的旦数制断裂强度（gf/d）；

g——重力加速度（等于9.8m/s2）；

LR——纤维的断裂长度（m）。注意单位取值可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂应力和断裂强度才具有可比性。3．断裂伸长率ε——应变定义：纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率。它表示纤维承受拉伸变形的能力。其计算公式为：

ε=（L-Lo）/Lo式中：

Lo——纤维加预张力伸直后的长度（mm）；

L——纤维断裂时的长度（mm）；二、拉伸曲线的基本性质

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。

1、拉伸曲线定义

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。

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。图中：O’→O：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直

O→M（虎克区）：类似弹簧；变形可回复；大应力，小变形；Q：屈服点Q→S（屈服区）:变形显著且不易回复，小应力，大变形；S:强化点。S→A（增强区）：大分子主链受力，大应力，小变形。

A：断裂点。

一般纤维负荷-伸长曲线拉伸曲线反映的指标: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E定义：纤维拉伸曲线上起始一段直线部分的斜率，或伸长率为1%时对应的强力。反应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4.屈服应力与屈服应变

屈服点：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。

屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形。而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的塑性变形。纤维屈服点的确定角平分线法，是在屈服点前后作拉伸曲线的切线1和2，再作两切线1、2交角的角平分线，交拉伸曲线于Y点，Y即为屈服点考泊兰法：作坐标原点和断裂点连线ob的平行线，且与拉伸曲线转折区域相切点Y点，Y即为屈服点5．断裂功、断裂比功和功系数

（1）断裂功W

定义：指拉断纤维过程中外力所作的功，或纤维受拉伸到断裂时所吸收的能量。

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，说明断裂时吸收的能量大，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。

（2）断裂比功Wa

定义：拉断单位体积或单位质量纤维外力所作的功。便于不同纤维之间进行比较。

Wa=W/(Ntex*L0)（3）功系数We（功充满系数）定义：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。

其计算式为：

We=W/(Pa*△L)

We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。

三、常用纺织纤维的拉伸曲线麻纤维断裂强度，初始模量大，断裂伸长率和断裂比功小——硬而脆粘胶断裂强度、初始模量、断裂比功均较低——软而弱涤纶断裂强度、断裂伸长、初始模量、断裂比功均较大——挺而韧涤纶断裂强度、断裂伸长、断裂比功均较大，初始模量小——软而韧毛断裂强力低，断裂伸长高——韧性好丝断裂强度中等，断裂伸长较高，断裂比功较高——强韧四．纤维拉伸断裂机理纤维断裂原因有：大分子主链的断裂大分子之间的滑脱弹性区/线性区（OY）初始模量较大服从虎克定律（线性）变形可以完全恢复变形机理——分子链键长和键角的变化（包括分子链及横向次价键）显著特征：横向次价键未破坏，大分子不发生相对运动拉伸曲线特征及变形机理①分子链伸展②分子链及次价键键长键角变化屈服区（YS）纤维伸长较容易应力上升缓慢形变不能完全回复（次价键断裂及重新生成，大分子质心发生相对运动）变形机理——氢键等次价力断裂，分子链伸展次价键断裂分子链伸长重新生成的次价键发生断裂的次价键强化区（SB）应力应变曲线的斜率增大变形机理——大分子链基本伸直，拉伸变形主要是大分子链键长和键角的变化分子链伸直分子链键长键角变化

五．影响纤维拉伸性能的因素内因：

①大分子结构（大分子的聚合度、大分子的柔曲性）；聚合度↑→分子间次价键力↑→断裂强度↑

②超分子结构（取向度、结晶度）；取向度↑→分子共同承担外力→断裂强度↑，屈服应力↑取向度↑→分子相对滑动少→断裂伸长↓结晶度↑→分子排列规整，分子间力↑→断裂强度↑

③形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性）裂缝孔洞缺陷↑→应力集中→断裂强度↓不同取向度纤维的应力应变曲线聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响外因：①温湿度

a.温度↑→分子热运动↑→分子间力↓→断裂强度↓，断裂伸长↑

b.湿度↑→分子间结合力↓→断裂强度↓，断裂伸长↑棉纤维湿强大，分子间力↓→分子张力均匀性↑→断裂强度↑温度对涤纶拉伸性能的影响相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响②测试条件：

a.试样长度：L↑，出现弱环的机会↑

b.试样根数：根数↑，纤维断裂不同时性↑，折算成单纤维强度↓

c.拉伸速度：v↑，强力↑，ε↓，E↑

六、纤维拉伸性能的测试

1.摆锤式强力仪M=(G1/2+G)L·sin

+f

M=R·P

试样上的负荷P与重锤杆摆动角θ的正弦成正比。摆锤式强力仪属于等速牵引式强力仪，由上下夹头同时以不同速度下降，力施加亦呈非线性2.秤杆式强力仪称杆上的重锤以等速v左移，使纤维受力拉伸，上夹头上移量就是试样的伸长。重锤左移产生力矩:M=Gl+G1L/2

纤维受力矩:M=P·RP=（Gl+G1L/2）/RRLl3．电子强力仪固定梁上装有电阻应变丝，上夹头受到试样传送来的拉伸力，引起电阻应变丝的微小变形，而改变电阻值。通过电阻应变仪对信号的检测放大后，直接显示出拉伸力的大小。下夹头的位移量基本上就等于试样伸长变形量△l，从而直接根据移动速度v与时间t的积，得出△l。第二节

纤维的蠕变、松弛和疲劳一、纤维的拉伸变形纤维拉伸变形的组成

急弹性变形

3：加（或去除）外力后能迅速变形。

缓弹性变形

4：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

5

：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）

可回复的变形：急弹性+缓弹性

不可复的变形：塑性变形纤维变形：ε=ε急+ε缓+ε塑三种变形同时产生，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。二、蠕变

定义：指一定温度下，纺织材料在一定外力作用下，其变形随时间而变化的现象。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。

三、应力松弛（变形一定，F-t关系）定义：在一定温度下，拉伸变形保持一定，纺织材料内的应力随时间的延续而逐渐减小的现象称为应力松弛。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。影响纤维流变性质的因素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、松弛也增加羊毛纤维在不同负荷下的蠕变羊毛纤维在不同温度下的蠕变羊毛在不同相对湿度下的应力松弛涤纶在不同拉伸率下的应力松弛固定拉伸率（%）四.纤维的弹性（1）定义：指纤维变形的恢复能力。（2）常用指标：

a.弹性回复率Re（或称回弹率）

Re=（L1-L2）/（L1-L0）式中：L0——纤维加预加张力使之伸直但不伸长时的长度（mm

L1——纤维加负荷伸长的长度（mm）

L2——纤维去负荷再加预张力后的长度（mm）

也可表达为：图中：ec——急弹性变形；

cd——缓弹性变形；

do——塑性变形；

b.

弹性功率ewWe为弹性回复功W为拉伸伸长总功Ew越大，纤维弹性越好常用（3）影响纤维弹性的因素：（1）纤维的结构：分子链的柔曲性高，弹性好；分子间力的作用形式（棉、毛）（2）相对湿度：湿度大，回复差（3）测试条件：负荷大，伸长长，保持时间长，回复差

纤维的弹性是织物获得好的尺寸稳定性与抗皱性的主要因素。五、纤维的疲劳特性1.疲劳形式有：蠕变、小负荷反复作用。蠕变疲劳（静态疲劳）：在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时纤维材料迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。外力持续对材料做功所致多次拉伸(或动态)疲劳：纤维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。疲劳破坏的过程：分子滑移、分子断裂、裂缝的产生与扩散、应力集中。2.疲劳曲线——重复拉伸疲劳图每一次拉伸到某应力，应力持续一段时间，出现蠕变，而后去掉应力。拉伸功回复系数：净功：定负荷疲劳曲线1净功积累导致纤维破坏，每一循环剩余塑性变形变小，四边形变瘦。定负荷疲劳曲线2：是采用纤维被拉伸到一设定负荷时，保持这时的纤维伸长值，停顿一段时使纤维产生应力松弛，然后卸去负荷，再停顿一定时间后，进行第二次拉伸，依次重复，定伸长疲劳曲线：是纤维每次被拉伸到一设定伸长率时，保持这时的伸长值，停顿一定时间，然后卸负荷，再重复。3.指标和测定方法

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）4.纤维结构和性能与疲劳的关系弹性恢复性能好，塑性变形不易积累，耐疲劳性好。断裂功大，净功积累不易达到纤维的拉伸断裂功，耐疲劳性好。结构缺陷多，容易产生应力集中，耐疲劳性不好。第三节纤维的弯曲、扭转与压缩特性

一、纤维的弯曲1.纤维弯曲时受力情况：

外侧——受拉，伸长；内侧——受压，压缩2.纤维抗弯刚度Rf定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力。公式：

Rf=EII0=πr04/4，I=πr4ηf/4

Rf=πEr4ηf/4式中：I—截面惯性矩（cm4）I0——截面为圆形纤维的纤维的惯性矩E——纤维的弯曲弹性模量（cN/cm2）r——实际截面积折算成正圆形时的半径（mm）ηf——截面性状系数（它等于实际的惯性矩与正圆形截面惯性矩之比）惯性矩（截面二次轴矩）：面积元素dA与其至x轴或y轴距离平方的乘积y^2dA或x^2dA，分别称为该面积元素对于x轴或y轴的。Rf大——纤维不易弯曲，不易成圈编织，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.纤维弯曲性能表征勾接相对强度(比强度)ps打结相对强度pk拉伸绝对强度P

勾接相对强度pL勾接绝对强度PL打结相对强度pk打结绝对强度Pk纤维细度Nt

二、纤维的扭转

抗扭刚度Rt：纤维抵抗扭转变形的能力。

Rt=Et*Ip式中：Et——剪切弹性模量；

Ip——截面极惯性矩。Rt大——加捻时阻力较大，纤维易遭到破坏或产生塑性变形，且有较强的退捻趋势。某个截面对于一个点的极惯性矩，等于该截面对以该点为原点的任意一组正交坐标系的截面二次轴矩之和。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1.00164064三、纤维的压缩纤维集合体的压缩变形以材料层体积或高度的变化来表示。

压缩变形的绝对值b=V0-Vk（cm3）

压缩变形的相对值ε=(V0-Vk)/V0

ε

=1-

hk/h0

式中：V0——试样压缩前的原始体积（cm3）

Vk——试样达到规定压力时的体积（cm3）

h0——试样压缩前的原始高度（cm）

hk——试样的最终高度（cm)第四节

纤维的摩擦性质

*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：摩擦现象贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：有了摩擦力，纱、布才具有一定服用价值；

与磨损的关系：纤维、机件被磨损，降低了使用价值；

与发热的关系：高速缝纫可能达300°c，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.摩擦力F2

定义：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切向阻力。

F

=μNμ-摩擦系数一．纤维的摩擦、抱合和切向阻力

问题：在没有正压力的情况下纤维间是不是也存在摩擦力？2.抱合力F1定义：纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。产生原因：因为纤维具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长柔软。作用：纤维必须具有一定的抱合力，棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能顺利进行。3.切向阻力F

切向阻力F=F1+F2F1----抱合力;F2----摩擦力

fN=F1+μN切向阻抗系数f=F1/N+μ二．纤维摩擦抱合性质的指标与测试

1.抱合力的指标与测定（1）抱合系数h(cN/cm)定义：单位长度纤维上的抱合力。

h=F1/L测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定取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Lh(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。

Lh=F1/Ntex式中：

F1——纤维条的强力(gf)

Ntex——纤维条的特数

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

几种纤维的抱合性能

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)羊毛直径23μm553048涤纶

4.4706575腈纶

3.85904745锦纶3.37095156三.影响纤维摩擦系数的因素

a.法向压力的影响实验证明两物质间的正压力与摩擦力并非线性关系：得到摩擦系数：纤维的摩擦系数为减函数结论：正压力增加，摩擦系数减小b.滑动速度的影响纤维μSμD粘胶与粘胶0.350.26锦纶与锦纶0.470.40羊毛与羊毛顺鳞片方向逆鳞片方向同纤维方向0.130.610.210.110.380.15羊毛与粘胶顺鳞片方向0.110.09逆鳞片方向0.390.35羊毛与锦纶顺鳞片方向0.260.21逆鳞片方向0.430.35一般认为静摩擦力FS大于动摩擦力FD

滑动过程：由静到动，μ↓，而后随滑动速度↑，μ↑，到一定的v时μ稳定。滑动速度v与摩擦系数μ的关系在某速度vc以下静摩擦因数大于动摩擦因数μs>

μd

，出现“粘—滑”现象。粘－滑过程及摩擦力曲线合纤在低速时，存在粘滑现象，μ变化较大。一般测μ动。希望μ>0.1m/min以上。粘－滑（stick－slip）现象纤维间相对低速滑移时，会发生时而保持不动（粘），纤维产生变形或同向移动；时而又相对快速滑移（滑），这种现象称为粘－滑（stick－slip）现象。化纤油剂的影响化纤不上油，干摩擦时——切向阻抗系数μ大上油少——μ↓（油膜在纤维表面形成单分子层，边界润滑权重下降）上油多——μ↑（属液体摩擦，与油的粘度有关）因为μ与上油量有关——在一定范围内，上油量↑，μ↓；超过一定量后，上油量↑，μ↑。油剂不仅可降低纤维比电阻，改善抗静电性能，还能增进纤维间抱合，增加平滑，降低纤维