东华大纺织材料学课件06纤维材料的机械性质

第六章：纤维材料的机械性质12/24/20251纺织与材料学院纺织工程系内容提要：描述纤维拉伸性质的指标；影响纤维断裂强伸度的测试条件；粘弹体的基本力学特征；纤维的表面力学性质；纤维弯曲、扭转、压缩破坏的形式及基本指标。

重点难点：影响拉伸、摩擦的因素，粘弹体的基本力学特征。难点是影响因素的分析和蠕变、应力松弛、疲劳

解决方法：注意深入浅出、启发式教学。多举例。

12/24/20252纺织与材料学院纺织工程系纺织纤维的机械性质（或力学性质）是纤维及其制品在使用过程中的重要性质之一。纤维材料的力学性质的好与坏（优与劣）是根据它在受外力作用时，所表现的耐破坏性能（不一定拉断）来评价的。纤维在外力作用下遭到破坏的形式很多，其中以拉伸断裂为最主要的破坏形式。

12/24/20253纺织与材料学院纺织工程系第一节：拉伸性质

第二节：影响纤维断裂的外在因素

第三节：粘弹体力学特征第四节：纤维表面的力学性质第五节：纺织纤维的弯曲、扭转和压缩

12/24/20254纺织与材料学院纺织工程系第一节拉伸性质

各种材料都有自己所独有的拉伸性质，要表征这一客观变化规律，我们要借助于各种指标，这些指标可告诉我们这些变化规律的变化状况及特征，从而帮助我们了解拉伸断裂的本质、拉伸断裂的机理。

12/24/20255纺织与材料学院纺织工程系一、拉伸断裂指标：

（对于各类指标大家应从以下几个方面理解和记忆：

（1）定义，（2）公式，（3）单位，（4）表示纺织材料的什么特征等）

（一）绝对强力P

纤维材料受拉伸至断裂时，所能承受的最大负荷。单位：牛顿，厘牛顿。

12/24/20256纺织与材料学院纺织工程系（二）相对强力指标：

1、断裂应力：σ，材料单位面积上承受的拉断力。单位：牛顿/毫米2，厘牛/毫米2。

（在前面章节的学习中，大家一定知道了，我们的纺织纤维绝大多数，其横截面是不规则的，加上有的还有空隙、孔洞等，拉伸时还在不断变化，使得其面积很难求测，所以该指标在日常应用中多用于理论研究。实际生产中很少使用。）

2、强度（比强度）：P0，单位细度的材料断裂时所能承受的最大负荷。单位：牛顿/特克斯，厘牛/分特克斯

12/24/20257纺织与材料学院纺织工程系3、断裂长度：LR，纤维由自身重力将本身拉断时所具有的长度。单位：千米。

4、湿干强度比：η，湿强度占干强度（标准大气下）的百分率。

η=湿强/干强×100%

了解材料吸湿后强度的变化状况，绝大多数纤维是η＜100%，而棉麻等天然纤维素纤维则＞100%，希望大家能够解释。

5、10%定伸长负荷

专用于棉型化纤，为混纺时性能匹配时应用的指标。

12/24/20258纺织与材料学院纺织工程系（三）断裂伸长率：ε

纤维材料拉伸至断裂时的伸长量占拉伸前原长的百分率。

二、拉伸变形曲线及有关指标

以上指标只反映在断裂时的力学状况。材料在日常使用中耐破坏的能力与拉伸破坏的过程是密切相关的。

12/24/20259纺织与材料学院纺织工程系（一）应力—应变曲线（负荷—伸长曲线，拉伸图）

纤维的种类是非常多的，实际得到的应力—应变曲线具有各种各样的形状。其典型形式如下。

12/24/202510纺织与材料学院纺织工程系（二）拉伸图上的有关指标：

1、断裂点的指标（前面已经介绍）

2、初始模量：纤维材料拉伸曲线的起始较直部分伸直延长线上的应力与应变之比。

（画线作图，并定义公式，单位）

3、屈服点f的应力、应变

拉伸曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点（产生明显塑性变形的最小应力点）

12/24/202511纺织与材料学院纺织工程系屈服点所代表的物理概念是什么呢？

从材料力学方面，对于金属材料；屈服点的概念是相当明确的，应变在屈服点以下，是完全可恢复的，而屈服点以上就要产生塑性变形（不可恢复的变形）是有一个点的界限的。

但对于我们的纺织材料则不然，屈服转变是一个区间而不是一个点，在屈服点以下，变形绝大部分是弹性变形，有很少部分的变形是塑性，而屈服点以上部分所产生的塑性变形较多，但仍有弹性变形的存在。

12/24/202512纺织与材料学院纺织工程系尽管纺织材料的屈服发生在一个区间上，但我们仍希望用一个点来表示，这样便于分析和解决问题。

屈服点高的纤维，其织造的织物的保形性就好，不易起拱，起皱，抗永久（塑性）变形的能力强。（介绍求取屈服点的作图方法）

12/24/202513纺织与材料学院纺织工程系4、断裂功

（1）断裂功W

（2）体积比功Wav拉断单位体积纤维所需要的功。

（3）质量比功Wam拉断单位质量纤维所需要的功。

（4）比功Wa拉断单位细度单位长度纤维所需要的功。

（5）功系数η曲线下面积/(P0·L0)所包的矩形面积。

（上面5个指标定义式，单位，及关系，不规则面积的求法）

12/24/202514纺织与材料学院纺织工程系第二节：影响纤维断裂的外在因素

一、温、湿度（再次强化、总结一次）

二、试样长度

试样愈长，强力愈低。因为沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂，强力下降——弱环定理（举例说明之）

12/24/202515纺织与材料学院纺织工程系三、纤维根数（再次强调）

束纤维中的纤维根数愈多，由束纤维强力计算得的平均单纤维强力愈低，而且比单根测量时的平均强力低。（断裂的不同时性，亦举例说明）

四、拉伸速度（弱环定律）

一般情况下，随拉伸速度增加，断裂强力，初始模量，屈服应力均会提高，而断裂伸长无一定规律。

12/24/202516纺织与材料学院纺织工程系五、拉伸形式（或仪器类型）

（1）等速牵引（CRT）

（2）等加负荷（CRL）

（3）等速伸长（CRE），此方法现在为国际推广方法。

12/24/202517纺织与材料学院纺织工程系第三节

粘弹体力学特征

一、粘弹性的概念：

粘弹性质也叫流变性质。物体（包括液态）在力的作用下，会发生形状尺寸的变化——即形变（变形）常用应变来表示（变形量与原尺寸之比）。

最单纯的形变形式有两种：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流动（牛顿变形）。

12/24/202518纺织与材料学院纺织工程系这两种基本变形的应力应变关系如下：

虎克变形：

；σ-应力，E-模量，ε-应变

；—粘滞系数，t-时间牛顿变形：12/24/202519纺织与材料学院纺织工程系对以高分子为主要组成物质的纤维来讲，它不仅具有弹性，而且也具有粘性，这种粘性与弹性的组合即为粘弹性，具有粘弹性的物体即为粘弹体，从应力应变的变化特性方面看，可以将“材料在外力作用下，应力～应变的关系随时间而变的性能”叫做粘弹性。

12/24/202520纺织与材料学院纺织工程系二、三种变形

（一）、急弹性变形

（二）、缓弹性变形

（三）、塑性变形

虽然我们把纤维的变形分为三类逐一来说明，但实际上他们之间是互相联系，互相制约的，使总变形是时间的条件值，在材料受外力时，它们同时出现，只是在不同时间，不同负荷或不同拉伸阶段时它们间的比例不同而己。

12/24/202521纺织与材料学院纺织工程系三、蠕变与应力松驰

蠕变：在一定（固定）的拉伸（负荷）条件下，纤维的变形随时间逐渐增加的现象。

应力松驰：当纤维被拉伸到一定变形值，保持恒定时，其内应力随时间逐渐减小的现象。蠕变和应力松弛实质上是一个问题的两个方面：都是反映大分子链不断作构象改变的运动情况。（举一二个例子再说明之）

12/24/202522纺织与材料学院纺织工程系四、纤维的弹性与疲劳

（一）、纤维的弹性：

纤维的弹性是指纤维承受负荷后产生变形，负荷取除后，具有恢复原来尺寸和形状的能力，它影响到纺织材料的：耐磨性，抗折皱性，手感，尺寸稳定性，耐冲击性，抗废劳性等许多性能。

纤维的弹性包含变形能力与变形的恢复能力两方面。通常只讲变形的恢复能力。

12/24/202523纺织与材料学院纺织工程系常用两类指标来表示：

弹性恢复率=

（根据恢复时间可分为急，缓两种弹性恢复，根据作用形式又可分为：定负荷弹性恢复和定伸长弹性恢复）

（通过拉伸曲线获得，这一指标与织物的抗折皱性，耐疲劳破坏关系密切。）12/24/202524纺织与材料学院纺织工程系(二)、疲劳

小应力长期作用下发生的破坏，就叫疲劳。这是一种最普遍的破坏形式。

影响疲劳的因素主要有：

（1）纤维的结构与性能（分子链的变形能力及变形后的恢复能力大，则耐疲劳）

（2）负荷大小

（3）作用方式（引出：疲劳耐久限）：作用时间，恢复时间，频率等

（4）温湿度

12/24/202525纺织与材料学院纺织工程系第四节纤维的表面力学性质一、基本指标：

（一）、摩擦力cN

（二）、摩擦系数f

（三）、抱合力F抱

（四）、切向阻抗系数

（五）、抱合系数h

（六）、抱合长度Ln12/24/202526纺织与材料学院纺织工程系二、影响摩擦的因素：

（一）法向压力（或张力）

切向阻力的增加率不随正压力上升成等比例增加，但切向阻力是增加的。切向阻抗系数随法向压力的增加而下降，逐渐趋于一定值。见教材第425页图7-58、7-59。

12/24/202527纺织与材料学院纺织工程系（二）温、湿度

在通常情况下切向阻抗系数随温度的上升而降低，但在90℃以上的高温情况下切向阻抗系数却上升。切向阻抗系数随相对湿度的增加而增加，出现液态水时有一个下跳。见教材第426页图7-60、7-61，第428页图7-66。

12/24/202528纺织与材料学院纺织工程系（三）表面润滑剂状况：

纤维表而后润滑情况对摩擦力影响很大，为了减少摩擦纤维表面常涂一些润滑剂（毛有和毛油，化纤有化纤油剂，棉有天然棉腊等）。润滑剂的粘滞系数和滑动速度构成对摩擦力的影响（举例画图）。

（四）表面粗糙度

物理表面的粗糙程度对摩擦性状影响很大，因为摩擦力是由于两物体间接触产生的，所以摩擦力的大小与接触表面的情况有关。规律：见教材第428页图7-64。

12/24/202529纺织与材料学院纺织工程系（四）滑动速度：

滑动速度对切向阻力的影响规律如教材第427页图7-62，7-63。

在低速区切向阻力是一个在一定范围内波动的变值，我们把这种现象叫“粘滑现象”，粘滑现象发生在滑动速度很小的区域。“粘滑现象”还有下列现象：

①切向阻力值的波动范围随速度增加而缩小即粘滑现象变小

②纤维受的张力（正压力）越大粘滑现象越严重。

③纤维动、静摩擦系数差异越大，粘滑现象越大。

12/24/202530纺织与材料学院纺织工程系三、摩擦抱合的测定方法

具体的测量方法很多，大致可分为三类。

（一）测量无粘纤维条拉断时所需的力。可测量纤维的抱合力。若在纤维束侧向加一压力，则可测纤维的切向阻力。

（二）测量单纤维在纤维或其他物体（如金属的，陶瓷的，橡胶）上产生相对运动（刚开始运动时，即静摩擦，或保持恒定速度运动时，即动摩擦）所需的力。这类方法中最常用的是绞盘法，用欧拉公式可计算出摩擦系数。

12/24/202531纺织与材料学院纺织工程系（三）测量两个纤维片发生对滑动时所需的力

这一类方法中常用的有斜面法，牵伸法。这也是传统方法。四、纤维的磨损（这部分内容为可选部分）

（一）概念：互相接触并滑移的两物体，在接触面上所产生的破坏——磨损。

广义概念：在非表面接触的其它作用下引起的表面破坏也称为磨损。

12/24/202532纺织与材料学院纺织工程系（二）造成磨损的主要客观因素

1.力学作用：（1）犁耕（纵向划槽）；（2）刮削；（3）切割（横向划槽）；（4）咬啮剪切；

（5）撕剥；（6）疲劳性脱落（疲劳龟裂，脱下局部颗粒）等

2.热学作用：表面热熔（从高温体擦过）而被揩拭落下。（局部过热）

3.化学作用：在化学试剂等作用的同时，受力摩擦使表面局部被揩掉。

磨损使纤维的尺寸、体积、重量、强度、刚性、外形（观）乃至结构发生改变（变化）。

12/24/202533纺织与材料学院纺织工程系（三）描述（衡量）磨损程度的指标

1.因磨损某些性能的绝对损失量。如直径或线密度，重量，强伸性能，光泽等

2.因磨损某些性能的损失率。（或变化率）

12/24/202534纺织与材料学院纺织工程系实验室测试与实际耐磨程度的关系：

要模拟实际或正确反映实际的耐磨