武科院纺织材料学教案第5章 纤维的力学性质

PAGE1PAGE11第五章纤维的力学性质讨论纺织纤维的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型XE"力学模型"\y"li4xue2mo2xing2"，纤维弹性、动态力学性质及疲劳，以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。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XE"拉伸曲线"\y"la1shen1qu1xian4"纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－伸长XE"负荷p－伸长"\y"fu4he4shen1chang2"△l曲线和应力－应变XE"应力－应变"\y"ying4li4ying4bian4"曲线。2．拉伸性能指标（1）强伸性能指标强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变。图5-1纺织纤维的拉伸曲线a．强力Pb：又称绝对强力、断裂强力XE"断裂强力"\y"duan4lie4qiang2li4"。它是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，单位为牛顿(N)。b．断裂强度XE"断裂强度"\y"duan4lie4qiang2du4"(相对强度)Pb：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d）。c．断裂应力XE"断裂应力"\y"duan4lie4ying4li4"σb：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕Mpa)表示。d．断裂长度XE"断裂长度"\y"duan4lie4chang2du4"Lb：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为km。e．三类相对强度的表达式分别为：(5-1)(5-2)(5-3)（2）初始模量初始模量XE"初始模量"\y"chu1shi3mo2liang4"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。(5-10)初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。（3）屈服应力与屈服伸长率图5-2纤维屈服点的确定纤维在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。（4）断裂功指标a．断裂功XE"断裂功"\y"duan4lie4gong1"W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。(5-11)b．断裂比功XE"断裂比功"\y"duan4lie4bi3gong1"Wv：一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2。(5-12)另一定义是重量断裂比功Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功，其计算式为：(5-13)c．功系数XE"功系数"\y"gong1xi4shu4"η：指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(Δlb)的乘积之比：(5-14)断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定纤维材料的坚牢度和耐用性能。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-应变曲线三、纤维拉伸性质的测量1．摆锤式强力仪Y161型单纤维强力机，Y162束纤维强力机，Y371型缕纱强力机，Y361型单纱强力机等都是摆锤式强力仪。2．秤杆式强力仪卜氏(Pressley)强力仪，Uster公司生产的Dynamat自动单纱强力仪(斜面式)都属于这一类型。图5-5摆锤式强力仪图5-6秤杆式拉伸仪3．电子强力仪英斯特朗(Instron)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开始受力时，其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，基本符合虎克定律。当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的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。当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维，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，进入强化区，表现为纤维模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。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(1)纤维的内部结构a．聚合度：提高聚合度是保证高强度的首要条件。b．纤维大分子的取向度：取向度增大，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。c．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。图5-9不同取向度纤维的应力应变曲线图5-10聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响(2)试验条件的影响a．温度和相对湿度：图5-11温度对涤纶拉伸性能的影响图5-12相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响图5-13相对湿度对富强纤维和棉的影响b．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。c．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。d．拉伸速度：拉伸速度对纤维断裂强力与伸长率的影响较大。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1/6010000.420.541.81.82228e．拉伸试验机类型：五、束纤维XE"束纤维"\y"shu4xian1wei2"的拉伸性质1．实验研究2.理论表达单纤维拉伸性能与束纤维拉伸性能间数学关系。即：(5-16)图5-14平行纤维束的比应力-应变曲线第二节纤维力学性能的时间依赖性XE"时间依赖性"\y"shi2jian1yi1lai4xing4"力学性能具有显著的粘弹性特征或称时间依赖性(timedependent)。典型的粘弹性表现有应力松弛、蠕变以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能。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XE"应力松弛"\y"ying4li4song1chi2"。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。图5-15纤维的应力松弛曲线图5-16纤维的蠕变及蠕变回复曲线2．几种形变急弹性变形XE"急弹性变形"\y"ji2tan2xing4bian4xing2"缓弹性变形XE"缓弹性变形"\y"huan3tan2xing4bian4xing2"塑性变形XE"塑性变形"\y"su4xing4bian4xing2"3．对时间和温度的依赖性纤维的应力松弛和蠕变是一个性质的两种表现。其主要原因是由于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。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1．弹性的指标(5-19)(5-20)图5-21等速伸长和等加负荷试验机拉伸图2．影响纤维弹性的因素三、纤维的动态力学性质XE"动态力学性质"\y"dong4tai4li4xue2xing4zhi4"纤维在交变负荷作用下的应力与应变关系及由此表现出来的力学性能特征称为动态力学性质。(5-21)令有(5-22)式中为动态弹性模量XE"动态弹性模量"\y"dong4tai4tan2xing4mo2liang4"；为动态损耗模量XE"动态损耗模量"\y"dong4tai4sun3hao4mo2liang4"。图5-22动态拉伸性能应力、应变和模量关系图并由此可得复模量XE"复模量"\y"fu4mo2liang4"E*为：(5-23)动态损耗为：(5-24)纤维动态力学性质XE"动态力学性质"\y"dong4tai4li4xue2xing4zhi4"的时间依赖性表现为其动态力学性质指标E*、、和tg是交变负荷频率(即时间)的函数。象一般光谱图一样，力学内耗峰的位置和形状是有其“指纹”特征的。图5-23纤维的频率力学谱四、基本力学模型1．力学模型的基本元件描述粘弹性XE"粘弹性"\y"zhan1tan2xing4"力学性能的基本元件有二个，在线性粘弹性理论中，一个是虎克弹簧，另一个是牛顿粘壶。图5-24虎克弹簧及牛顿粘壶应力-应变模型2．描述纤维粘弹性的几个力学模型(1)马克思威尔(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，图5-25(a)即为麦克斯威尔模型。图5-25马克思威尔模型及其应力松弛曲线(2)伏欧脱(Voigt)模型虎克弹簧和牛顿粘壶并联就是伏欧脱模型，它可以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)。如图5-26所示。图5-26Voigt模型及其蠕变和蠕变回复曲线(3)标准线性固体力学模型XE"标准线性固体力学模型"\y"biao1zhun3xian4xing4gu4ti3li4xue2mo2xing2"(三元件模型)三元件模型由两个虎克弹簧和一个牛顿粘壶组成，有两种排列方式，但它们是互为等效的，如图5-27所示。图5-27三元件模型及其蠕变和蠕变回复曲线(4)四元件模型五、纤维的疲劳1．疲劳破坏形式疲劳破坏有两种形式。一种是指纤维材料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。这是由于蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏，也称为静态疲劳或蠕变疲劳。另一种是多次拉伸(或动态)疲劳，它是指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。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2.纤维疲劳XE"疲劳"\y"pi2lao2"破坏的影响因素表示材料疲劳特征的指标常采用耐久度或疲劳寿命XE"疲劳寿命"\y"pi2lao2shou4ming4"。它是指纤维材料能承受的加负荷、减负荷的反复循环的次数。图5-30重复拉伸的疲劳曲线第三节纤维的弯曲、扭转与压缩一、纤维的弯曲XE"弯曲"\y"wan1qu1"1.纤维的弯曲刚度2．纤维弯曲时的破坏(1)最小曲率半径表5-2纤维的抗弯性能纤维种类ηf(g/cm3)E(cN/tex)Rfr(cN·cm2)/tex2长绒棉0.791.51877.13.6610-4细绒棉0.701.50653.72.4610-4细羊毛0.881.31220.51.1810-4粗羊毛0.751.29265.61.2310-4桑蚕丝0.591.32741.92.6510-4苎麻0.801.522224.69.3210-4亚麻0.871.511166.24.9610-4普通粘胶0.751.52515.52.0310-4强力粘胶0.771.52774.23.1210-4富强纤维0.781.521419.05.810-4涤纶0.911.381107.45.8210-4腈纶0.801.17670.33.6510-4维纶0.781.28596.82.9410-4锦纶60.921.14205.81.3210-4锦纶660.921.14214.61.3810-4玻璃纤维1.002.522704.88.5410-4石棉0.872.481979.65.5410-4o’oo’o(b)(a)(b)(a)图5-31纤维弯曲时的变形与破坏（2）勾接XE"勾接"\y"gou1jie1"和打结XE"打结"\y"da3jie2"强度图5-32勾接强度和打结强度试验原理图5-33不同纤维的勾接强度率(%)二、纤维的扭转XE"扭转"\y"niu3zhuan3"1．扭转刚度图5-34扭转变形示意图表5-3各种纤维的扭转性能纤维种类ηtGt(cN/tex)Rtr(cN·cm2)/tex2棉0.71161.77.7410-4木棉5.0719771.510-4羊毛0.9883.36.5710-4桑蚕丝0.84164.610.0010-4柞蚕丝0.35225.45.8810-4苎麻0.77106.25.4910-4亚麻0.9485.35.6810-4普通粘胶0.9372.54.610-4强力粘胶0.9469.64.4110-4富强纤维0.9764.74.3110-4铜氨纤维0.991006.8610-4醋脂纤维0.7060.83.3310-4涤纶0.9963.74