纺织物理第3章.ppt

1、高等纺织材料学,杜赵群（东华大学纺织学院）2013年-2014年第1学期,高等纺织材料学,第三章 纤维的力学性质,第一节 纤维的拉伸性质,纺织纤维的力学性质是纺织加工和纺织品使用的必要条件之一，也是纤维制品其他物理性能充分发挥的必要基础，其中纤维受到的外力主要也是拉伸作用，所以纤维拉伸性能是其力学性质中最为重要的。 一、拉伸曲线及拉伸性质指标 在比较不同纤维的拉伸性能时，通常采用从拉伸曲线上求特性指标，常用的指标有强伸性、初始模量、屈服点和断裂功等四类指标。 1拉伸曲线特征,第一节 纤维的拉伸性质,2. 拉伸阶段与性能指标,断裂强力 断裂强度(相对强度) ：应力，比应力 断裂长度 断裂伸长率

2、初始模量 屈服点 断裂功 断裂比功 断裂功充满系数,a断裂强力Pb： 又称绝对强力，为指纤维承受的最大拉伸外力，或纤维受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)。纺织纤维的线密度较细，其强力单位通常用厘牛顿或厘牛(cN)，1 N=100 cN 。 b断裂强度(相对强度) Pb：考虑纤维粗细不同，表示纤维抵抗外力破坏能力的指标，可用于比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质，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b：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。

3、d断裂长度Lb：以长度形式表示的相对强度指标，其物理意义是设想将纤维连续地悬挂起来，直到其因自重而断裂时的长度，即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：,第一节 纤维的拉伸性质,(5-3) 式中：b为纤维的断裂应力(N/mm2或MPa)；Pb为纤维的断裂强力(N)；A为纤维的横截面积(mm2)；ptex为特数制断裂比强度(N/tex)；pden为旦数制断裂比强度(N/den)；Lb为纤维断裂长度(km)；g为重力加速度(9.80665m/s2)；Ntex、Nden和 Nm分别为纤维的特数、旦数和公制支数。 其间相互关系，可通过纤维质量表达式MAL，其中

4、，M为纤维质量(g)；L为纤维长度(m)；为纤维密度(g/cm3)来转换。 (5-4) (5-5) (5-6) (5-7),第一节 纤维的拉伸性质,目前，尚有许多强力机采用工程单位制，强力读数单位为克力(gf)或公斤力(kgf)，当断裂比应力单位采用克力/特或克力/旦时，则断裂长度和断裂强度间的换算式应为： 或 f断裂伸长率（应变）：纤维拉伸至断裂时的伸长率(或应变)称为断裂伸长率b(%)(或断裂应变b)，其表达式为： ，或 式中：l0为拉伸前的试样长度(mm)，又称隔距或夹持距；lb为拉伸断裂时的试样长度(mm)。 断裂伸长率或断裂应变表示纤维断裂时的伸长变形能力的大小。 （2）初始模量 初

5、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。,第一节 纤维的拉伸性质,式中，E0为初始模量(N/tex，N/mm2，MPa，或N/den)。 如果拉伸曲线上起始段的直线不明显，可取伸长率为1%左右的一点来求初始模量，但纤维拉伸前，必须处于伸直状态，即有初张力。 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，纤维的初始模量大，其制品较挺括；反之，初始模量小，制品较柔软。 （3）屈服应力与屈服伸长率 在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时的转折点称为屈服点。对应屈服点处的应力和伸长率(或应变)就是屈服应力和屈服伸长率(或应变)。 纤维材料的屈服点

6、很不明显，往往表现为一段区域，通常用作图法定出。如角平分线法，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；如果从两切线1、2的交点作横坐标的平行线交拉伸曲线于Yc点，Yc即为屈服点，称考泊兰(Coplan)法；如果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，称曼列叠斯(Meredith)法。,第一节 纤维的拉伸性质,第一节 纤维的拉伸性质,（4） 断裂功指标 a 断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，即图5-1中P-l伸长曲线(ob)下的面积，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。可表达为： (

7、5-11),第一节 纤维的拉伸性质,它可在强力机测得的拉伸曲线图上用求积仪求得，或以数值积分完成。新型电子强力仪可直接显示或打印出断裂功的数值。断裂功的大小与试样粗细和长度有关，同一种纤维，若粗细不同，试样长度不同，则断裂功也不同。为了纤维间性能的相互比较，常用断裂比功表示纤维材料抵抗外力作功的能力。 b断裂比功Wv ：又称拉伸断裂比功，它有两个不同的定义，一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2，即折合成同样截面积，同样试样长度时的断裂功。 (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) 式中Ww为重量断裂比功

8、 ( N/tex 或 N/den )， W为拉伸断裂功(Ncm)。,第一节 纤维的拉伸性质,c功系数：又称“功充满系数”，它是指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(lb)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。断裂功或断裂比功大的纤维表示纤维在断裂时所需吸收的能量大，即纤维的韧性好，耐疲劳能好，能承受较大的冲击，纤维制品的耐磨性也较高。 对于各种不同纤维，如果断裂点相同时，功系数大的纤维材料，其断裂功也大。同种纤维的不同试样，其功系数变化不大，各种纤维的功系数大致在0.46-0.65之间。因此，可在断裂强力与断裂伸长测得后，根

9、据功系数推知其断裂功的大小。,第一节 纤维的拉伸性质,二、纤维代表性拉伸曲线及其绘制 1、单根代表法曲线法： 选择与拉伸曲线特征值（断裂强力、断裂伸长、初始模量或屈服点）均值接近的纤维的拉伸曲线作为代表 2、5根曲线平均法： 选择与拉伸曲线特征值（断裂强力、断裂伸长、初始模量或屈服点）均值接近的5根纤维，以断裂伸长均值为基准，将5根曲线的断裂伸长划分为n等分，求出各等分对应的强力均值，然后连接各点。 3、曲线平均法： 依据实际实验数据，将所有曲线求均值。,第一节 纤维的拉伸性质,三 纤维结构对力学性能的影响 纤维内部结构是影响纤维拉伸性能的根本原因(或内因)。其中主要是纤维大分子的聚合度, 以

10、及表示纤维大分子链集聚排列特征的取向度和结晶度。 a聚合度：纤维的强度随纤维大分子聚合度增大而增加，但当聚合度增加到一定值后，再继续增加时，纤维的强度增加减慢甚至不再增加。这是因为聚合度增加时，纤维大分子链加长，正如短纤维纱一样，纤维长度越短纱线断裂时，大部分纤维滑移而不是断裂。纤维的断裂也决定于大分子的相对滑移和分子链断裂两个方面。随着聚合度增加，大分子链间的次价键数目增多，剪切阻力增加，大分子链间不易滑移，大部分分子链断裂，所以纤维断裂强度提高。当聚合度足够大时，分子链间滑动阻力已大大超过分子链的断裂强力时，再增加聚合度，其作用也就越来越不显著了。对于化学纤维，聚合度太高，纺丝液粘度增加还

11、会出现纺丝的困难。但是，生产高强度化纤时，提高聚合度是保证高强度的首要条件。,第一节 纤维的拉伸性质,b纤维大分子的取向度：取向度高的纤维，有较多的大分子排列在平行于纤维的轴方向，且夹角越小，拉伸纤维时，分子链张力在纤维轴向的有效分力大，纤维强度也越高。天然纤维中，麻纤维内部大分子链与纤维轴向倾角小，其强度高，伸长率低。棉纤维中大分子排列因原纤的螺旋倾角大，其强度比麻纤维要低，见图。在化学纤维中，纤维分子取向度随纺丝过程中的牵伸倍数增大，而提高，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。,第一节 纤维的拉伸性质,c结晶度： 纤维的结晶度愈高，纤维中分子排列愈规整，缝隙孔洞较少且较小，分子间结合力愈强，

12、纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高，但其伸长率低，脆性可能增加。,第一节 纤维的拉伸性质,d. 分子链的刚柔性与极性基团 刚性基团多，纤维模量增加，刚性增大；极性基团多，增加分子链间的次价键力，有高模量和高强度。 e. 交联 交联结构的材料，粘流态无；适度交联，材料具有良好的弹性；过度或过高交联，可能影响高弹性，而且导致各分子链的受力的非同时性，反而降低强度。 四、提高纤维强伸性能的途径 合理的聚合度、提高取向度、改善结晶结构，适中的结晶度，结晶颗粒的均匀分布等。,第一节 纤维的拉伸性质,第一节 纤维的拉伸性质,五、纤维结构不匀对拉伸性能的影响,（1）Peirce的弱环定律,（2）S

13、pencer-Smith的改进 （相邻片段强力的相关系数）,一、纤维的粘弹力学现象及其分子解释 长链分子伸展与重构，使得纤维的变形具有时间效应或时间依赖性。因此，纺织纤维力学性能兼有弹性固体和粘性流体的变形特征。 1、蠕变 定负荷作用下，变形随时间而逐渐增加的现象。 蠕变柔量J(t),第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,2、应力松弛 定变形作用下，纤维内力随时间而逐渐衰减的现象。 松弛模量E(t),第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,3、动态力学行为 纤维的粘弹性还表现为一次拉伸性能中，断裂强力、初始模量为拉伸速度的函数。,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,式中，F1为断裂时间为t1时的断裂负荷， F2

14、为断裂时间为t2时的断裂负荷，k为强度-时间的系数，通常在0.060.088.,2纤维粘弹性力学模型 纤维的应力松弛、蠕变和在交变应力作用下的动态力学特征是纤维力学性质时间依赖性的典型表现。在某些研究中，有时需要对纤维和纤维制品的这些粘弹性表现进行定性或半定量的分析和讨论。这种分析常借助于力学模型。,力学模型的基本元件 描述粘弹性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。弹簧模拟纤维材料的急弹性变形；牛顿粘壶模拟纤维材料中大分子链的粘性流动 。,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,1. 马克思威尔(Maxwell)模型 即虎克弹簧和牛顿粘壶串联模型。,当应力作

15、用于马克思威尔模型，作用于弹簧和牛顿粘壶的应力均与总的应力相同。总的形变应为二部分1和2之和，建立应力-应变本构方程，即：,物理模型：,本构方程：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,a. 应力松弛 即,则式为,初始条件：,可得：,其中：, ，即 ，maxwell模型简化成弹簧模型，模型为弹性； E ，即 0，maxwell模型简化成粘壶模型，模型为粘性； ，maxwell模型弹性 ，粘性 。,应力松弛曲线为：,当t ，表现粘弹粘性。,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,b. 蠕变 即,蠕变回复： 设t1时刻却去负荷，即0，带入本构方程式，可得： 初始条件：,初始条件：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质

16、,2. 伏欧托（或开尔文）模型（Voigt or Kelvin） 即虎克弹簧和牛顿粘壶并联模型。,物理模型：,由此模型可知，弹簧单元和粘壶单元应变与总应变相同，应力之和为总应力，可得：,本构方程：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,初始条件：,蠕变方程通解：,令,形变推迟时间,蠕变回复： 设t1时刻却去负荷，即0，可得：,初始条件：,a. 蠕变 即,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,应力松弛 即,则应力松弛方程方程通解：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,3. 标准线性固体力学模型(三元件模型),通过以上式子可得本构方程：,或,(1),第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,a. 蠕变 即,初始条件：,蠕变

17、方程：,t1时刻却去负荷后蠕变回复方程：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,b. 应力松弛 即,则应力松弛方程方程通解：,初始条件：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,(1),4. 标准线性固体力学模型(四元件模型),本构方程：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,a. 蠕变 即,初始条件：,蠕变方程：,急弹性,缓弹性,塑性,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,b. 应力松弛 即,两个常量需确定，还需另定一条件。可通过两个Maxwell模型并联进行等价。,初始条件：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,H()为应力松弛时间谱，为松弛时间在和d之间的Maxwell单元的多少。 则应力松弛模量E(t)为：,因为松

18、弛时间的分布很宽，所以通常时间坐标取对数坐标，设H (ln)=H() ，则,5. 多元件一般化模型，松弛时间谱和推迟时间谱,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,L()为应力推迟时间谱，为推迟时间在和d之间的Voigt单元的多少。 则蠕变柔量J(t)为：,因为松弛时间和推迟时间的分布很宽，所以通常时间坐标取对数坐标，设L(ln)= L()，则,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,标准非线性固体力学模型(三元件模型),Eyring model：,（1）非线性粘壶模型,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,a. 等速牵引 即,初始条件：,应力 时间函数：,（为应变 时间函数）,也可将应变 时间关系式代入本构方程，

19、求得应力 时间关系式和应力 应变关系式。,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,变形不仅与应力有关，而且与应力的作用时间有关。任一刻瞬时所具有的变形与物体的加载负荷历史有关，每一阶段施加的负荷对最终形变的贡献是独立的。,三、线性粘弹行为的积分表达式-玻尔兹曼叠加原理,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,纤维的动态机械性质是指纤维在承受周期性变化的外力或变形下表现出来的应力应变特征。许多纺织制品在实际使用过程中承受的是动态负荷作用,例如轮胎帘子线、传动带、帐篷、降落伞等，及其减震材料与隔声材料等。另外，动态力学性能的测量也可用于材料内部结构的研究。因此，动态机械性质的测量有着理论上和实践上的重要意义,四、

20、纤维动态力学性质,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,一个周期内单位体积粘弹体所消耗的功为：,交变载荷作用下的应力应变行为: （1）虎克弹性体 正弦交变应力施加于虎克体时，产生正弦交变应变，则任意时间t的应力和应变为：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,一个周期内单位体积粘弹体所消耗的功为：,（2）牛顿粘流体 正弦交变应力施加于粘流体时，则任意时间t的应力和应变为：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,（3）纤维粘弹体 由于纤维材料为粘弹体，介于弹性体和粘流体之间，所以应变落后应力一相位角，且0 /2，即当正弦交变应力施加于纤维材料时，则任意时间t的应力和应变为：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,动态弹

21、性模量,动态损耗模量,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,复数Z可用代数、三角式或指数式表达，其在复平面的矢量图为：,将某向量在复平面内以角速度旋转，其在y轴上的投影显示正弦波。因此，如果用指数式复数描述正弦交变应力和应变，则可写成下式：,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,定义正切损耗角 为：,按模量定义，则复数弹性模量E*和复数柔量J *分别为,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,典型力学模型的动态力学性能,(1) Maxwell模型,本构方程：,当对粘弹体施加正弦交变应力时，即,则可得应变为，,则复数弹性模量为，,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,(2) Voigt模型,本构方程：,当对粘弹体施加正弦

22、交变应变时，即,则可得应力为，,则复数弹性模量为，,则复数柔量为，,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,(3) 三元件模型动态力学行为,当对粘弹体施加正弦交变应变时，即,则复数弹性模量为，,第二节 纺织纤维的粘弹力学性质,一、纤维粘弹性的测试方法 静态法：应力松弛和蠕变； 低频振动法：自由振动 高频振动法：共振法 强迫振动非共振法 应力波传递法,第三节 粘弹性能的测量及其应用,1、应力松弛和蠕变测量 静态法：应力松弛和蠕变；,第三节 粘弹性能的测量及其应用,2、动态力学性能测试方法 低频振动法：自由振动,第三节 粘弹性能的测量及其应用,2、动态力学性能测试方法 高频振动法：共振法,第三节 粘弹性能

23、的测量及其应用,非共振强迫振动法,应力波传递法,三、纤维粘弹性测量的应用 1、时-温等效原理 在外力作用下，高分子运动的松弛时间与温度有关系，温度高，运动单元活化，运动能量增加以克服运动单元以一定方式运动所需的位垒；另外，体积膨胀而增加了活动的自由体积，从而缩短松弛时间。,第三节 粘弹性能的测量及其应用,式中：E为运动单元的活化能，R为气体常数，T为绝对温度，0为常数。,2、应力松弛实验及其主曲线 要获得定温度下，纤维长时间的应力松弛时间曲线的科学分析必要，而又有实际试验的问题，如数年或数十年？,第三节 粘弹性能的测量及其应用,T0为参考温度，aT为水平移动椅子， E（T，t）为温度为T时的应

24、力松弛模量曲线， E（T0，t/aT）为温度为T0时应力松弛模量曲线。,（1）基于不同温度下一定时间范围内的应力松弛实验曲线,第三节 粘弹性能的测量及其应用,（2）基于不同应变下一定时间范围内的应力松弛实验曲线,3、蠕变实验及其主曲线 要预先机械处理： 如缓慢拉伸至一定负荷，后充分松弛； 或反复多次拉伸，再充分松弛与恢复。,第三节 粘弹性能的测量及其应用,（1）基于不同温度,（2）基于不同应变,4、纤维热机械性质的分析方法 研究温度变化过程中的纤维力学性质变化。测量方法：,第三节 粘弹性能的测量及其应用,（1）静态力学法 长度-应力的变化关系测量 a. 热收缩：定初张力（小于纤维热收缩应力），

25、测量温度-长度的变化曲线，长度缩短； b. 热收缩应力： 定伸长，测量温度-应力的变化曲线，应力为先上升，后松弛； c. 热蠕变和热松弛： 定初张力（高于纤维热收缩应力），不发生热收缩，而是蠕变，测量温度-长度的变化曲线，长度增加； 定伸长，测量温度-应力的变化曲线，应力表现为松弛，应力降低； d. 应力-应变关系曲线：基于不同温度的应力-应变关系，获得模量-温度曲线,第三节 粘弹性能的测量及其应用,第三节 粘弹性能的测量及其应用,（2）动态力学法 a. 动态弹性模量与动态损耗模量的关系,第三节 粘弹性能的测量及其应用,（2）动态力学法 b. 非晶相中的转变 c. 晶相的转变,一、虎克弹性 基

26、于固体物理学中的固体粒子的相互作用力的虎克弹性。,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,二、橡胶弹性 无定形区域类似橡胶，在玻璃化温度以上，呈现高弹态。 基于分子链学说和热力学概念，经历3个发展阶段： （1）热力学分析橡胶的弹性 （2）采用统计方法计算分子链末端距和熵 （3）基于孤立分子链的性质，采用交联网状结构的弹性描述,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,交联网状结构,末端距,热力学分析,三、纺织纤维的弹性模量 假设纤维由螺旋线排列的原纤和非晶体基体组成，故纤维拉伸模量包括由于原纤和非晶体伸长，以及纤维伸长时原纤构象变化伴随的体积变化而产生。 由原纤和非晶区物质伸长产生的模量：,第四节 纤维的弹性模

27、量和回弹性,由纤维体积压缩产生的模量：,为原纤的螺旋角（取向角度），Ec为原纤模量，En为非晶区物质模量，为原纤的体积比，Kc为原纤体积模量，Kn为非晶区物质体积模量，a为原纤体积比。,四、纤维的回弹性 纤维弹性是指纤维变形的恢复能力，又称弹性恢复性能或回弹性。 1弹性的指标 弹性回复率e或回弹性。它是指急弹性变形和一定时间内的缓弹性变形占总变形的百分率。即： 还可用弹性功回复率或功回复系数ew表示纤维的弹性，即： 式中，We为弹性回复功；W为拉伸伸长时总功。,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,2纤维弹性的分子机理 从分子水平看，回复形变为拉伸分子内或分子间结合键的作用，不可回复形变为键的断裂与

28、重建形成的。,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,3纤维回弹性的测试方法 （一）一次循环弹性试验 （1）定伸长弹性 （2）定负荷弹性 （3）多次循环拉伸,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,不同伸长率或负荷下的形变回复率，即急弹性、缓弹性和塑形与总形变的关系。,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,4影响纤维回弹性的因素 （1）纤维的结构 如羊毛具有a螺旋结构，且有由二硫键构成的交联网络，回弹好； 聚氨酯类纤维，具有软链段、硬链段嵌断共聚，弹性优良； 玻璃纤维的断裂伸长率低，在断裂之前，主要是急弹性变形，故低 应变下的恢复率高； 涤纶和锦纶，局部区域分子链柔曲性好，具有较好的弹性回复。 （2）环境温湿度,第

29、四节 纤维的弹性模量和回弹性,（3）测试条件 。,第四节 纤维的弹性模量和回弹性,破坏形式有一次拉伸断裂，冲击、反复的动态加载疲劳、静态载荷的蠕变破坏等。 一、纤维强力和断裂特征 1. 纤维的理论强力和实际强力 理论强力的分析理论包括分子链的断裂、分子链的滑移断裂 （1）分子链的断裂 以单位面积的键数及其分子和原子间的内聚力为依据，如聚乙烯的键能为335kJ/mol，键长尾0.223nm，则共价键力为2.82*10-9N/键；聚乙烯晶胞的横截面积为1.82*10-16cm2，则可得理论强度为15.44N/tex，而实际为3N/tex。 （2）分子链滑移的断裂 范德华力和氢键力，如聚乙烯纤维0.

30、5nm链段的内聚能为4.185.02kJ/mol，分子链长按100nm计，总内聚能达800kj/mol，理论强度更高。,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,实际强力弱于理论强力的原因： （1）分子链断裂受力的非均匀性 （2）纤维结构的缺陷、空洞和裂缝等引起的应力集中效应,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,2. 纤维断裂端面的形态特征 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。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

31、移。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。 （1）高聚物的脆断和韧断,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,电子显微镜技术的发展，对纤维断裂破坏过程和纤维断裂头端的破坏特征进行了众多研究。弹性但伸长很小的纤维，如玻璃纤维，断裂表现为经典的脆断模式，即当负荷增加到一定程度时，断裂从一裂缝A开始，由于应力集中的原因，裂缝迅速扩展，形成光滑的断裂面AB。当在未断裂部分上的应力足够大时，其完全破坏

32、的粗糙断裂端面（BC），见图（a）（b）。粘弹性纤维如锦纶和涤纶，在拉伸过程中除断裂扩展外，开始时先形成一”V”字型缺口（A），并扩展（AB），最后断（BC），见图（a）（c）和（d）。在拉伸破坏过程中，纤维表面出现垂直于纤维轴向的裂缝清晰可见，如图（e）所示。,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,二. 纤维的疲劳破坏 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

33、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。 1、疲劳试验方法及疲劳曲线 多为动态疲劳试验，有： （1）交变应力振幅一定； （2）交变应变振幅一定； （3）交变应力振幅一定，并与一定的应力叠加； （4）周期性变化应力或应变，随时间增加而增大,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,2、疲劳破坏机理 认为高聚物的疲劳破坏过程是由于次价键的断裂和分子链的相对滑移。,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,式中：L为疲劳寿命，f为外力，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为气体常数，N0为单位截面积中次价键的数目，为平衡位置间距，h为普朗克常数，

34、F*为断裂过程活化能（J/mol），()为次价键断裂的频率函数。,疲劳破坏的原因： （1）纤维内部存在结构缺陷，即裂缝与孔洞，由于应力集中，当裂缝长度增长到临界值时，材料会突然断裂； （2）纤维的力学衰减与疲劳性能关系，当正切损耗大，疲劳过程中，材料发热高，温度升高，材料性能下降，疲劳寿命缩短。,3、疲劳寿命与其他力学性能关系 疲劳寿命次数N与断裂功W、功恢复系数和每次振动的能量有关，也可讨论每次负荷的伸长、回复率、总伸长率的关系。,第五节 纤维的断裂与疲劳破坏,4、纤维的机械处理： 由于纤维加载历史对纤维结构与性能的影响，可通过多次低负荷处理，称“机械处理”。,一、冲击性能 1.冲击试验测试

35、方法 （1）摆锤式冲击仪 （2）落重式冲击试验仪 （3）转盘式冲击试验仪 （4）弹射法,第六节 纤维的其他力学性质,2、冲击过程理论 （1）线型结构 a. 纵向冲击 b. 横向冲击,第六节 纤维的其他力学性质,飞弹横向冲击纱线，形成V形状，V形段沿着未弯曲纱线在两个横向方向扩展，但总低于伴随产生的应变的传递。这种横波传递速度Vt与横向冲击速度Vs的关系，为纱线张应力，为密度，为应变。,2.面型结构,第六节 纤维的其他力学性质,3.高速负荷作用下纺织材料的力学性能,第六节 纤维的其他力学性质,二、纤维力学各向异性,第六节 纤维的其他力学性质,三、纤维的弯曲、扭转和压缩性能 纤维在纺织加工中或在纺

36、织制品的服用或应用过程中都会受到除拉伸以外的弯曲、扭转和压缩作用。纤维的弯曲和加捻影响纱线的性能和织物的悬垂性和手感。弯曲变形的回复性能是影响织物起皱的因素，纤维的弯曲和扭转性能影响纱中纤维的排列。拉伸加捻纱线时纱中的纤维受到压缩作用等。本节讨论纤维的弯曲、扭转与压缩性能特征。 1. 纤维的弯曲 弯曲刚度决定材料抵抗弯曲变形的能力。纤维的弯曲刚度大，则不易产生弯曲变形，手感较刚硬。由材料力学可知纤维的弯曲刚度为： RB=EI 式中：RB为纤维的弯曲刚度(cNcm2)；E为纤维的弹性模量(cN/cm2)；I为纤维的断面惯性矩(cm4),半径为r的圆形截面轴惯性矩I0=r4/4。,第六节 纤维的其

37、他力学性质,但纤维的横截面形状一般都不是正圆形，为简化计算，纤维的断面惯性矩常采用下式计算： (5-38) 式中：If为纤维的断面惯性矩(cm4)； r为纤维截面按等面积折换成正圆形时的等效半径(cm)；f为截面形状系数，它是纤维的实际截面轴惯性矩If与转换成正圆形时的惯性矩I0之比值。因而，纤维的实际弯曲刚度为： (5-39) 设纤维的密度为(g/cm3)，线密度为Ndt，由纤维线密度和半径的换算公式: , (5-40) 纤维粗细不同时，弯曲刚度与其线密度平方成正比。为了在纤维间相互比较，常采用单位粗细(tex)条件下的纤维弯曲刚度，叫作纤维的相对弯曲刚度或比弯曲刚度Rfr 。则： (5-4

38、1),当采用比模量(cN/tex)时，变为： (5-42) 几种纤维的弯曲截面形状系数f和相对弯曲刚度Rfr值如表所示。 由表可以看出，各种纤维的相对弯曲刚度差异很大。在天然纤维中，羊毛是所有纺织纤维中最柔软的，而麻纤维是最刚硬的。在常用的化学纤维中，锦纶是最柔软的，涤纶是最刚硬的。 2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是不同的，如图所示。中性面oo以上受拉伸，中性面以下受压缩。弯曲曲率越大(曲率半径r0越小)，各层变形差异也越大。曲率半径过小时将发生外层破裂；内层挤压塑变，直至断裂，如图所示。,表5-2 纤维的抗弯性能,当纤维厚度为d时，最外层的拉伸伸长率为

39、： (5-43) 式中 ； ，显然随纤维弯曲变形的曲率半径r0减小，纤维外层的伸长率增大。当 增大到等于纤维的拉伸断裂伸长率 b时，最外层开始破裂，进而被裂纹扩展而断裂。故纤维防止表面破裂的最小允许曲率半径r0为： (5-44) 可以看出，纤维越细(d越小)，拉伸断裂伸长率( b)越大时，越不易折断。 由材料力学中梁的弯曲变形公式可知： ，式中，纤维的弯曲刚度EI越大，在相同的外力矩M作用下，纤维的弯曲变形就愈小(或曲率半径r0愈大)。材料的截面轴惯性矩与截面的尺寸有关，截面尺寸越大，截面的面积分布离中性层越远，它的截面惯性矩I就越大。弯曲刚度小的纤维制成的织物柔软贴身、舒适。,但弯曲刚度小的

40、纤维制成的织物易起球，如过细的羊毛弯曲刚度小，在受到磨擦时，伸出的纤维就容易弯曲纠缠而成毛球。异型截面纤维或中空截面的化纤要比圆形截面的化纤弯曲刚度大而不易起球。,(b),(a),o,o,纤维弯曲时的变形与破坏,（2）勾接和打结强度 在实际生产中，纤维和纱线的耐弯曲破坏性能常用勾接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5-32所示。 当纤维(或纱线)粗细为Nt时，则勾接相对强度(比强度) ps为： (cN/tex) 更多用勾接绝对强度PL(或勾接相对强度pL)与拉伸绝对强度P(或拉伸相对强度p)的比值的百分数表示。 , 式中： L或L为勾接强度率(%)。 打结强度也有这些相应的关系； (cN/tex) ；或,式中，pk为打结相对强度(cN/tex)；Pk为打结绝对强度(cN)；k或k为打结强度率(%)。,勾接强度和打结强度试验原理,一般情况下，纤维或纱线的勾接强度和打结强度总是小于其拉