第9章紡織材料基本力學性質(zhì)

1、第七章第七章 紡織材料的基本力學性質(zhì)紡織材料的基本力學性質(zhì) 教學內(nèi)容：1、紡織材料的拉伸性能 2、紡織材料的蠕變、松弛和疲勞 3、紡織材料的彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮 4、紡織材料的摩擦與抱合 教學重點：纖維和紗線的拉伸性能；蠕變、松弛 的基本概念 紡織材料的基本力學性質(zhì)是指纖維、紗線、織物等在外力 作用時的性質(zhì)，總體包括了拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦、 磨損、疲勞等各方面的作用。 如對紡織材料施加拉伸作用時，它們將出現(xiàn)伸長、斷裂等 現(xiàn)象。 第一節(jié)第一節(jié) 纖維和紗線的拉伸性質(zhì)纖維和紗線的拉伸性質(zhì) 一、紡織材料拉伸斷裂性質(zhì)的基本指標 紡織材料在外力作用下破壞時，主要和基紡織材料在外力作用下破壞時，主要和基

2、 本的方式是被拉斷。本的方式是被拉斷。表達紡織材料抵抗拉伸能 力的指標很多，主要有以下指標。 （一）（一）拉伸斷裂強力和拉伸斷裂比強度拉伸斷裂強力和拉伸斷裂比強度 （第二章第六節(jié)） 1 1、拉伸斷裂強力：指紡織材料能夠承受的最大、拉伸斷裂強力：指紡織材料能夠承受的最大 拉伸外力。拉伸外力。單位：牛頓(牛頓是使1kg質(zhì)量的物體 得到1m/s2加速度所需的力)，強力與纖維的粗細 有關(guān)，所以對不同粗細的纖維、紗線沒有可比性。 2 2、斷裂比強度：、斷裂比強度：為了便于比較不同粗細的纖維、 紗線的拉伸斷裂性質(zhì)的指標，將強力折合成規(guī)定將強力折合成規(guī)定 粗細時的力。粗細時的力。 電子纖維強力儀電子纖維強力

3、儀 束纖維強力儀束纖維強力儀 （二）拉伸變形曲線及有關(guān)指標（二）拉伸變形曲線及有關(guān)指標 紡織材料在拉伸過程中，應(yīng)力和變形同時發(fā)展，發(fā)展紡織材料在拉伸過程中，應(yīng)力和變形同時發(fā)展，發(fā)展 過程的曲線圖叫過程的曲線圖叫“拉伸圖拉伸圖”。橫坐標為伸長率橫坐標為伸長率( () )，縱坐，縱坐 標為拉伸應(yīng)力標為拉伸應(yīng)力，拉伸曲線為拉伸曲線為應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 n（一）應(yīng)力（一）應(yīng)力應(yīng)變曲線（負荷應(yīng)變曲線（負荷伸長曲線，拉伸圖）伸長曲線，拉伸圖） n 纖維的種類很多，實際得到的應(yīng)力纖維的種類很多，實際得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有各應(yīng)變曲線具有各 種各樣的形狀?；旧戏譃槿悾悍N各樣的形狀?；旧戏譃槿悾?常

4、用紡織纖維的拉伸曲線 高強低伸型曲線：高強低伸型曲線： 棉、麻等拉伸曲線近似于直線，斜率很大，該 類纖維的聚合度、結(jié)晶度、取向度都比較高，大分 子鏈屬剛性分子鏈之故。 低強高伸型曲線：低強高伸型曲線： 如羊毛、醋酯纖維，主要原因這些纖維大分子聚 合度雖不低，但分子鏈柔曲性高，結(jié)晶度、取向度 較低，分子間不能形成良好的排列，且分子間易產(chǎn) 生滑脫。 高強高伸型曲線：高強高伸型曲線： 如滌綸、錦綸。 拉伸變形曲線有關(guān)指標：拉伸變形曲線有關(guān)指標： 1 1、初始模量、初始模量：obob段斜率較大，斜率即拉伸模段斜率較大，斜率即拉伸模 量量E E。在曲線。在曲線obob段接近段接近0 0點附近，模量較高，

5、點附近，模量較高， 即為初始模量，即為初始模量，它代表紡織纖維、紗線和織它代表紡織纖維、紗線和織 物在受拉伸力很小時抵抗變形的能力。物在受拉伸力很小時抵抗變形的能力。 單位為單位為cNcNtextex或或cNcNdtexdtex. .其大小與纖維材其大小與纖維材 料的分子結(jié)構(gòu)及聚集狀態(tài)有關(guān)。料的分子結(jié)構(gòu)及聚集狀態(tài)有關(guān)。 2 2、屈服應(yīng)力、應(yīng)變、屈服應(yīng)力、應(yīng)變 曲線上的曲線上的b b點為屈服點，這一點對應(yīng)的拉點為屈服點，這一點對應(yīng)的拉 伸應(yīng)力為屈服應(yīng)力（伸應(yīng)力為屈服應(yīng)力（b b），對應(yīng)的伸長率就），對應(yīng)的伸長率就 是屈服應(yīng)變（是屈服應(yīng)變（b b）。）。 屈服點所代表的物理概念是什么呢？屈服點所代

6、表的物理概念是什么呢？ 對于紡織材料來說，在屈服點以下時，變形絕大對于紡織材料來說，在屈服點以下時，變形絕大 部分是彈性變形（完全可恢復部分是彈性變形（完全可恢復) )，而屈服點以上部，而屈服點以上部 分所產(chǎn)生的主要是塑性變形（不可恢復）。分所產(chǎn)生的主要是塑性變形（不可恢復）。 屈服點高的纖維，其織物的保形性就好，不易起皺。屈服點高的纖維，其織物的保形性就好，不易起皺。 如圖所示，曲如圖所示，曲 線線oaoa下的面積下的面積 即為材料抵抗即為材料抵抗 外力破壞所具外力破壞所具 有的能量即拉有的能量即拉 伸斷裂功。伸斷裂功。 3 3、拉伸斷裂功、拉伸斷裂功 二、紡織材料斷裂機理及主要影響因素 （

7、一）紡織纖維斷裂機理及主要影響因素 1. 紡織纖維的斷裂機理 纖維受力開始時，首先首先是纖維中各結(jié)晶區(qū)之間的非晶區(qū) 內(nèi)長度最短的大分子鏈伸直，成為接近于與纖維軸線平行 而且彎曲最小的大分子，其后其后這些大分子受力拉伸，使化 學價鍵長度拉長、鍵角拉大，之后之后一部分最伸直、最緊張 的大分子鏈或基原纖逐步地被從結(jié)晶區(qū)中抽拔出來，這時 個別的大分子主鏈破拉斷，各結(jié)晶區(qū)逐步產(chǎn)生相對位移， 使結(jié)晶區(qū)之間沿纖維軸向的距離拉大。大分子或基原纖在 結(jié)晶區(qū)被抽拔移動越來越多,被拉斷的大分子也逐步增多， 結(jié)晶區(qū)中大分子之間或基原纖之間的結(jié)合力抵抗不住拉伸 力的作用，從而產(chǎn)生明顯滑移，大批分子被抽拔，伸長變 形迅速

8、斷開，達到拉伸曲線的斷裂點。 2. 2. 影響紡織纖維拉伸斷裂強度的主要因素影響紡織纖維拉伸斷裂強度的主要因素 （1 1）纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 大分子的聚合度：大分子的聚合度：聚合度愈大，分子結(jié)合力愈 大，纖維強度愈高。 n小-纖維的強度較低而伸長率較大 n大-纖維的強度較高而伸長率較小 纖維的取向度纖維的取向度： 取向度取向度- 大分子較挺直， 分子間結(jié)合力 大，承擔斷裂 應(yīng)力的大分子 較多-纖維的纖維的 強度高、伸長小。強度高、伸長小。 纖維的結(jié)纖維的結(jié) 晶度：晶度： 結(jié)晶度結(jié)晶度- 大分子排列規(guī)大分子排列規(guī) 整，縫隙孔洞整，縫隙孔洞 較少，而且較少，而且纖纖 維的強度高、維的強

9、度高、 伸長小、屈服伸長小、屈服 應(yīng)力和初始模應(yīng)力和初始模 量較高，量較高，但脆但脆 性可能也增加。性可能也增加。 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu): : 纖維的裂縫孔洞裂縫孔洞等缺陷和形態(tài)結(jié)構(gòu)的不均 一會使纖維的強度下降。使纖維的強度下降。 （2 2）溫濕度）溫濕度 溫度：溫度： 在回潮率一定時， 溫度溫度-大分子熱運 動能高，大分子柔曲 性提高，分子間結(jié)合 力削弱-強度強度 伸長伸長 相對濕度和纖維回潮率：相對濕度和纖維回潮率： 相對濕度相對濕度-纖維回潮率-分子間結(jié)合力越弱， 結(jié)晶區(qū)松散-強度強度伸長伸長初始模量初始模量。 棉、麻由于聚合度、結(jié)晶度都較高，水分子進入后 大分子間的結(jié)合力減弱不顯著

10、，同時可將一些大分子 鏈上的纏結(jié)點拆開，分子鏈舒展和受力分子鏈的增加， 平均地承擔纖維上所受的力，所以吸濕后棉、麻纖維 強力增加。 (3)(3)試驗條件試驗條件 試樣長度試樣長度較長時，測得的強度較低、試樣越長試樣越長，可能出 現(xiàn)的最薄弱環(huán)節(jié)的機會多，測得的強度就較低。強度就較低。 試樣根數(shù)多試樣根數(shù)多，由于斷裂的伸長率不均勻，纖維斷裂不同時， 故測得的平均強度越小，(根數(shù)根數(shù)-差異越大差異越大-強度強度) 拉伸速度越大，拉伸速度越大，拉伸至斷裂的時間越短，測得的強力較測得的強力較 大而伸長較小。大而伸長較小。 1. 紗線拉伸斷機理 當紗線開始受到拉伸時，當紗線開始受到拉伸時，纖維本身的皺曲減

11、少，伸 直度提高，表現(xiàn)出初始階段的伸長變形。表現(xiàn)出初始階段的伸長變形。這時紗線截面 開始收縮，增加了紗中外層纖維對內(nèi)層纖維的壓力，繼繼 續(xù)拉伸的過程中，紗中外層纖維、短的部分滑脫被抽拔，續(xù)拉伸的過程中，紗中外層纖維、短的部分滑脫被抽拔， 纖維受到最緊張的拉伸到一定程度后到一定程度后，即纖維受力達到 拉斷強度時，外層纖維逐步斷裂，外層纖維逐步斷裂，承受外力的纖維根數(shù) 減少了，由外層向內(nèi)層逐漸斷裂或滑脫。由外層向內(nèi)層逐漸斷裂或滑脫。 一般紗線斷裂的原因既有纖維的斷裂，又有纖維的 滑脫，斷口是不整齊的。當捻度較大時，纖維滑脫的可 能性很小，纖維由外向內(nèi)逐層擴展斷裂，此時紗線斷口 比較整齊。 （二）紗

12、線拉伸斷機理及主要影響因素 2.2.影響紗線一次拉伸斷裂的因素影響紗線一次拉伸斷裂的因素 （1 1）纖維的性能）纖維的性能 纖維的長度較長，細度較細時，纖維的長度較長，細度較細時，纖維較柔軟，在 紗中互相抱合就較緊貼，滑脫長度縮短，紗截面中纖維根 數(shù)可以較多，使纖維在紗內(nèi)外層轉(zhuǎn)移的機會增加，各根纖 維受力比較均勻，因而成紗強度較高。成紗強度較高。 纖維長度整齊高好纖維長度整齊高好，纖維細而均勻，成紗條干好， 成紗強力高成紗強力高。 纖維強度大，成紗強度大。纖維強度大，成紗強度大。 （2 2）紗線結(jié)構(gòu)）紗線結(jié)構(gòu) 捻度：捻度： 單紗強度隨著捻度的增加，開始上升，后來又單紗強度隨著捻度的增加，開始上

13、升，后來又 下降，極大值處于臨界捻度。下降，極大值處于臨界捻度。 在臨界捻系數(shù)以內(nèi)，單紗捻度-紗線強度 股線捻向與單紗捻向相同時，股線加捻同單紗繼續(xù)股線捻向與單紗捻向相同時，股線加捻同單紗繼續(xù) 加捻相似。加捻相似。股線捻向與單紗捻向相反時，開始合股反向 加捻使單紗退捻而結(jié)構(gòu)變松，強度下降，但繼續(xù)加捻時， 紗線結(jié)構(gòu)又扭緊，股線強度增加，比合股中單紗強度之 和還大，達到臨界時，甚至為單紗強度之和的1.4倍左 右。 混紡比：混紡比： A A、當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率相近時、當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率相近時, , 隨著強度大的纖隨著強度大的纖 維的混紡比的增加維的混紡比的增加, ,混紡紗

14、的強度增加?；旒徏喌膹姸仍黾?。 B B、當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率差異大時、當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率差異大時, , 隨隨著著強力大的強力大的 纖維的混紡比的增加纖維的混紡比的增加, ,開始下降開始下降, ,以后上升。以后上升。 三、紡織材料的蠕變、松馳三、紡織材料的蠕變、松馳 （一）蠕變、松馳的基本概念（一）蠕變、松馳的基本概念 紡織材料在一定拉伸外力作用下紡織材料在一定拉伸外力作用下, ,它的變形它的變形 量與拉伸力的某種關(guān)系。量與拉伸力的某種關(guān)系。 1-ab為一加上外力立即產(chǎn)生的瞬時變形。 2-bc為保持外力不變,隨時間延長,伸長逐漸增 加的曲線。 3-cd去除外力立即恢復的

15、變伸。 4-de去除外力逐漸恢復的變伸。 5-去除外力后不能恢復的變形。 蠕變：蠕變：紡織材料在一定恒定拉伸外力的作用下紡織材料在一定恒定拉伸外力的作用下, ,變變 形隨時間而變化的現(xiàn)象稱為蠕變。形隨時間而變化的現(xiàn)象稱為蠕變。 松馳：松馳：紡織材料在拉伸變形一定條件下紡織材料在拉伸變形一定條件下, ,內(nèi)部應(yīng)力內(nèi)部應(yīng)力 隨時間的延長而逐漸減小的現(xiàn)象稱松馳。隨時間的延長而逐漸減小的現(xiàn)象稱松馳。 從圖中可以看出纖維和紗線的拉伸變形可分為以下三種： 1 1、急彈性變形：、急彈性變形：加上外力，幾乎立即產(chǎn)生的伸長變形，如ab 段；外力去除后,鍵角和鍵長立即復原，即立即產(chǎn)生回縮變形， 如ce段。 2 2、

16、緩彈性變形：、緩彈性變形：拉伸力不變的情況下，伸長變形或回縮變形 隨著時間變化的變形稱為緩彈性變形，如bc段、dc段。 3 3、塑性變形、塑性變形: :外力去除后,不能恢復的這一部分變形稱為塑性 變形。這是因為外力作用下,大分子間產(chǎn)生相對滑移造成不可 恢復的變形。 纖維的蠕變和松弛的原因：纖維的蠕變和松弛的原因： 纖維在一定恒定拉伸外力的作用下纖維在一定恒定拉伸外力的作用下, ,纖維內(nèi)基原纖、大分子纖維內(nèi)基原纖、大分子 皺曲狀態(tài)的變化，特別是大分子鏈鍵長的伸長或縮短、鍵角的皺曲狀態(tài)的變化，特別是大分子鏈鍵長的伸長或縮短、鍵角的 張開或收合，只需要極短的時間完成，這是急彈性變形。隨著張開或收合，

17、只需要極短的時間完成，這是急彈性變形。隨著 時間的延續(xù)，大分子主鏈局部旋轉(zhuǎn)，微原纖間位置的調(diào)整和基時間的延續(xù)，大分子主鏈局部旋轉(zhuǎn)，微原纖間位置的調(diào)整和基 原纖的取向度逐漸增加，特別是大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑移，原纖的取向度逐漸增加，特別是大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑移， 使纖維伸長不斷變化，使纖維伸長不斷變化，呈蠕變現(xiàn)象。呈蠕變現(xiàn)象。 在恒定的拉伸變形一定時拉伸變形一定時,相鄰大分子相互滑移錯位，各大分相鄰大分子相互滑移錯位，各大分 子逐漸自動皺曲，張力逐漸減少，出現(xiàn)應(yīng)力松馳現(xiàn)象。子逐漸自動皺曲，張力逐漸減少，出現(xiàn)應(yīng)力松馳現(xiàn)象。 紗線的蠕變和松弛與纖維的蠕變和松弛基紗線的蠕變和松弛與纖維的蠕變和松

18、弛基 本相似本相似. 原因： （1）纖維蠕變和松弛的存在。 （2）紗線內(nèi)纖維相互滑移和錯位。 （二）紡織材料拉伸彈性回復率（二）紡織材料拉伸彈性回復率 1.1.彈性指標彈性指標: : 彈性回復率：彈性回復率： R=(3+4)/a 100% 3-急彈性回縮率 4 -緩彈性回復率 a-拉伸變形總量(1+2) 2.影響彈性回復率的因素: 影響纖維、紗線彈性的因素有纖維、紗線的結(jié)構(gòu)和材纖維、紗線的結(jié)構(gòu)和材 料的溫度和回潮率。料的溫度和回潮率。 第二節(jié) 壓縮性能 纖維和紗線的壓縮主要表現(xiàn)在徑向受壓（橫向受壓）, 如紡織加工中加壓是羅拉皮棍間，經(jīng)緯交織點處的受壓以 及纖維及制品打包時的受壓等。受橫向壓縮后

19、，纖維或紗 線在受力方向被壓扁,而在受力垂直方向則變寬。 纖維一般在強壓縮條件下才會產(chǎn)生破壞，大多可能產(chǎn) 生壓傷。單纖維的壓縮研究很困難，結(jié)論很少，大多數(shù)是 研究集合體的壓縮特性。 第三節(jié)第三節(jié) 彎曲性質(zhì)彎曲性質(zhì) 紡織材料在紡織加工和使用過程中都會遇到 彎曲力作用，產(chǎn)生彎曲變形。 一、紡織材料的抗彎剛度 紡織材料在受橫向力F的作用下產(chǎn)生彎曲變形撓 度Y為： EIa lfF y * )(* 當紡織材料的EI值較大，Y值較小，表示紡織材料較剛硬， 故EIEI值稱為抗彎剛度：值稱為抗彎剛度： ：纖維和紗線的抗彎剛度（cN.cm2） E：彎曲作用下的彈性模量（cN/cm2） I：纖維和紗線的斷面慣性距

20、（cm4） EIR f f R EIa lfF y * )(* 彎曲變形撓度： 抗彎剛度是指在外力作用下抵抗彎曲變形的抗彎剛度是指在外力作用下抵抗彎曲變形的 能力。能力?？箯潉偠染痛?，纖維、紗線的彎曲變形就 小。 1、抗彎剛度小的纖維和紗線制成的織物柔軟 貼身,軟糯舒適，但易起球。 2、抗彎剛度大的纖維或紗線制成的織物比較 挺爽。 纖維和紗線的彎曲性能常用勾接強度或打彎曲性能常用勾接強度或打 結(jié)強度來反映結(jié)強度來反映,勾接強度或打結(jié)強度大,則彎曲 性能就好,不易彎折損壞。 第四節(jié) 剪切性質(zhì) 纖維和紗線在垂直于其軸線的平面內(nèi)受到外力 矩的作用就產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和剪切應(yīng)力，紗線的加捻 就是扭轉(zhuǎn)。 （一

21、）指標 扭轉(zhuǎn)角 L:長度 Et:剪切彈性模量(cN/cm2) Ip:截面的極斷面慣性矩(cm4) T:扭矩(cN.cm) :扭轉(zhuǎn)角 pt IE lT * * t E p I t E （二）纖維和紗線的扭轉(zhuǎn)破壞 T為外力矩,Q為扭轉(zhuǎn)角。當外力矩很大時,纖 維和紗線產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角和剪切應(yīng)力就大,從而纖維 中的大分子或紗線中纖維因剪切產(chǎn)生滑移而被破 壞。纖維和紗線的剪切強度比拉伸強度小得多。 常用斷裂捻角來表示纖維或紗線的耐扭而不被破常用斷裂捻角來表示纖維或紗線的耐扭而不被破 壞的性能，斷裂捻角就是指纖維或紗線扭轉(zhuǎn)到破壞的性能，斷裂捻角就是指纖維或紗線扭轉(zhuǎn)到破 壞時所轉(zhuǎn)過的螺旋角角度。壞時所轉(zhuǎn)過的螺旋角角度。滌綸、錦綸、羊毛的 斷裂捻角較大,故耐扭；麻的斷裂捻角較小,玻璃 的斷裂捻角的極小。 第六節(jié)第六節(jié) 表面磨擦性質(zhì)表面磨擦性質(zhì) 紡織材料在紡織加工和使用過程中都會遇 到摩擦作用,纖維和紗線的磨擦性質(zhì)具有兩重性, 一方面要利用它,如是拉牽伸過程中要利用纖維 間的磨擦力來良好地控制牽伸區(qū)中纖維的運動； 另一方面要避免紗線在加